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海底懸空管道的動力響應問題研究方法★

2017-04-07 02:55:01盧召紅高珊珊劉迎春
山西建筑 2017年18期
關鍵詞:渦激懸空固有頻率

盧召紅 高珊珊 劉迎春 閆 亮

(東北石油大學土木建筑工程學院,黑龍江 大慶 163318)

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·結構·抗震·

海底懸空管道的動力響應問題研究方法★

盧召紅 高珊珊 劉迎春 閆 亮

(東北石油大學土木建筑工程學院,黑龍江 大慶 163318)

在歸納了國內外學者對海底懸空管道動力響應研究成果的基礎上,總結出了關于求解波浪荷載的方法、懸空管道模態(tài)分析方法及影響動力效應的主要因素,為海底懸空管道的進一步研究分析和設計施工奠定了基礎。

波浪荷載,模態(tài)分析,動力響應,懸空管道

目前,隨著海上油氣開采量的逐年劇增,海底管道已成為海上油氣輸送的主要方式之一[1]。然而,海底管道因波浪沖刷、殘余應力等原因形成懸空節(jié)段。懸空節(jié)段長期受波浪荷載、潮流沖刷、地震力等往復作用,易形成渦激振動,增加管道的失穩(wěn)破壞風險[2]。一旦海底管道發(fā)生泄漏將嚴重的污染海洋環(huán)境,且很難立即完成管道修復恢復正常運營。因此研究懸空管道的動力特性,分析影響動力響應因素,避免懸空管道失穩(wěn)破壞顯得尤為重要。此文在歸納總結國內外學者對海底懸空管道動力響應研究成果的基礎上,整理出波浪荷載的計算、模態(tài)分析、動力響應等方面的研究現狀及發(fā)展趨勢,提出了關于海底懸空管道動力響應的未來發(fā)展趨勢,為進一步研究提供基礎。

1 波流荷載的計算方法

海底懸空管道主要承受波流荷載的作用,該作用對管道的影響較大[3]。波流力經常成為海中結構物的主要控制荷載[4],是決定設計方案和控制工程造價的重要因素之一。海流流經懸空管跨時,對懸跨節(jié)段易產生渦激動力效應,動力效應是決定海底管道的使用周期和引起管道失穩(wěn)的主要因素[5]。因此波流力對管道的安全及疲勞破壞起著重要作用。

波浪力計算中常根據結構物的尺寸與波長的比值分為小尺度波浪力計算和大尺度波浪力計算。當D/L>0.2(其中,D為管道外徑尺寸;L為水流波長)時稱為大尺度物體,可采用繞射理論或入射波壓力作用在結構下的受壓面積進行積分計算波浪力[3];當D/L≤0.2時稱為小尺度物體,一般采用Morison理論進行分析計算[6]。

流體作用在結構物時,其尾流將改變管體周圍水質點的速度和加速度,因此Morison理論在描述流體運動力的作用時間上具有一定的局限性。Soedigdo等人[7]提出WakeII力學模型,該模型中采用振蕩流的線性Navier-Stokes模型閉合形式的求解方法,得到修正后的尾流速度值和水動力系數。Sabag等人[8]經過實驗得到的數據與WakeII模型實驗數據進行對比,分析結果表明:采用WakeII模型計算結果與實驗結果基本吻合。該方法采用改進后的Morison方程,計算結果更貼近于工程實際。

海底懸空管道一般均為小尺度物體,采用Morison理論計算時,其阻力系數CD、慣性力系數CM和水流力系數CL均與雷諾系數Re有關[9]。波浪理論分為線性波浪理論和非線性波浪理論。Airy法為常用的線性波浪理論,該方法計算分析簡便,但由于假定波浪振幅非常小,未考慮繞射對結構物的影響,具有一定的局限性。非線性理論常用的有Stokes高階波浪理論、橢圓余弦波浪理論和孤立波浪理論。目前,Stokes高階波浪理論頗受研究者們的青睞,此方法可準確地描述波浪實際的運動形式,計算精度高,但計算過程比較繁瑣,可借助大型計算機進行計算。

仝興華等[9]在進行海底懸空管道的靜力分析時,采用Morison方程計算波浪荷載值,用理論方法和數值方法求得的應力、彎矩值基本一致。曹勇軍[10]研究水中懸浮隧道在波浪荷載作用下的動力響應時,采用Airy線性波浪理論計算由波浪作用引起的流體速度時,采用Morison方程計算作用在懸浮隧道表面的波浪力,結果表示:波浪入射波波幅對懸浮隧道的橫向位移影響較大,對豎向位移的影響較小。

