深水立管渦激振動抑制裝置的研制*

矯濱田 賈 旭 曹 靜 張曉靈 楊加棟

(1.中海油研究總院; 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司)

深水立管系統(tǒng)是海洋油氣田開發(fā)系統(tǒng)中最薄弱的構(gòu)件之一，是深水油氣田開發(fā)工程系統(tǒng)的咽喉。對于深水立管來說，立管的結(jié)構(gòu)疲勞是造成立管失效的主要因素，而立管渦激振動(Vortex-induced Vibration，以下簡稱VIV)是造成立管疲勞損傷的主要原因［1］。如何減輕深水生產(chǎn)立管可能發(fā)生的渦激振動，是立管設(shè)計中需要考慮的主要問題，具有重要的實際意義。

海洋工程中削弱渦激振動的方法多是在立管外側(cè)添加抑制裝置，螺旋列板作為一種廣泛應(yīng)用的深水立管渦激振動抑制裝置，在墨西哥灣、北海、西非等深水項目中有多年的應(yīng)用。研制了深水立管渦激振動抑制裝置——螺旋列板，通過室內(nèi)試驗確定了螺旋列板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進行海上實尺寸試驗驗證了所研制的螺旋列板的良好性能。

1 渦激振動抑制裝置研制的研究思路

在廣泛的文獻檢索與技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，開展立管系統(tǒng)渦激振動抑制裝置選型設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計和原材料配方、成型工藝、成型設(shè)備研究，確定渦激振動抑制效果最佳的螺旋列板形狀，研制渦激振動抑制裝置試樣，進行物理、機械性能指標(biāo)等的測試，開展渦激振動抑制裝置抑制效果的室內(nèi)試驗和海上試驗，確定最終樣機結(jié)構(gòu)及形狀并制作了樣機。渦激振動抑制裝置研制的研究思路如圖1所示。

圖1 渦激振動抑制裝置研制的研究思路

2 深水立管渦激振動抑制裝置的研制

2.1 選型

VIV抑制裝置有多種，最為常用的深水立管渦激振動抑制裝置是螺旋列板和導(dǎo)流板(圖2)。螺旋列板是早期渦激振動控制方法中的代表技術(shù)，已成功應(yīng)用于 Serrano、Oregano和 Brutus等多個平臺［4］;流線型導(dǎo)流板是Shell Global Solutions的專利產(chǎn)品，這種裝置可通過自由擺動來適應(yīng)周圍的流動，改善管子附近的水流狀態(tài)，從而有效地弱化導(dǎo)致振動引發(fā)的渦旋，達到減小立管渦激振動響應(yīng)的目的［2-3］。

圖2 常用的渦激振動抑制裝置［2-3］

螺旋列板與導(dǎo)流板2種裝置對各種方向水流引起的渦激振動均能進行有效地抑制，響應(yīng)振幅可降低80%以上。但是導(dǎo)流板作為渦激振動抑制裝置具有以下缺點:①導(dǎo)流板需要隨來流方向旋轉(zhuǎn)，設(shè)計很復(fù)雜，在一定程度上限制了其應(yīng)用，尤其是深水立管要求抑制裝置的包覆比例較大時;②服務(wù)壽命短，達不到立管服役壽命為25年的要求;③當(dāng)來流速度超過一定值時，特別是在頂部區(qū)域，安裝有導(dǎo)流板的立管會產(chǎn)生劇烈振動，會引起立管疲勞損壞。螺旋列板沒有導(dǎo)流板的上述缺點，且抑制效果要比導(dǎo)流板好。

我國南海海洋條件復(fù)雜，海洋環(huán)境惡劣，為了降低渦激振動對深水立管疲勞壽命的影響，選用螺旋列板作為深水立管渦激振動抑制裝置。雖然螺旋列板的結(jié)構(gòu)比導(dǎo)流板稍復(fù)雜，但制造不困難，而且沒有技術(shù)壁壘，完全可以國產(chǎn)化，從而降低制造成本。

2.2 螺旋列板設(shè)計

影響螺旋列板抑制效率的因素有很多，相同洋流條件下，主要影響因素有列板的形狀、包覆比例、海洋生物附著情況、表面粗糙度、干擾效應(yīng)和螺旋列板的曳力性能等。對于螺旋列板的設(shè)計影響最大的是螺旋列板的形狀，螺旋列板的形狀可以用螺高(H)、螺距(P)、螺頭數(shù)來表述，列板螺高和螺距通常用與立管外徑D的比值來表示。

