浅谈海底涡激抑制装置

2016-04-06 08:07杨若辰杨雅琪中国石油大学华东山东青岛266580

中国新技术新产品 2016年3期

杨若辰杨雅琪何旭（中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

浅谈海底涡激抑制装置

杨若辰杨雅琪何旭
（中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

摘要：在海底油气开采及储运方式中，海底管道传输因其输送连续、效率较高、输送量大和成本低廉等诸多优点成为海上油气传输的主要方式。海底管道处在复杂的深海环境中，受到各种安全隐患的困扰，涡激振动就是其中最为重要的一种，所以管道涡激振动的抑制一直是世界范围内研究的热点之一。然而，目前的较多研究集中于海洋立管，对于海底管跨涡激振动的研究仍然较少。因此，对于海底管跨涡激抑制的研究有其深远的意义。

关键词：海底涡激振动；抑制原理；影响因素

1　引言

海底管跨是指传输管道因下部悬空与海底表面不接触而出现的部分。其出现的原因有多种，海流对于海底泥沙的冲刷及腐蚀作用、海床表面的凹凸不平、管线本身的残余应力或热变形等。海底管跨的形成与存在在很大程度上影响着传输管线的安全性。海底管跨长期受到波浪海流所引发的水动力作用，会因振动而承受交变载荷作用，特别是海水在海流作用下流经管跨时，常伴随着周期性的漩涡发放，引起管跨的周期性振动，这种由漩涡发放激起的管跨的周期性运动称为涡激振动。涡激振动极易对传输管线造成疲劳破坏，从而极大缩短管线的服役寿命。

目前，针对抑制涡激振动问题的解决方法，最常见的是采取在外侧安装涡激抑制装置的方式。人们根据扰流方式的不同将其分为三类：（1）表面突起，如螺旋条纹、金属丝、翼板、柱状突起和球状突起等，它们的作用主要是影响边界层的分离；（2）覆盖物，如带孔套管、金属丝网、轴向杆件和轴向板条等，它们的作用是将来流击碎，使其变成很多小涡旋；（3）近尾流稳定器，如飘带、整流罩、分流板、导流叶片、锯齿状薄板等，它们的作用是阻止涡激的建立。

2　螺旋列板抑制原理及影响因素

螺旋列板是目前应用很广泛的一种被动型涡激抑制装置，其抑制原理是通过改变沿管纵向的波流分离角，从而扰乱旋涡的空间关联性，使旋涡分散，因此旋涡的强度被削弱，升力会降低。影响螺旋列板抑制效率的因素有很多，主要有列板的形状、包覆比例、海洋生物附着情况、表面粗糙度、干扰效应和螺旋列板的曳力性能等。其中螺旋列板的形状螺旋列板的形状对其抑制效率的影响起着决定性的作用。螺旋列板的形状一般可用螺高（H）、螺距（P）、螺头数来表述。通过大量关于螺旋列板形状对其抑制效率的研究表明，其螺距及螺头数对抑制效果的影响并不大，然而在列板螺距和螺头数相同的情况下，螺高对抑制效率的影响非常大，随着螺高的增加，其抑制效率会明显增大。螺旋列板具有抑制效率高、稳定性好、制作及安装成本低、使用寿命长等特点。它能够有效减少约70%～90%的涡激振动振幅。但同时其具有许多缺点，比如管道上生长的海洋生物会大大增加管道的粗糙度，这会大大降低螺旋列板的涡激抑制效率，并且会加大海流对管道的拖拽力。

3　控制杆抑制原理及影响因素

控制杆是一种直径小于主圆柱体的细圆杆，将它平行放置于主圆柱体附近，从而干扰主圆柱体周围的流畅结构，使来流变成许多小漩涡，能够减小主圆柱体的涡激振动和拖曳力。目前研究成果表明，不同雷诺数下，数量不同、位置不同的控制杆对于主圆柱体涡激振动的抑制效果不同。以三根控制杆对于主圆柱体涡激振动的影响为例，在两种来流方向：β=60°（抑制措施正向）和β=0°（抑制措施反向）；管外水流流速；立管的顶张力共40种参数上分别分析对比得出：各向抑制措施对于主圆柱体的涡激振动的抑制效果都较为明显，均可达到50%以上，但大部分情况下反向抑制措施的抑制作用要好于正向抑制措施；在外来流速较高时控制杆对于涡激振动的抑制效果明显，外来流速较低时抑制效果不明显；而顶张力对于抑制效果的影响并不明显。显然，控制杆对于主圆柱体的涡激振动有一定抑制作用，能够改变流场的结构并使漩涡脱落。三根控制杆相对于单根控制管来说具有更强的来流方向适应性、设计安装更简单、更节约成本等优点。

4　平行翼板抑制原理及影响因素

另一种较常见的方式是在外部添加平行翼板，与螺旋列板不同，平行翼板沿管道轴线分布没有形状上的弯曲。装置通过改善管道附近的水流状态，使海流成流线型，从而有效地弱化导致振动引发的旋涡的尺寸，达到减小立管涡激振动的目的，增大管道安全性。以三片翼板为例，其参数包括翼板夹角θ和翼板高度S，其中θ的值等于水流方向与其逆时针旋转到第一个翼板对称轴的夹角，S等于翼板底部到翼板顶端的垂直距离。我们常以翼板的夹角对其进行命名，常见的有为Δ00型、Δ30型、Δ60型和Δ90型，如图1所示。经过分析计算，四种翼板均可在一定程度上减轻涡激振动带来的影响，在实际工程的应用中，可根据不同的海底情况安装不同种类的平行翼板。此外，在翼板高度相同的情况下，间隙比对涡激抑制效果有很大的影响，四种翼板的受力均随着间隙比的的减小而减小，也即涡激抑制的效果越好，其中，在翼板高度相同的情况下，Δ60型翼板对涡激振动的抑制效果最好。在实际的工程应用中，应避免管道与海底间隙过大。在间隙比相同的情况下，翼板高度过高，会导致管线阻力系数的增大，威胁到管线的安全。显然，平行翼板同样有抑制效率高，稳定性好等优点，且相比于螺旋列板，平行翼板结构更加简单，成本低。