2 懸空管道的模態(tài)分析法

隨著各國對工程安全監(jiān)測的廣泛重視,如何保證工程的安全性、耐久性以及加固延長其使用周期的問題已成為重要課題之一。因海底管道所處的環(huán)境較復雜,埋于海底管道檢修困難,懸空節(jié)段長期受到動荷載的作用致使結構的強度和剛度逐漸衰減、削弱管道的使用功能并誘發(fā)安全隱患。為此,建立管道安全監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測管道健康狀況的重要方法之一,其主要研究內容為結構的模態(tài)參數分析(固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型),參數會隨著結構內部損害而發(fā)生變化,能夠表示結構物自身的固有動力特征[11,12]。鑒于此,結構的模態(tài)參數可以檢驗管道設計模型的合理性,也是研究動力響應的一種重要方法。

2.1 計算機仿真的有限元分析法

工程中主要采用大型有限元分析軟件,如ANSYS,ABAQUS等進行模態(tài)分析,提取所模擬結構的固有頻率、振型類型、振型方位等。其常用的方法有蘭索斯法、子空間法、動力法、縮減法、不對稱法、Damped法等。

1)蘭索斯法計算結果準確,且計算速度快,適合計算較大的不規(guī)則結構的高階模態(tài),也可計算指定頻率區(qū)段內的固有頻率和振型,被工程廣泛采用;

2)子空間法計算結果準確,但計算速度較慢,適合計算大結構的低級模態(tài)和結構自由度無法選取的模態(tài);

3)動力法求解速度快,但局限性強,適合研究單元質量均勻的結構模態(tài)分析;

4)縮減法計算結果的準確性和速度取決于所選結構自由度的數量和部位,適合自由度易取的結構,不適合大結構的模態(tài)分析;

5)不對稱法適合計算非對稱的質量矩陣和剛度矩陣,但計算結果中會忽略較高模態(tài)的固有頻率;

6)Damped法適合計算考慮阻尼和特征值結構的模態(tài),但計算結果會忽略高級模態(tài)的固有頻率。

喻靖宇等人[13]采用ABAQUS有限元軟件模擬海底管道,采用模態(tài)分析法對管道的固有頻率進行了分析,利用控制變量法分析了管道懸跨長度、管道外徑、金屬外徑、混凝土壁厚以及管道兩端約束情況對管道固有頻率的影響。結果表明:隨著管道懸跨長度、外徑、鋼鐵管道壁厚的增加,管道的各階固有頻率依次遞減;隨著管道兩端約束的增加,管道的各階固有頻率也逐漸增加。

楊曉紅等人[14]研究約束和長度對管道共振的影響時,利用ANSYS建立管道模型并進行模態(tài)分析,通過改變管道的約束條件和管跨長度,得到管道的固有頻率。結果表明:結構的固有頻率隨著約束條件的改變而改變;其他條件相同時,管道固有頻率隨著管道長度的增加而減小;約束方式對振幅的大小有影響,一端固定時振幅最大;其他條件相同時,振幅的大小隨著長度的增加而減小。

李國珍[15]對懸空管道進行模態(tài)分析時,采用蘭索斯法對懸浮管道進行模態(tài)分析。結果表明:管跨低階固有頻率對應的振型均為彎曲振型,扭轉振型對應管道的高頻振型;其固有頻率隨懸跨長度的增加而減小。

2.2 試驗模態(tài)分析法

通過激振實驗采集設定的輸入和輸出信號,對其進行處理識別得到模態(tài)參數。工程中經常把試驗模態(tài)分析和有限元模態(tài)分析相結合[16],用試驗驗證模擬的準確性,進行參數修正和優(yōu)化設計模型,再用優(yōu)化后的有限元模擬結構的激勵響應問題。海中懸空管道身處復雜的海洋環(huán)境中,采集到的激勵輸入信號精確度低,該方法具有一定的局限性。

2.3 環(huán)境激勵模態(tài)分析

環(huán)境激勵模態(tài)分析法是在試驗模態(tài)分析的基礎上進行改進和創(chuàng)新的一種方法。此方法不需采集輸入信號,只需采集激勵輸出信息。實際工程中可直接測得結構在荷載作用下的輸出信號,采集的信息與工程實際一致,計算結果更加準確。目前,工程中廣泛采用自然激勵識別算法得到近似于結構脈沖響應的信號[17]。

2014年蔡鷗等[16]對啟東海域的風電結構進行模態(tài)分析研究,利用自然激勵識別算法和特征系統(tǒng)實現算法對海上結構進行模態(tài)分析,結果表明:有限元模態(tài)分析結果與環(huán)境激勵下的試驗模態(tài)分析法結果相吻合。

