王春光，鄭潤(rùn)，李明蕾，何文濤

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程與空間信息學(xué)院 山東 淄博 255049；2.山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

自2021年以來(lái),國(guó)際原油價(jià)格出現(xiàn)大幅上漲[1]。新冠疫情作為籠罩在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展上面的烏云開(kāi)始散去,但經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇基礎(chǔ)依然薄弱。被稱為“工業(yè)血液”的石油是發(fā)展工業(yè)的重要?jiǎng)恿?也是發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要資源。目前,陸地上的石油資源短缺的問(wèn)題日益嚴(yán)重,據(jù)估算,地球上未被開(kāi)采的海上石油儲(chǔ)量的90%是在超過(guò)1 000 m水深的海底地層下[2],而中國(guó)海岸線綿延遼闊,深海面積十分廣闊,海上油氣資源豐富,通過(guò)加快海洋油、氣開(kāi)發(fā),中國(guó)必將逐步擺脫油氣資源對(duì)外依賴。

中國(guó)海洋石油勘探開(kāi)發(fā)從沿海一隅到沿海集群作業(yè),油氣開(kāi)發(fā)作業(yè)水深從100 m到如今的超3 000 m,海洋裝備從最初的1艘鉆井船發(fā)展到現(xiàn)在的61座鉆井平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了每年的海上原油產(chǎn)量從95 000 t到48 640 000 t的跨越。特別是十八大以來(lái),深水鉆井平臺(tái)“海洋石油982”、海上移動(dòng)式試采平臺(tái)“海洋石油162”(圖1)相繼試驗(yàn)成功。中國(guó)的海洋油氣勘探與開(kāi)發(fā)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展期,我們也提出了“走向深藍(lán)”的戰(zhàn)略口號(hào),促進(jìn)了海洋資源開(kāi)發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的研究。

圖1 “海洋石油162”號(hào)

無(wú)論采用何種海洋資源開(kāi)采平臺(tái),海洋立管均是不可或缺的結(jié)構(gòu)物,而80%的深水油氣事故與立管的疲勞損傷相關(guān)。立管的疲勞損傷主要是由外部環(huán)境與立管相互作用而產(chǎn)生的渦激振動(dòng)所引起[3-4],因此在海洋工程領(lǐng)域,開(kāi)展了大量的復(fù)雜海況下海洋立管渦激振動(dòng)影響因素及抑振方式的研究。

1 海洋立管渦激振動(dòng)的基本理論

海洋立管作為海洋油氣開(kāi)發(fā)從海底將油氣輸送到海面平臺(tái)的重要通道,是海洋油氣開(kāi)發(fā)的重要組成構(gòu)件。海洋立管在洋流作用下,在立管兩側(cè)尾流區(qū)發(fā)生交替泄渦,漩渦的生成和泄放相關(guān)聯(lián),立管受到橫流向及順流向的脈動(dòng)水壓力作用后將引發(fā)振動(dòng)。在海流引發(fā)交替泄渦導(dǎo)致立管振動(dòng)的同時(shí),立管振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響海流的尾流結(jié)構(gòu),進(jìn)而改變立管上的脈動(dòng)水壓力分布,這便是海洋立管的渦激振動(dòng)現(xiàn)象(VIV)。渦激振動(dòng)將導(dǎo)致立管疲勞破壞,不僅影響工程進(jìn)展,而且可能產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害,因此受到各國(guó)學(xué)者的廣泛重視。

海洋立管的渦激振動(dòng)源于Von Kármán發(fā)現(xiàn)的渦街效應(yīng)[5],其受力原理和數(shù)值模擬如圖2及圖3所示。

圖2 立管在渦街作用下受力示意圖

圖3 數(shù)值模擬卡門(mén)渦街[6]

對(duì)圓柱體繞流,交替脫落的單個(gè)漩渦的脫落頻率f與繞流流體的速度v成正比,與立管直徑d成反比,即得公式(1)[7]：

f=Sr(v/d),

(1)

