基于光纖光柵傳感器的細長柔性立管渦激振動響應實驗＊

唐國強呂 林,2滕 斌謝 彬張建僑宋吉寧吳 浩

(1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室; 2.大連理工大學深海工程研究中心; 3.中海油研究總院; 4.中國水產科學研究院漁業工程研究所)

基于光纖光柵傳感器的細長柔性立管渦激振動響應實驗＊

唐國強1呂 林1,2滕 斌1謝 彬3張建僑4宋吉寧1吳 浩1

(1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室; 2.大連理工大學深海工程研究中心; 3.中海油研究總院; 4.中國水產科學研究院漁業工程研究所)

渦激振動是導致深海柔性立管發生疲勞破壞的重要因素。利用光纖光柵傳感器進行了細長柔性立管渦激振動響應實驗,并結合部分實驗結果對應變信號的時間變化、應變頻譜、位移時間歷程及位移均方根的空間分布進行了分析,得出了細長柔性立管模型在均勻流作用下的一些重要渦激振動響應特性,可為今后進一步的研究工作提供參考。

光纖光柵傳感器 細長柔性立管 渦激振動響應 實驗分析

水深增加,鉆采立管等設備在海洋水動力環境作用下的動力響應會更復雜,特別是渦激振動問題對深海細長柔性立管的結構安全會造成巨大的威脅。立管結構一旦在渦激振動作用下發生疲勞破壞,將直接導致鉆采作業停產并在短期內難以得到恢復。因此,深入認識細長柔性圓柱結構的渦激振動動力特性,對開發和利用深海油氣資源具有重要的現實意義。

目前,在進行細長柔性立管渦激振動實驗時常選取加速度傳感器或者應變傳感器作為基本的測量儀器,但這些儀器可能會對結構的動力特性產生明顯的影響,或者會對外部流場產生明顯的擾動作用。而光纖光柵傳感器體積微小,直徑僅有0.3mm,無論對外部流場還是對結構本身都不會產生明顯的影響作用。光纖光柵傳感器采用光纖焊接方式將多個傳感器串聯在一起,只需要在立管模型的端部引出少量光纖連接線即可實現對光信號的傳輸。此外,光纖光柵傳感器通過檢測入射光波波長的變化來反映被檢測結構的應變,輸入輸出的信號不會受到外界電磁信號的干擾,因此光纖光柵傳感器非常適合于開展細長柔性結構的水下渦激振動實驗。

雖然光纖光柵傳感器具有許多優點,并在很多工程領域得到了廣泛應用[1-2],但在海洋工程方面的應用相對較少。Jaap J.de Wilde[3]在MARIN實驗室的淺水拖曳水池中應用光纖光柵傳感器測量了長細比為787.5的立管模型的渦激振動動力響應,并取得了良好的實驗結果,但相對于實際的深海工程而言,該模型實驗采用的立管長細比還是偏小。Swithenbank[4]利用光纖光柵傳感器進行了長度為152.524m的現場立管的渦激振動實驗,由于實驗中未對光纖光柵傳感器采取任何封裝措施,導致實驗過程中部分傳感器損壞,未能獲得預期的實驗效果;同時由于野外實驗現場環境影響因素復雜,水流速度難以準確確定,因此該實驗的結果也難以應用到渦激振動經驗模型和CFD模型的校驗中。

本研究應用光纖光柵傳感器開展了長細比為1 750的柔性立管渦激振動實驗。實驗中,通過拖車拖拉立管模型在水池中勻速前進來模擬實際均勻流作用下的立管渦激振動問題;采用光纖光柵傳感器同步測量橫流向(CF)和順流向(IL)下立管模型的應變;通過對應變信號進行頻譜分析和模態分解,獲得細長柔性立管模型在均勻流動條件下的渦激振動響應特性。

1 實驗設置

1.1 實驗水池及拖車系統

實驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室多功能綜合水池中進行。水池寬34m、長55m,實驗水深為0.7m。水池上部建有拖車系統,通過變頻電機驅動可使拖車在軌道上勻速運動。拖車的運動速度通過變頻器來控制,實驗中拖車運動速度控制在0.15～0.60m/s,速度變化間隔為0.015m/s。實驗立管模型通過固定裝置安裝在拖車上并淹沒于水下0.4m隨拖車一起運動,通過形成相對水流來模擬均勻來流對柔性立管的作用。圖1與圖2分別給出了實驗設施示意圖及實驗現場圖片。

1.2 立管模型參數

立管模型采用一根細長鋼管,長度為28.04m,外徑為0.016m,內徑為0.015m,彈性模量為210 GPa,與排開水體的質量比為1.0。立管模型的一端采取鉸接方式直接與拖車系統相連,另一端通過萬向鉸與一個可以在立管模型軸向進行水平自由滑動的滑塊相連;滑塊通過鋼絲繩經過定滑輪與彈簧連接,彈簧上部設有張力計,可以在實驗過程中對立管模型軸向的張力變化信號進行實時采集。張力采集系統的采樣頻率為100Hz。在本實驗中,立管端部的預張力為800N。

