海底管道管跨段在内外流体作用下的竖向动力特性研究.pdf

维普资讯 第 35卷 第 1期 中 国 海 洋 大 学 学 报 35(I)：162～166 2005年 1月 PER10DICAL OF (X：EAN UNIVERSITY OF CHINA Jan．．2005 海底管道管跨段在内外流体作用下的竖 向动力特性研究 李磊岩，李华军 ，梁丙臣，王树青 (中国海洋大学工程学院，山东青岛266071) 摘 要： 根据在复杂的海洋环境条件下，管道的动力特性受到 内外流体的综合作用影响， 呈现与陆地管道不同的特点。研 究了结构受到外界流体所产生的涡激作用，同时考虑管内恒--r疋~况, 彰响，利用有限元方法对海底管道管跨段竖向振动的微分 方程进行求解。在此基础上得出了管跨段在不同外流流速情况下，内流流速与结构动力响应幅值的关系及其对管跨段振动 频率的影响，并进一步探讨了管跨失稳时的极限管 内流速与跨长的关系， 这些结论对于海底管道设计具有 一定实际指导意 义。 关键词 ： 管跨段；竖向振动；动力特性 ；涡激振动 中图法分类号： P7562 文献标识码： A 文章编号 ： 1672 — 5174(2005)01—162—05 近年来，各国越来越重视海上油气 田的开发，铺设 了大量海底管线，海底管线 已成为海上油气 田的生命 1 管跨段竖向运动方程的建立 线。然而，海底管线 由于受海底表面地形 以及海流的 长期冲刷、淘蚀，不可避免的存在着悬跨管段，有些服 该文将 图 1所示的管跨段简化为两端铰接情况 役时间较长的管段悬跨现象就更加严重。当悬跨 出现 (见图2)，管内流体以速度 相对于管壁作稳恒流动。 以后，海水 由于海流运动的作用，在流经管线的管跨段 单位长度 的管段和流体质量及管体周 围附加质量为 时。会出现漩涡发放现象。它将 引发作用于管跨段的 m，管外流体密度为 ，钢管抗弯刚度为 EI，管道悬跨 周期性变化的拖曳力和举升力，这些周期性变化的载 长度为 z。在不考虑管道体压力的情况下，海底管道管 荷是引发管跨段出现疲劳损伤的直接原因，从而使得 跨段竖向振动微分方程为[5-7]： 管跨段成为海底管线的薄弱部位。 目前，对海底管线管跨段的研究工作多将悬跨管 线简化为梁式结构，然后考虑外流所产生的涡激荷载 加以分析u之J而未考虑到其 内部流体 的影响。陆上管 道虽有考虑 内流的部分成果但多以考虑地震荷载为 图 1 管道悬空段示意图 主 ]。该文则对海底管道管跨段在 内外流作用下的动 Fig．1 Suspendedsectionofsubmarinepipeline 力特性作了部分理论探讨 。由于在仅考虑海底管道所 受到的涡激作用力情况下，其所产生的纵 向振幅一般 远小于竖 向振幅 J。所以，该文的研究侧重于海底管 道管跨段竖 向振动上，主要考虑海底管道管跨段在涡 流产生的垂 向升力作用下的动力特性研究，借助于有 限元方法对考虑 内流影响下的海底管道管跨段方程进 图2 简化为两端铰接后的悬空段示意图 行求解。研究了管跨共振时，内外流体作用对管跨段 Fig．2 SimplifiedstructureofthepipelineinFig．1 的响应幅值及频率的影响；同时还研究了非共振区内 外流体对管跨振动响应 的影响，从而有助于全面获得