式中Sr是斯特勞哈爾數(shù)。斯特勞哈爾數(shù)主要與雷諾數(shù)有關(guān)。雷諾數(shù)的物理意義是慣性力與黏性力的比值。

(2)

通過(guò)公式(2)的變形就可以直觀的得出雷諾數(shù)Re的物理意義,雷諾數(shù)越小液體粘滯力影響大于慣性的影響,雷諾數(shù)越大液體慣性影響大于黏滯力的影響。當(dāng)雷諾數(shù)數(shù)值達(dá)到300～3×105時(shí),斯特勞哈爾數(shù)數(shù)值近似于常數(shù)值(0.21);當(dāng)雷諾數(shù)數(shù)值達(dá)到3×105～3×106時(shí),有規(guī)律的漩渦脫落現(xiàn)象便不再存在;當(dāng)雷諾數(shù)數(shù)值大于3×106時(shí),卡門(mén)渦街又會(huì)出現(xiàn),這時(shí)斯特勞哈爾數(shù)約為0.27[8](圖4)。

圖4 不同雷諾數(shù)液體繞柱流動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)渦激振動(dòng)的頻率與物體的固有頻率相接近,就會(huì)引起共振,甚至使物體損壞。除了雷諾數(shù)會(huì)影響渦激振動(dòng)的出現(xiàn)外,圓柱體的質(zhì)量比也會(huì)影響相同來(lái)流下渦激振動(dòng)的振幅大小[9-10],影響渦激振動(dòng)對(duì)立管損傷的程度。

當(dāng)來(lái)流沖擊立管圓柱體產(chǎn)生渦激振動(dòng)后,會(huì)使立管在順流向和橫流向兩個(gè)方向因?yàn)槭芰Χa(chǎn)生震動(dòng),這兩個(gè)方向上的力的大小可利用公式(3)[11]計(jì)算：

(3)

式中：Fx、Fy分別為立管受到的阻力和升力,D為圓柱直徑,ρ為流體密度,Cd、Cl分別為阻力系數(shù)和升力系數(shù),U為流體速度。

由此可見(jiàn),相關(guān)研究需記錄渦激振動(dòng)作用下立管順流向、橫流向兩個(gè)方向上的相關(guān)數(shù)據(jù)(圖5)。

圖5 雙向受力監(jiān)測(cè)

2 海洋立管渦激振動(dòng)研究方法的發(fā)展

自卡門(mén)渦街現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái),海洋立管的渦激振動(dòng)研究經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)研究、理論模型分析、計(jì)算流體力學(xué)方法的應(yīng)用等多個(gè)階段。首先Feng通過(guò)圓柱體風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了橫向振動(dòng)為主要振動(dòng)的渦激振動(dòng)的存在,Ferguson等[12]通過(guò)使用聲學(xué)液位壓力傳感器的原始設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)了圓柱體漩渦激發(fā)振蕩的表面和尾流現(xiàn)象。自此之后以海洋立管為代表的圓柱體的渦激振動(dòng)特征研究不斷通過(guò)水槽(水池)模型試驗(yàn)得以完成[5,7]。實(shí)驗(yàn)研究之外,各國(guó)學(xué)者還提出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵郧蠼饬⒐艿臏u激振動(dòng)問(wèn)題。首先,Hartlen等[8]開(kāi)創(chuàng)性地建立了尾流振子模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式;隨后,各國(guó)學(xué)者通過(guò)數(shù)十年的努力和研究對(duì)尾流振子模型不斷地進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展。Skop等[11,13]對(duì)此尾流振子模型進(jìn)行擴(kuò)展,將其應(yīng)用到柔性細(xì)長(zhǎng)柱體的渦激振動(dòng)研究中。Kim等[14]以及Facchinetti等[15]則對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步的修正和改進(jìn)。而郭海燕等[16]則考慮了立管內(nèi)流對(duì)立管渦激振動(dòng)的影響。近年來(lái),隨著計(jì)算和存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的人開(kāi)始轉(zhuǎn)向利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)解決VIV問(wèn)題。通常CFD模型可以分為四類(lèi)：離散渦方法(DVM),雷諾平均N-S方程(RANS)方法,大渦模擬(LES)方法以及 N-S方程直接模擬(DNS)方法。

