一種海底自由懸跨管道純順流向渦激振動預報方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種滿激振動的研究方法，更具體的說，本發(fā)明設及一種海底自由懸 跨管道純順流向滿激振動預報方法。 技術背景
[0002] 隨著國家海洋強國戰(zhàn)略的逐步實施，海底油氣資源的開采和利用得到了進一步的 發(fā)展。海底管道能夠快速高效的將海底油井出產的石油和天然氣等能源物質運送到陸地 上，具備安裝方便、造價低廉、高效運輸?shù)葍?yōu)點，目前已成為海底油氣輸送系統(tǒng)的主要裝置， 海底能源運輸?shù)拇髣用}，今后也將得到更廣泛的應用。
[0003] 眾所周知，海底地勢與陸地地勢一樣，高低起伏不平，有海溝、海嶺、海盆等，使得 海底管道在安裝過程中就會出現(xiàn)自由懸跨現(xiàn)象。另一方面，海底管道在服役過程中，由于經 受海底洋流對其周圍海床±體的沖刷作用，容易掏空海床±體，造成海底管道出現(xiàn)自由懸 跨。
[0004] 當外界流體流經懸跨的海底管道時會在尾跡流場中出現(xiàn)交替脫落的縱滿，造成管 道兩側的水壓力不平衡，從而使懸跨管道受不平衡水壓力的外激勵作用而發(fā)生振動，稱之 為"滿激振動"。運是造成海底自由懸跨管道疲勞破壞的主要原因之一。
[0005] 當縱滿脫落頻率與管道結構固有頻率接近時，懸跨管道會發(fā)生橫流向滿激振動， 運是傳統(tǒng)滿激振動所關注的重點。而當縱滿脫落頻率接近于管道結構固有頻率的1/3或者 1/2時，懸跨管道會出現(xiàn)純順流向滿激振動，運時的滿激振動可分為第一不穩(wěn)定區(qū)域和第二 不穩(wěn)定區(qū)域，但現(xiàn)有技術缺乏關于懸跨管道純順流向滿激振動的相關理論。
[0006] 由于海底自由懸跨管道的兩端由海床±體支撐，且海床±體對懸跨管道的滿激振 動有較強的約束作用，海床±體越堅硬，約束條件越強烈，也就越難發(fā)生滿激振動。又由于 海床±體是由固相、液相和氣相Ξ相物質組成，具有彈塑性，故懸跨管道的運動會使海床± 體的性質發(fā)生改變，而海床±體性質的改變又會影響到懸跨管道的運動。因此，懸跨管道與 海床±體之間存在著相互禪合作用。
[0007] 可見，海底自由懸跨管道純順流向滿激振動設及到外界流場、管道結構和海床± 體的多場禪合作用。但現(xiàn)有技術缺乏對懸跨管道與外界流場和海床上體禪合作用的分析理 論，故無法對純順流向滿激振動進行有效的預報。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的就是彌補現(xiàn)有技術的缺陷，并為此提供一種海底自由懸跨管道純順 流向滿激振動的預報方法。該方法考慮了懸跨段管道結構與外界流場在第一不穩(wěn)定區(qū)域和 第二不穩(wěn)定區(qū)域的禪合作用W及跨肩處管道結構與海床±體的禪合作用，使得理論預報結 果更加符合實際結果，為海底自由懸跨管道純順流向滿激振動提供了一種有效的預報方法 和分析途徑。
[0009] 本發(fā)明的海底自由懸跨管道純順流向滿激振動的預報方法，包括W下步驟：
[0010] (1)建立預報模型：
[0014] 式中：EI-管道結構的彎曲剛度；
[0015] T-管道結構的軸向拉力；
[0016] 心。11-±體對管道的支撐剛度，僅在跨肩處存在；
[0017] C-阻尼系數(shù)，在懸跨段由結構阻尼Cg和外界流體阻尼Cl組成，在跨肩處由結構阻 尼Cs和±體阻尼Cwii組成；
[001引Cs= 。，其中：ζ為結構阻尼比，ω。為管道結構固有圓頻率；
[001引 二。，其中：每,為平均拖曳力系數(shù)；
[0020] m-單位長度管道質量，包括管道結構質量，管內流體質量和管外附加質量m。；
[00川ma=CaηPD2/4,C。為附加質量系數(shù)；
[0022] y"管道橫向位移y對軸向位移X的四階偏導；
[0023] y"-管道橫向位移y對軸向位移X的二階偏導；
[0024] y-管道位移；
[00幼 樂一管道速度；
[002引 蘿一管道加速度；
[0027] 珍脈動拖曳力系數(shù)，僅在懸跨段存在；
[0028] P-外界流體密度或海水密度；
[0029] D-管道直徑；
[0030] V-外界來流速度；
[0031] q-無量綱拖曳力系數(shù)；
[0032] Cd。一管道靜止時拖曳力系數(shù)；
[0033] ε-尾流振子模型參數(shù)；
[0034] ω廣縱滿脫落頻率，=2,祝^，St為Strouhal常數(shù)；
