柔性立管的涡激振动

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随着油气资源的开采向深海的进军，当水深超过300m后，因海洋环境变得更加恶劣而且水深较大，传统的固定式平台已经不能适应这种深水海洋工程的需求，取而代之的是浮式生产系统，包括以油轮为基础的浮式生产储油卸油船 (floating production storage and offloading FPSO)、半潜式平台、张力腿平台和单立柱式 (Spar) 平台等。无论采用何种浮式平台方案，都需要使用立管和管道/生产管线，它们是海洋工程基础结构的关键组成部分，其中，立管是进行深水石油天然气开采必不可少的设备，它连接了海底矿藏与海面的作业平台，主要进行钻探、导液、导泥、传递信息等工作。

图1 深水平台及其水下立管系统

开采竞争的激烈化， 要求石油公司以尽可能低的平台建造成本开采尽可能多的油气资源，平台成本的降低很大程度上依赖于平台结构的合理、准确的设计。在深海平台系统的结构设计中，除了要考虑上部浮体本身在作业和极端海况环境下的载荷、系统响应和运动稳定性问题，还要考虑其水下小尺度结构例如立管、隔水管（以下统称为立管）等细长结构的疲劳和强度问题，因为这些水下结构的外部需要承受复杂海洋环境载荷（如海流、波浪、内波等）和平台运动的影响，内部有所输送的油或气（有时是高温高压的）通过，这些载荷的长期周期作用以及它们之间的耦合效应，会引起结构的周期往复运动从而降低结构的疲劳寿命，甚至可能造成立管的大幅度运动直接导致结构破坏。

立管涡激振动即立管尾流涡脱落的频率与结构频率接近时发生的自激振动 (vortex-induced vibration VIV) 一直以来是立管结构疲劳破坏的一个主要因素，也是长期以来海洋工程中颇具挑战性的问题之一，因为涡激振动在本质上是非线性的、自激又自限制的多自由度共振响应，涉及结构运动的非线性，例如锁频响应、滞回、位移的跳跃以及分叉和混沌；又涉及流体力学的非定常剪切层、分离点移动、转捩、湍流等诸多复杂问题，因此目前人们尚未能对VIV问题给出精确的理论解，尤其对其中的一些非线性现象的认识和机理解释仍然存在诸多争议。

而随着水深的增加， 柔性立管 (flexible riser FR) 的涡激振动问题变得更加严峻。一方面，因为水深的增加使立管的长度成倍地增加，立管系统在设计、安装和运行方面的困难急剧上升，其设计成本占总体系统的成本比例大幅度提高，甚至一艘深海钻采平台立管系统的造价与平台结构和锚链系统的总造价相当。另一方面， 从海洋环境条件和结构本身的特性来看：

  · 随着水深的增加深海洋流作用加强而且沿结构展向（水深方向）的分布不再是均匀的例如海流速度沿结构展向的剪切变化、海流方向沿结构变化以及海洋内波的作用等使得流场作用沿结构展向表现出幅值、方向、相位的非均匀性也就是说水下结构所承受的环境载荷变得更加复杂；

  · 水深增加使立管的结构长度增大，结构的柔度也增大而通常在很大的深度范围内这些水下结构在水中没有支撑设备保护。从深水立管展长与直径的比（长径比）很大（高达103量级）的柔性梁结构动力特性来看其结构的柔性大自然模态的频率低且模态密集（相邻模态的频率差值很小），因此在同样的来流条件下大长径比柔性立管较一般的刚性圆柱易出现高阶-多阶模态参与的宽带振动而且除了横向振动，还伴随有扭转、轴向振动从而造成立管响应和受力形式更加多样；

  · 深水浮式平台运动幅度相对于潜水固定导管架平台明显增大，上部浮体运动与水下结构的动力耦合作用增强。而且诱发了一些新的耦合稳定性和动响应问题（例如参数激励、轴向/横向的双向耦合效应、非线性响应放大、新锁频区域等问题）。

还有其他的一些因素例如立管的结构形式更加多样（诸如立管束、复合式立管等）以及不断增大的立管几何尺寸（半径）、轴向张力、阻力等等。所有这些因素使得深水立管的VIV预测和控制变得更加困难。因此，深水平台的水下细长结构（立管、海底管线等）在海流、波浪、内波等环境载荷作用下的涡激振动问题，一直以来成为国际上深水油气开采中的一个热点问题。

来源：FESIM有限元分析微信公众号，作者：陈伟民等。