3 影響渦激振動(dòng)的相關(guān)因素

在海洋油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中,海洋立管從海底輸送到海面的混合體成分包括油、氣、水以及沙石等等,是復(fù)雜的混合物,在超長(zhǎng)立管管道內(nèi)輸送由于內(nèi)外流耦合作用下造成明顯的周期性和壓力波動(dòng)特性的不穩(wěn)定現(xiàn)象,以至于引起立管的振動(dòng)[17-18]。為研究立管渦激振動(dòng)的影響,考慮多因素影響的預(yù)測(cè)模型[3]以及考慮海洋環(huán)境參數(shù)的渦激振動(dòng)特征研究[19]是必不可少的。圖6展示了海洋立管配置情況,由此可見(jiàn),海洋立管系統(tǒng)復(fù)雜多變,需考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)及環(huán)境因素多樣。

圖6 水下海洋立管配置[20]

現(xiàn)在關(guān)于海洋立管的渦激振動(dòng)研究正從之前的單因素研究發(fā)展到現(xiàn)如今的多因素研究。使海洋立管產(chǎn)生渦激振動(dòng)的主要原因包括立管本身的材料特性、洋流流速、頂部張力、邊界條件以及波浪等。葛士權(quán)等[21]通過(guò)利用ANSYS軟件進(jìn)行了多因素影響下的海洋立管渦激振動(dòng)的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬(圖7)。

大長(zhǎng)細(xì)比是實(shí)際工程中很明顯的一個(gè)特點(diǎn),Wang等[22]針對(duì)大長(zhǎng)細(xì)比立管模型在洋流作用下的渦激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。關(guān)于頂張力對(duì)立管在渦激振動(dòng)中頻率的影響方面,Yang[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出預(yù)張力的增加,組合激勵(lì)下的頂部張緊提升管(TTR)的不穩(wěn)定性會(huì)被抑制,但抑制效果的提升與預(yù)張力增加不成比例。李文華等[24]將立管簡(jiǎn)化為典型的 Euler-Bernoulli 彈性梁模型,根據(jù)傳遞矩陣?yán)碚摰贸霰碛^重力和立管內(nèi)外側(cè)壓力差引起的海洋立管軸向拉力的變化可影響立管本身固有頻率的結(jié)論。張永波等[25]研究了頂張力對(duì)立管渦激振動(dòng)的影響。柳軍等[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,在均勻流速條件下,立管的振動(dòng)頻率在順流向條件下是橫流向條件下的兩倍,因此兩個(gè)方向的影響相差不大,應(yīng)該同時(shí)考慮兩個(gè)方向的影響。殷布澤等[27]通過(guò)總結(jié)過(guò)往的海洋立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)提出要更加注重波浪對(duì)于海洋立管渦激振動(dòng)的影響。李瑩等[28]針對(duì)邊界條件進(jìn)行研究,對(duì)立桿端部應(yīng)用鉸接固接兩種邊界支座進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其他參數(shù)相同時(shí),兩端鉸接時(shí)立管的震動(dòng)幅度大于立管兩端固接時(shí)的震動(dòng)幅度,Gao等[29]通過(guò)數(shù)值分析的方式研究得出在一定范圍內(nèi)立管長(zhǎng)細(xì)比(L/D)越小,不同邊界條件下的VIV位移差異越大。巫志文等[30]的研究中考慮建立隨機(jī)波浪和渦流激勵(lì)聯(lián)合作用下海洋立管動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)學(xué)分析模型,通過(guò)此模型進(jìn)行隨機(jī)波浪對(duì)立管渦激振動(dòng)的影響進(jìn)行研究。Wang等[31]進(jìn)行了多因素實(shí)驗(yàn),研究了立管材料、流速、頂張力和邊界條件幾個(gè)因素綜合對(duì)立桿渦激振動(dòng)的影響,但是并沒(méi)有結(jié)合波浪的影響(表1)。

