海底管道涡激振动研究进展

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机械工程学报

1

海底管道涡激振动研究进展

摘要

:

海底管道是海面与海底之间的 重要联系通道，随着深海油气资源的深入开采，人们越来越关注管道的涡激振动问题。涡

激振动的产生主要是由于洋流流经管道时在管道两侧交替产生的泻涡，它是引起管道疲劳损伤的重要因素。因此， 对海底管道

涡激振动的研究具有很大的实际工程意义。查阅国内外相关文献，从涡激振动 的原理、海底管道疲劳损伤的影响因素、抑制涡

激振动的有效措施三个方面分别介绍了当 前海底管道涡激振动的研究进展。

引起管道涡激振动疲劳损伤的五个主要因素分别是

管道外径尺寸、管道内部流体密度、管道材料、管道顶部预张力和管外流体流速分布。管道的 抑振措施主要从控制管道性能和

控制流场两个方面考虑，后者在实际应用中比较普遍，其 效果也相对较好。

关键词

:

海底管道

涡激振动

疲劳损伤

抑振

Survey on Vortex-Induced Vibration of Submarine Pipeline Research

CHEN Feng

Abstract:

Submarine

pipeline

is

an

important

link

between

the

sea

surface

and

seabed,

with

the

deepening

of

the

exploitation

of

deep-sea oil and gas resources, people are increasingly concerning about the problem of VIV

（

vortex-induced vibration

）

of submarine

pipeline. The generation of VIV, which is an important factor in inducing fatigue damage of submarine pipeline, is mainly because of

vortex-shedding

that

produce

on

both

sides

of

pipeline

alternatively

when

ocean

current

flowing

through

the

submarine

pipeline.

Therefore,

the

study

on

vortex-induced

vibration

of

submarine

pipeline

has

great

practical

engineering

significance.

By

reviewing

related

literature

written

by

domestic

and

overseas

scholars,

this

paper

introduces

current

research

progress

of

VIV

of

submarine

pipeline from three different aspects, and they are principle of VIV

, influencing factors of submarine pipeline

’s

fatigue damage and the

effective

measures

to

VIV

suppression,

respectively.

Five

ma

in

factors

causing

the

pipeline’s

fatigue

damage

from

VIV

are

outside

diameter of the pipeline, fluid density inside the pipeline, the pipe

line’s

material, the pre-tension at the top of the pipeline and flowing

velocity distribution outside the pipeline. For VIV suppression, it can be considered from following two aspects, one is control of the

pipeline performance and the other is control of flow field, and the latter one is more common in practical applications with better effect

relatively.

Key words

：

Submarine pipeline

VIV

（

vortex- induced vibration

）

Fatigue damage

VIV suppression

0

前言

海底管道是能够在海底通过密闭 的管道实现输

送从海底获得的大量油（气）的管道设备。在将油

或者气从海底输送至海面的过程中，海洋输流立管

是海底井口和海洋水面之间的重要连接 件。作为连

接海底和海面的关键组成部件，海洋立管既能够应

用 于钻探船舶和固定式平台，也能够较好地适用于

浮式海洋平台

[ 1]

。

因此，

对在实际海洋环境中的海 洋

立管的载荷及载荷作用下的动力响应进行精确计算

具有很好的 经济效益和社会价值。

引起海洋立管的振动响应的一个重要因 素是水

流引起的涡激振动（

V

orte x-induced

Vibration

，简称

VIV

）

。所谓涡激振动，是指当流体流经非流线型 物

体（如圆柱体）时，会在物体表面的两侧产生交替

脱落的旋涡 ，从而在物体上形成顺流向和横流向的

周期性变化的脉动压力，如果物体是允许发生弹性

变形的柔性物体或者是弹性支撑物体，那么物体的

振动又会反过 来影响尾流旋涡的形态，这种物体与

流体之间的相互作用称为涡激振动。对于海底管道，

如果旋涡的脱落频率和管道的振动频率相等，就会

发生

“

锁定

”

现象。

虽然

“

锁定

”

现象不会对海底管道立

即产生破坏，但是它容易加剧管道的疲劳破坏， 从

而影响海上油气田开发的经济效益。因此，研究海

底管道的涡 激振动对于实际工程等方面具有重要的

意义。

1

涡激振动的研究现状

的机理研究已经取得了许多阶 段性成果，这形成了

当今人们对涡激振动研究的基石。对海底管道进行

< br>涡激振动的研究，其最终目的是为了能够理解、预

测和防止相应的涡激振动现象的 发生

[2]

。

对于涡激振

动的研究，主要是从以下三个方面进行：

VIV

实验

研究、

VIV

经验模型研究和

VIV

数值模拟研究。

对于

VIV

实验方面的研究，早期学者对弹 性支

撑物体（尤其是圆柱体）的自激振动的运动及其动

2

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力特性有过较多研究，

其中

FENG

等人

[3]

对由单自由

度弹性体支撑的 圆柱体在风洞中进行的实验的影响

较大。在上世纪末

KHALA K A

等人

[4]

以及在本世纪

初

GOV

ARDHAN R

< br>等人

[5]

对低质量比的刚性圆柱体

做过许多实验研究，并得出了一些比较重要的结论。

当前人们对海底管道涡激振动的 实验研究可以分成

以下四种类型：

室内无比尺实验、