3 懸空管道的動力響應分析

渦激振動響應對管道的影響非常大,是趨向于增加懸空管道應力數值、引起管道失穩(wěn)、決定海底管道使用壽命的主要因素。因此研究水中懸空管道的動力響應特性,對保證水中懸空管道的安全運營十分重要。

2007年包日東等人[18]在建立流固耦合動力響應方程的基礎上,研究管道跨長和管外徑對動力響應的影響。管徑一定時,管道的固有頻率隨著節(jié)長的增大而減小,管道增大到一定長度后,頻率減小程度趨向平緩,發(fā)生渦激共振時,共振幅值隨著跨長的增大而增大;節(jié)長一定時,管道的高階固有頻率隨著管外徑增大而顯著增大,發(fā)生渦激共振時,共振幅值隨著管外徑的增大而增大,但對共振渦激頻率的影響非常小??梢姡艿拦?jié)長對渦激振動的影響較大,管道設計時應采取相應措施避免較長懸跨節(jié)長或較大跨徑比出現。

2003年李昕等[19]采用Morison理論建立動力方程,在此理論基礎上進行海底懸跨管道的動力響應特性分析。利用數值分析與試驗相結合方法,研究約束條件、管跨長、懸跨高度對管道動力響應的影響,結果表明:當其他條件相同時,管道在兩端固支支撐條件下的應變值小于兩端簡支支撐條件下的應變值;管道應變值隨著管跨長的增大而增大;管道應變值隨著懸跨高度的增高而增大。管道實際約束情況接近于固支與簡支支撐之間,實際施工中要加強管道的約束,減小管道的懸跨長度和懸跨高度。

2014年劉龍等人[20]采用Hamilton理論建立懸浮管道的動力方程,用精細積分法求解方程。此方法計算結果精確且在工程中廣泛應用。在此理論基礎上研究不同內流流速、壓強、材料阻尼等參數對管道渦激振動的影響。結果表明:在相同共振時程內,橫向最大響應位移值約為0.6 m,順向最大響應位移值約為0.056 m,管道在渦激響應中的主振動為橫向振動;在海流流速為0.2 m/s的條件下,共振響應幅值隨著內流流速和壓強的增大而顯著增大,但不同材料阻尼對其的影響較小。但他的研究假設管內流體為勻速運動,未考慮管體與內部流體具有耦合作用。

2016年Wang Zhiqian等人[21]提出非穩(wěn)定參數和渦激振動是影響海底懸浮管道安全的主要因素,由此建立管道振動方程,比較管道在不同參數作用下的渦激振動位移幅值。結果表明:動力系數和相位角對管道的渦激振動影響非常大。

2014年Yu Lin Deng等人[22]基于流固耦合數值分析方法,利用有限元分析軟件ADINA,建立了自由大跨度海底柔性管道在地震作用下的有限元模型。采用動態(tài)時程分析方法,研究了流固耦合作用對海底管道地震響應的影響。結果表明:當考慮流固耦合作用時,管道的最大應力值和最大位移值明顯增大;流固耦合作用對海底管道的地震動力響應隨著管道的直徑增加而增加。

He Yong等人[23,24]提出考慮幾何非線性對海底懸跨管道分析結果的影響,分析結果表示:當懸跨管道較大時非線性對管道的疲勞損壞和振動分析結果影響很大,對較小跨度的懸跨管道影響較小。

4 結語

海底管道對海上石油開采事業(yè)的發(fā)展和安全運輸起著至關重要的作用,國內外學者對海底管道作了大量研究。通過閱讀大量文獻和相關資料,得到如下結論:

1)采用非線性理論計算流體速度勢較繁瑣,但計算結果較為準確,更加貼近工程實際。2)利用有限元軟件進行模態(tài)分析時,可采用蘭索斯法提取模態(tài)值,此方法計算結果精度高,且計算速度較快。3)經大量的研究表明,海底管道的跨徑比對渦激振動的影響較大,應采取相應措施減小懸空管道跨徑比值。4)在動力響應研究方面,考慮流固耦合的研究偏少,研究渦激動力時考慮流固耦合更符合管道實際受力情況,該項工作有待進一步深入研究。

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Summary on the study of dynamic response for suspended pipeline★

Lu Zhaohong Gao Shanshan Liu Yingchun Yan Liang

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318,China)

Based on the summary of research result of scholars at home and abroad to submarine suspended pipelines dynamic response, the methods of solving wave loads, modal analysis of suspended pipeline and factors influencing dynamic effects were summarized. Which can foundation for the further research, design and construction of suspended pipeline.

wave force, modal analysis, dynamic response, suspended pipeline

2017-04-05

★:國家自然科學基金資助項目(項目編號:51578120);黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練重點項目(項目編號:201610220015)

盧召紅(1976- ),男,碩士,副教授

1009-6825(2017)18-0012-04

TU311

A

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