圖7 數(shù)值模擬海洋立管變形情況[21]

表1 Wang 等進(jìn)行多因素實(shí)驗(yàn)的工況[31]

通過(guò)結(jié)合新的實(shí)驗(yàn)方法[32],崔陽(yáng)陽(yáng)等[33]進(jìn)行了多參數(shù)耦合作用下的海洋立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn),并基于灰色理論[34]實(shí)現(xiàn)了影響因素重要性排序,但該實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有考慮周期性波浪對(duì)于海洋立管渦激振動(dòng)的影響。

4 渦激振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和抑制方法

為抑制海洋立管由渦激振動(dòng)引起的疲勞損傷,學(xué)者們?cè)跍u激振動(dòng)抑制方面展開(kāi)了廣泛的研究。Rodriguez[35]通過(guò)改變物體形狀和尾翼形狀設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),探究形狀對(duì)渦激振動(dòng)的影響,但此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象與環(huán)境模擬與海洋立管相差很大(圖8)。

圖8 Rodriguez實(shí)驗(yàn)試件與實(shí)驗(yàn)效果[35]

Owen等[36]進(jìn)行了圓形柱體在不同雷諾數(shù)范圍的渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn),并發(fā)現(xiàn)施加質(zhì)量塊后渦激振動(dòng)可減少47%。婁敏等[37]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在鎖振狀態(tài)下,通過(guò)敲擊立管打破流體與結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系可以達(dá)到抑制渦激振動(dòng)的效果。王海青等[38]提出了在立管外部構(gòu)造三種不同形狀來(lái)達(dá)到抑制渦激振動(dòng)的效果并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。Gao等[29]分析模擬得出對(duì)于具有小長(zhǎng)徑比的圓柱體,不同邊界條件下的VIV位移存在明顯差異。吳仕鵬等[39]通過(guò)在立管外添加螺旋板來(lái)研究其對(duì)于渦激振動(dòng)的抑制效果,結(jié)果表明在高雷諾數(shù)來(lái)流情況下該裝置能大幅降低立管疲勞風(fēng)險(xiǎn)。婁敏等[40]采用仙人掌形狀截面的立管,通過(guò)數(shù)值分析得出在約化速度4～8范圍能降低橫順兩方向的振動(dòng)幅值。李子豐等[41]采用羽翼狀外包進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)加裝該結(jié)構(gòu)能有效減少圓柱后渦旋的產(chǎn)生。翟云賀等[42]提出一種雙組雙螺旋的裝置,實(shí)驗(yàn)表明在當(dāng)來(lái)流為對(duì)稱流時(shí),雙組雙螺旋裝置能有效抑制渦激振動(dòng)。沙勇等[43]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)螺旋列板的幾何參數(shù)對(duì)于渦激振動(dòng)影響進(jìn)行研究,為以后的相關(guān)研究提供了寶貴數(shù)據(jù)(圖9)。齊娟娟等[44]提出了一種口型截面的三螺頭螺旋導(dǎo)板,并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)得出該裝置對(duì)于大質(zhì)量阻尼比圓柱有較好的抑制渦激振動(dòng)的效果(圖10)。睢娟等[45]利用外包毛絨進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),得出絨毛長(zhǎng)度增加,抑制效果越好的結(jié)論。王偉等[46]提出一種安裝旋翼的方案,通過(guò)數(shù)值模擬得出隨著旋翼旋轉(zhuǎn)速度增加立管振幅減小。周陽(yáng)等[47]利用帶螺旋側(cè)板的立管模型進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明該裝置能夠擾亂尾流渦旋,抑制渦激振動(dòng)。

圖9 含有保溫層的立管螺旋列板的橫截面[43]

圖10 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b及螺旋導(dǎo)板模型結(jié)構(gòu)示意圖[44]

