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第 38 卷第 3 期中国海洋大学学报( ) ~
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2008 年 5 月 PERIODICAL OF OCEAN UNIVERSITY OF CHINA May , 2008
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海中输流立管涡激振动试验研究及疲劳寿命分析
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郭海燕, 董文乙, 娄敏
(中国海洋大学工程学院, 山东青岛 266100)
摘要: 为研究海洋立管涡激振动响应并预测其疲劳寿命,在中国海洋大学物理海洋实验室大型风浪流水槽进行海洋
立管涡激振动模型试验。考虑管内流体的流动,运用相似理论将实际海洋立管缩放为试验模型,施加不同流速的外流,测
得立管在涡旋脱落时顺流向及横向振动的应变时程曲线,根据实测结果,采用 Miner 理论对立管进行疲劳寿命分析。结果
表明:立管横向振动比顺流向振动强烈,大约高一个数量级;随着外流流速的增加,管道横向及顺流向振动明显增加,立管
的疲劳寿命降2低2;立管中部及端部2振动2 比较强烈,疲劳寿命较其它位置处低,容易发生疲劳破坏。
关键词: 海洋立管;2涡激振动; 内流; 模型试验; 疲劳寿命 2
中图法分类号: P756. 2 文献标识码: A 文章编号: 1672 5174 (2008) 03 503 05
Ξ海洋立管作为海底与海面的主要联系通道,是海验,然后运用 Miner 理论计算立管的疲劳寿命。
洋油气资源开发的一个重要基础设施。立管内部一般
试验
有高压的油或气流过,外部承受波浪、海流作用,当波 1
浪、海流流经立管时在一定的流速下会产生涡旋脱
, 1. 1 试验水槽
落,使立管发生涡激振动,导致立管疲劳破坏。海洋输流立管的涡激振动模型试验在中国海洋大
关于海洋立管涡激振动研究,国外研究成果很多, 学物理海洋实验室进行。该试验室为教育部重点实验
国内近期也有一些理论研究成果[1 ] 但实验研究很少
, 室,内有大型风浪流联合水槽(见图 1) ,可以产生风、
见有报道而国外学者已经做了大量的实验研究工作。
, 浪及流。水槽长 65 m ,宽 1. 2 m ,高 1. 75 m ,最大风速
Grosenbaugh[2 3 ]等人在美国海军大西洋水下试验与评
和流速分别为 17 m/ s ,1. 4 m/ s ,最大波高为 0. 4 m ,其
估中心对长悬索立管的动力特性及流引起的涡激振动
频率在 0. 125~8 Hz。
问题进行了等尺度模型试验;壳牌石油公司[4 5 ]对剪切
流下海洋立管的涡激振动、绕流装置的有效性、波与涡
激振动之间的作用等进行了模型试验; Huse E , Kleiv
en G and Nielsen[6 ]等人对长 90 m ,直径 30 mm 的立管
进行了试验,研究剪切流下的涡激振动、振动对轴力的
影响及相邻立管间波的干扰等问题。
这些研究主要针对深海柔性立管,并且一般不考
虑管内流体流动的影响,大量研究[7 9 ] 表明:当管内介
质流经挠曲的管道时,由于管道曲率的变化和管道的
横向振动,流体发生加速,这些加速的力会反过来作用
在管道上,引起管道的附加振动。海洋立管在涡激振图 1