過去的10余年間，研究人員就螺旋列板形狀對抑制效率的影響進行了大量的測試和研究［5-7］。結(jié)果表明:①對于相同的螺高和螺距，3螺頭和4螺頭的螺旋列板其抑制效率基本沒有太大變化，考慮到4螺頭較3螺頭列板的曳力系數(shù)更高，會給立管帶來強度損壞，一般會選用3螺頭的列板。②固定螺高和螺頭數(shù)，不同螺距列板的渦激振動抑制效率變化不是很大，螺距取5 D～17.5 D時，均可產(chǎn)生較好的抑制效果，但高螺距列板的曳力系數(shù)比低螺距的稍大。③在列板螺距和螺頭數(shù)相同的情況下，列板的抑制效率對其螺高非常敏感，隨著螺高的增加，其抑制效率會明顯增大，但其曳力系數(shù)也會隨之增大。一般認為列板螺高取在0.15 D～0.25 D之間時抑制效果較好且增大的拖曳力可以接受。

根據(jù)上述調(diào)研初步確定了螺旋列板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)，具體的哪種結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋列板抑制效果最好，需要進行室內(nèi)試驗來驗證確定。

表1 螺頭數(shù)為3時螺旋列板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

除螺頭數(shù)、螺高和螺距3個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還需確定列板的截面形狀、圓殼厚度、長度等參數(shù)，螺旋列板截面形狀及尺寸標(biāo)號如圖3所示(圖3中:D為管道直徑，H為螺高，T為列板頂部寬度，T1為列板根部寬度，T s為螺旋列板圓殼厚度)。

圖3 螺旋列板截面形狀設(shè)計

列板截面形狀:考慮到制造難度，選定列板截面形狀為梯形，列板頂部寬度T設(shè)定為0.04 D，列板根部寬度T1設(shè)定為0.13 D。

圓殼厚度:圓殼厚度T s的設(shè)計主要是考慮滿足螺旋列板整體強度要求，選定為0.035 D。

長度L:為了減少制作螺旋列板的模具數(shù)量，應(yīng)該選用螺旋列板繞管道旋轉(zhuǎn)一周所走過的長度為單位長度，為降低制造成本，本課題選用最小制造長度，即 L=P/3。

為了便于安裝及制造，將螺旋列板設(shè)計成分體式，如圖4所示。為保證安裝時能夠正確對接，在對接邊上都設(shè)置了定位卡塊及卡槽，安裝時只需對準(zhǔn)相配合的卡塊卡槽，即可方便地將其安裝在立管上。為簡化螺旋列板安裝工藝，加快安裝作業(yè)，螺旋列板固定方法選用包裝繃帶式緊固法，并在2片螺旋列板都預(yù)留了繃帶安裝槽。

圖4 分體式螺旋列板與立管裝配示意圖

3 室內(nèi)試驗

為了確定螺旋列板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行了渦激振動抑制裝置的室內(nèi)試驗。

本次試驗立管模型長度為7.9 m，將其兩端鉸接在預(yù)張力施加裝置后固定于拖車上，施加預(yù)張力后在拖曳水池中進行拖曳，以模擬立管在90°均勻來流下的VIV響應(yīng)。試驗中立管模型包括裸露立管模型和帶有VIV抑制裝置的立管模型，其中VIV抑制裝置為螺旋列板，覆蓋面積為100%。通過試驗測量立管模型橫流和順流2個方向的應(yīng)變以及立管的總拖曳力，以比較不同尺寸螺旋列板的抑制效果。

試驗內(nèi)容包括裸露立管模型(直徑30 mm)和帶抑制裝置立管模型在90°均勻來流下的VIV響應(yīng)。試驗中使用的螺旋列板抑制裝置的螺頭數(shù)為3，螺高分別為0.1 D、0.15 D、0.2 D、0.25 D，螺距為5 D、10 D、17.5 D、20 D。其中的直徑D為包括抑制裝置橡膠基板在內(nèi)的立管模型直徑。室內(nèi)試驗螺旋列板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 室內(nèi)試驗螺旋列板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

對于試驗立管，試驗流速分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 m/s;立管模型預(yù)張力 3000 N。

試驗結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，編號為S01的螺旋列板對試驗立管模型在90°來流下VIV響應(yīng)的抑制效率在95%以上，是抑制性能最好的螺旋列板，為螺旋列板模具的制作及海上試驗提供了很好的理論基礎(chǔ)。

圖5 不同規(guī)格螺旋列板對試驗立管VIV響應(yīng)的抑制效率

4 海上實尺寸試驗

4.1 螺旋列板的制作

國際上螺旋列板的制作通常選用聚氨酯彈性體、聚乙烯、玻璃鋼等材料。與聚乙烯、玻璃鋼等材料相比，聚氨酯彈性體具有耐磨性好、韌性好、抗撓屈性好、難以被戳穿等優(yōu)良性能，在海洋石油工程中應(yīng)用較多，因此我們選擇聚氨酯彈性體作為螺旋列板的制作材料。合成聚氨酯彈性體的原料主要有異氰酸酯、低聚物多元醇、小分子擴連交聯(lián)劑、其它助劑等［8-9］。