[0035] η-穩(wěn)定區(qū)域參數(shù)；
[0036] Α-尾流振子模型參數(shù)；
[0037] 此為管道微段振動模型，采用有限元法或者有限差分法W連接結點代替整個連續(xù) 管道，對與連接結點相關的微分方程在時域上進行求解，得到管道的振動響應；
[0038] (2)根據試驗數(shù)據分別對懸跨段尾流振子模型中的參數(shù)在第一不穩(wěn)定區(qū)域和第二 不穩(wěn)定區(qū)域內進行標定：
[0039] 定義約化速度：
[0040]
[00川式中：Vr-約化速度；
[0042] 1)當1. 0《化<2. 3時，海底自由懸跨管道純順流向滿激振動處于第一不穩(wěn)定區(qū) 域：
[0043]η= 3
[0044]
[0045] 2)當2. 3《化<3. 8時，海底自由懸跨管道純順流向滿激振動處于第二不穩(wěn)定區(qū) 域：
[0046]η= 2
[0047]
[004引式中：C。一無量綱質量阻尼系數(shù)，
；：
[0049] 丫 一遲滯系數(shù)，
[0050] (3)根據±體性質確定±體支撐剛度和±體阻尼系數(shù)：
[0051] 1) ±體支撐剛度：
[0052]
[0053] 式中：Ιρ-±體塑性指數(shù)；
[0054]S。。一海床泥面±體不排水抗剪強度；
[00巧]S。,一海床±體不排水抗剪強度垂向增量；
[0056]y-管道嵌入±體深度；
[0057] υ -上體F*oisson系數(shù)；
[005引?！荔w阻尼系數(shù)：
[0059]
[0060] 式中：C,。11一±體阻尼比系數(shù)。
[0061] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其有益效果是：采用經典的vanderpol方程描述了懸跨 段管道結構與外界流場之間在第一不穩(wěn)定區(qū)域和第二不穩(wěn)定區(qū)域內的流固禪合作用；在跨 肩處利用彈黃模擬海床±體對管道結構的支撐作用，同時考慮了海床±體的阻尼作用，從 而建立了一個海底自由懸跨管道純順流向滿激振動的預報方法。該方法解決了懸跨管道純 順流向滿激振動所設及的外界流場、管道結構和海床±體的多場禪合作用問題，彌補了現(xiàn) 有技術的缺陷，為海底管道滿激振動的防范和治理提供了有效的途徑和理論依據。
【附圖說明】
[0062] 附圖為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0063] 為了使本發(fā)明的優(yōu)點和特征更容易被清楚理解，下面結合附圖和實施例對其技術 方案作W詳細說明。
[0064] 本領域技術人員均知，當外界流體流經懸跨管道所產生的縱滿脫落頻率接近于管 道結構固有頻率的1/3或者1/2時，海底自由懸跨管道會發(fā)生第一不穩(wěn)定區(qū)域或者第二不 穩(wěn)定區(qū)域的純順流向滿激振動，造成管道出現(xiàn)嚴重的疲勞破壞。傳統(tǒng)的海底自由懸跨管道 滿激振動的研究更多的關注于橫流向滿激振動，缺乏對純順流向滿激振動進行有效預報的 方法和途徑。
[0065] 由于海底自由懸跨管道是一個連續(xù)的整體，懸跨段管道結構受到外界不平衡水壓 力的激勵作用而發(fā)生滿激振動時，會連帶著跨肩處的管道發(fā)生振動。又由于跨肩處管道結 構由海床±體支撐，而海床±體對跨肩管道的振動具有較強的約束作用，故對整個海底自 由懸跨管道的滿激振動都會產生影響。同時跨肩管道的振動也會使海床±體的性質發(fā)生改 變，也就是說，管道結構與海床±體之間存在著禪合作用。
[0066] 可見，海底自由懸跨管道純順流向滿激振動不僅設及到懸跨段管道結構與外界流 場之間的流固禪合作用，而且還設及到跨肩處管道結構與海床±體的管±禪合作用?，F(xiàn)有 技術缺乏對海底自由懸跨管道純順流向滿激振動機理的有效分析理論和方法，未能對海底 自由懸跨管道純順流向滿激振動進行有效的預報
[0067] 本發(fā)明正是同時考慮了外界流場、管道結構和海床±體的多場禪合作用，提出了 一種海底自由懸跨管道純順流向滿激振動的預報方法。
[0068] 參照附圖，本發(fā)明方法包括W下步驟：
[0069] (1)建立預報模型：
[0073] 式中：EI-管道結構的彎曲剛度；
[0074]T-管道結構的軸向拉力；
[0075] 心。11一±體對管道的支撐剛度，僅在跨肩處存在；
[0076] C-阻尼系數(shù)，在懸跨段由結構阻尼Cg和外界流體阻尼Cl組成，在跨肩處由結構阻 尼Cs和±體阻尼C wii組