海底管线管跨段动力响应分析及其实验研究

• 作 者: 李磊岩
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 管跨段 动力响应分析 海底管线 试验研究

海底管线作为生命线工程之一，是海上采油系统的一个重要组成部分，但是由于地形、冲刷、施工等原因，海底管线经常出现与海床表面不直接接触的悬空管段，即：管跨段。管跨段的出现改变了海底管线所承受的载荷形式和应力状态，尤其是在海流作用下流经管跨时，常伴随着周期性的涡旋发放，引发管跨段的周期性振动，成为管跨段发生疲劳失效的主要因素之一。以往对管跨段的研究，多只考虑其外部流体的涡流激振作用，本文在此基础之上，采用理论与实验结合的方法，对内、外流体共同作用下的管跨段的动力特性作了比较系统的研究。 首先，根据Hamilton原理建立了海底管线管跨段在内、外流体作用下的振动微分方程并经过推导得出了考虑内流影响下的管跨段极限冲刷长度计算公式，且对其进行了数值研究，得出了其规律性。其次，利用有限元方法对振动方程进行了求解，得出管跨段响应幅值及振动频率等动力因素随内、外流速的变化规律。此外，还对海底管线管跨段在顺流方向和垂直流方向上的管跨段极限冲刷长度和动力反应规律作出了比较，得到了一些具有实际意义的结论。 除理论分析外，本文还进行了海底管线管跨段物理模型实验。该实验根据一定相似率设计了海底管线模型，并针对不同管跨长度，考虑了管内流体的作用，进行了波浪、海流及其共同作用下的管跨动力反应实验研究。通过对多组实验数据的分析处理，不仅对理论结果做出了论证，而且也可以看出：管内流体作用使管跨段振动频率发生一定变化；海流涡激作用下，管跨段垂向振动响应幅值要大于顺向相应幅值，但是波浪的参与有时会改变此种情况；管跨段的响应情况受管跨长度的影响较大，在工程实际中应尽量使管跨段的管跨长度避开其极限冲刷长度，以达到避免共振维护海底管线安全性的目的。