除了通過(guò)改變立管外包形狀進(jìn)行被動(dòng)抑制,近些年也有學(xué)者提出通過(guò)主動(dòng)對(duì)立管施加作用來(lái)進(jìn)行主動(dòng)抑制。Yang等[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出通過(guò)增加頂張力可以對(duì)渦激振動(dòng)進(jìn)行抑制,但抑制效果與力的增加成非線性關(guān)系。Wang等[48]利用雷諾數(shù)為100的合成射流進(jìn)行渦激振動(dòng)的抑制。Chen等[49]提出利用吸流法進(jìn)行渦激振動(dòng)的抑制。趙瑞等[50]提出通過(guò)施加端部激勵(lì)來(lái)進(jìn)行渦激振動(dòng)的抑制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,頻率比較小時(shí),軸向力激勵(lì)能降低渦激振動(dòng)位移。Zhang等[51]針對(duì)具有頂部張力的柔性船舶立管系統(tǒng)控制立管振動(dòng)進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)表明在適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇下系統(tǒng)具有良好性能。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與實(shí)際工程結(jié)合成為近年學(xué)者們研究的方向, Wong等[52]提出可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用Matlab中的LHS技術(shù)預(yù)測(cè)TTR短期渦激振動(dòng)疲勞損傷的簡(jiǎn)化方法。高喜峰等[53]提出要利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)柔性立管渦激振動(dòng)橫流向及順流向位移和頻率響應(yīng),隨后Yu等[54]以及Yan等[55]利用了基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊界控制方法,以預(yù)測(cè)振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),從而及時(shí)采取對(duì)應(yīng)抑振措施(圖11)。

圖11 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)海洋油氣資源已經(jīng)成為中國(guó)緩解油氣對(duì)外依賴的重要途徑,而海洋立管作為海洋資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)中不可或缺的重要組成部分,其渦激振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞破壞是重點(diǎn)研究和關(guān)注的領(lǐng)域。本文從海洋立管渦激振動(dòng)的基本理論、海洋立管渦激振動(dòng)研究方法的發(fā)展、影響渦激振動(dòng)的相關(guān)因素、渦激振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和抑制方法四個(gè)方面對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)的相關(guān)研究進(jìn)行綜述,由綜述可知：

1)海洋立管的渦激振動(dòng)研究方法經(jīng)歷了試驗(yàn)現(xiàn)象研究到理論與經(jīng)驗(yàn)公式創(chuàng)建再到借助高性能計(jì)算機(jī)的計(jì)算流體力學(xué)研究的發(fā)展;同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)影響海洋立管渦激振動(dòng)特征的因素包括頂部張力、海洋洋流(流速、流向等)、波浪特征(波高、周期等)、支承條件、立管長(zhǎng)細(xì)比、立管材料以及內(nèi)流的影響等。

2)對(duì)于海洋立管渦激振動(dòng)特征的研究正由單因素研究向多因素耦合研究發(fā)展,但目前多因素耦合作用下的相關(guān)研究仍顯不足。為了更加貼合實(shí)際工程,實(shí)現(xiàn)更安全、更高效的海洋油氣的開(kāi)發(fā),多因素耦合作用下的海洋立管渦激振動(dòng)研究將是未來(lái)研究的重要方向之一。

3)在海洋立管渦激振動(dòng)抑制方法的研究中,研究者們發(fā)現(xiàn)改變立管質(zhì)量、破除耦合關(guān)系、改變立管及其附加物形狀、引入主動(dòng)抑振手段等均可有效改善立管的渦激振動(dòng)現(xiàn)象,其抑振研究經(jīng)歷由被動(dòng)抑振到主動(dòng)抑振再到利用先進(jìn)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)手段采取特定抑振方式及時(shí)介入的發(fā)展。

4)隨著信息技術(shù)的發(fā)展,海洋立管監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)將發(fā)展為利用信息采集及處理平臺(tái),結(jié)合主動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障發(fā)現(xiàn)以及主動(dòng)控制的集中化、智能化系統(tǒng)。