加工澆注型聚氨酯彈性體通常需要合適的模具。螺旋列板的形狀非常復(fù)雜，為保證制品的完整性以及便于開模，動模設(shè)計成滑塊組合式。為便于聚氨酯反應(yīng)氣泡的排出，在滑塊組合處及模具的上方開有合適的排氣孔。螺旋列板表面光潔度越高其抑制效率越好。為使列板模具表面盡可能光滑以達到抑制效率要求，使用高精度數(shù)控機床對模具進行加工，并對模具型腔鍍鉻。

聚氨酯彈性體按加工方式可分為混煉型、澆注型和熱塑型3類，螺旋列板形狀復(fù)雜，適合于用澆注的方式進行加工。螺旋列板的加工過程主要有半預(yù)聚物的合成和螺旋列板的澆注與后硫化。螺旋列板制作所需的主要設(shè)備有原料預(yù)處理罐、聚氨酯彈性體澆注機、模具、烘箱、卡爾費休水分測試儀等。

通過一系列優(yōu)化試驗確定了螺旋列板成型的主要工藝參數(shù)為模具溫度85℃、原料溫度60℃、脫模時間90 min、后硫化溫度100℃、后硫化時間12 h，在此工藝條件下制作的螺旋列板外觀及性能完好。加工好的螺旋列板如圖6所示。

圖6 制作完成的螺旋列板實物圖

4.2 螺旋列板海上試驗

為驗證所研制的渦激振動抑制裝置螺旋列板的抑制效率，在水深為60～70 m的黃海海域進行了實尺寸立管渦激振動海上拖曳試驗。

本次試驗裝置布置如下:將2根試驗立管(一根為裸管，另外一根為帶螺旋列板抑制裝置的立管)頂端通過拖曳架固定于船尾處，2根立管的底端分別通過一條鋼纜連接至船中前部的甲板處。為了避免試驗過程中鋼纜與船體發(fā)生碰撞，2根鋼纜的上端點分別由安裝在船中前部的2個長度為1.5 m的牽拉導(dǎo)向托架將鋼纜支出船外。2根試驗立管的間距為3 m，管上端與拖曳架鉸接，下端與3 m的橫撐鉸接以保持2根立管的間距，使其不會在試驗過程中相互影響，2根立管分別有一個5 t的重物通過鉤環(huán)與橫撐的兩端直接相連，以提供張力。立管與橫撐、重物以及鋼纜之間都是通過吊環(huán)連接，從而有效地隔離了不同結(jié)構(gòu)運動的相互影響。在拖曳過程中，由于海流作用立管會產(chǎn)生初始靜態(tài)偏移，但初始靜態(tài)偏移是流向的，而VIV研究的是橫向的，因此海流對試驗沒有影響。

海上試驗所需材料包括:①鋼管，φ168.3 mm、壁厚12.7 mm、規(guī)格 API 5LX65、有效長度40 m;②螺旋列板，螺頭數(shù)3、螺高0.25 D、螺距17.5 D，D為168.3 mm，列板截面形狀為梯形。

通過理論模型計算得知試驗立管所能承受的最大拖速為2.0 m/s。為了更好地研究渦激振動現(xiàn)象及螺旋列板的抑制效率，此次試驗將拖船速度范圍確定為0.2～2.0 m/s。具體試驗條件(在不考慮外界海流和波浪的條件下)如下:船舶拖速從0.2～2.0 m/s以0.1 m/s的幅度增加，并且保證每一個拖速能夠持續(xù)5～10 min;船舶拖速從2.0～0.2 m/s以0.1 m/s的幅度減小，并且保證每一個拖速能夠持續(xù)5～10 min。

海上試驗的監(jiān)測裝置采用的是2H offshore公司的加速度監(jiān)測儀，每根立管放置5個，間隔8 m，其中最上面的一個為實時在線監(jiān)測的監(jiān)測儀，其余4個為存儲式監(jiān)測儀，海上試驗加速度監(jiān)測儀放置情況如圖7所示。

圖7 海上試驗加速度監(jiān)測儀放置情況

海上試驗采集數(shù)據(jù)數(shù)量較大，故只選取了具有代表性的4 個拖速(0、1.03、1.54、2.06 m/s)下的數(shù)據(jù)進行了分析，分析結(jié)果列于表3。

表3 不同拖速下抑制裝置的抑制效率

從表3可以看出，海上試驗所用的渦激振動抑制裝置在拖速為 0、1.03、1.54、2.06 m/s時抑制效率都在80%以上，最高達到了89%，效果非常明顯，證明了所研制的渦激振動抑制裝置螺旋列板的性能達到了國外同類產(chǎn)品的性能。

5 結(jié)束語

研制了螺距17.5 D、螺高0.25 D、螺頭數(shù)為3的聚氨酯彈性體螺旋列板。海上實尺寸試驗證實，所研制的螺旋列板對立管渦激振動的抑制效率達到80%以上，其性能達到了國外同類產(chǎn)品的性能。我國深水油氣田的開發(fā)已經(jīng)提上日程，深水立管渦激振動抑制裝置在我國的應(yīng)用前景非常廣闊。

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