2 傳感器布置及信號采集器設置

2.1 光纖光柵應變傳感器原理

光纖光柵傳感技術是通過對光纖內部寫入的光柵反射或透射波長光譜進行檢測,進而實現對被檢測結構應變的測量[5]。通常把周期小于1μm的光纖光柵稱為光纖布拉格光柵,光纖布拉格光柵允許特定波長的光波發生光反射,其所反射的中心波長可表示為[2]

式(1)中:λb為布拉格波長;n為光纖有效折射率;Λ為光柵周期。

當寬帶光源從光纖光柵傳感器的一端入射后,只有波長滿足公式(1)的光波才會發生反射,因此可以說光纖光柵傳感器是一種對波長進行選擇的傳感器。

當光纖發生大小為ξ的應變時,光柵周期從Λ變為Λ′,即

根據光彈性理論,可以導出布拉格波長的變化Δ λ滿足下面的關系式:

式(3)中:p表示有效光彈系數,為已知的光纖材料系數。

在實際應用中,光纖的有效折射率會同時受到應變和溫度的影響。考慮到本室內實驗在短時間內水溫變化非常有限,可忽略溫度變化的影響。

2.2 傳感器布置

實驗中,在立管模型上沿軸向等間距布置了14個測點,各測點位置(z/L)如圖3所示。每個測點由4個光纖光柵傳感器構成,其布置方式如圖4所示,因此立管模型表面共布置了56個光纖光柵傳感器。在立管渦激振動實驗中,由于在立管端部施加了預張力,并且實驗水流的作用會引起脈動張力,預張力和脈動張力的存在勢必會引起光纖光柵傳感器波長發生變化,但這部分應變并不是由渦激振動引起的,因此在數據處理中必須將其除掉。假設在實驗過程中某傳感器由張力引起的波長變化為 a,由渦激振動引起的波長變化為b,則其對稱點傳感器由渦激振動引起的波長變化為-b。此時,2個對稱布置的傳感器總的波長變化分別為 a+b和a-b,將這2個對稱布置的傳感器的測量應變值相減并除以2,即可消除由張力引起的應變變化,從而可以準確地測量出CF和 IL方向的渦激振動應變變化。因此,在本實驗中采取了如圖4所示的沿立管模型圓周每隔90°布置一個傳感器的方式,并保證CF和IL方向各有2個傳感器。

光纖光柵傳感器可以承受拉力和壓力的作用,但難以承受剪力的作用。如果傳感器未采用任何封裝處理措施,在實驗過程中就極易被損壞。在本實驗中,對光纖光柵傳感器采用了大連理工大學抗震研究所的封裝技術。封裝后傳感器如圖5所示。采用該封裝技術可以有效避免傳感器在實驗過程中被損壞,并且實驗完成后傳感器可被回收再利用。

圖5 封裝傳感器示意圖

對經由同一條光纖輸出的傳感器信號,光纖光柵傳感器信號采集儀是按照信號波長從小到大(或者從大到小)的順序進行排列并輸出應變數據,而不是按照傳感器在光纖上排列的相對位置進行信號排列和輸出。因此,為避免同一條光纖上不同傳感器信號在輸出時發生混淆,在單條光纖上的光纖光柵傳感器之間需要設置不同的初始中心波長,且留有一定的波長變化富余寬度。實驗分析認為,設置1.5～2.0nm的波長富余寬度足以避免傳感器信號發生混淆。

2.3 信號采集器設置

本實驗采用SM130光纖光柵信號采集器進行實驗數據采集,采樣頻率為250Hz。根據奈奎斯特采樣定律,可以還原最高頻率為125Hz的振動信號。由于在本實驗所涉及的工況下最高渦脫落頻率還不到40Hz,因此SM130光纖光柵信號采集器完全可滿足本實驗信號采集要求。

3 實驗結果及分析

3.1 應變及頻譜分析結果

實驗中實時測量了CF方向及 IL方向的應變信號。通過對應變信號進行模態分解,獲得了立管模型在以上2個方向上的位移。圖6和圖7分別給出了拖車速度為 0.315m/s時立管模型 z/L= 0.267測點在CF方向和IL方向的實測應變時間變化信號及應變頻譜分析結果,圖中μ ε為微應變單位,S表示微應變幅值。

從圖6和圖7可以看出,應用光纖光柵傳感器可以很好地識別出立管振動的多模態特征。從應變的時間歷程線可以看出,在 z/L=0.267測點,CF方向和IL方向的振動均為多模態參與的振動,但二者的振動特性有很大的差別:CF方向的應變測量信號雖然存在一定的次峰,但幅值很小;而IL方向的應變變化則出現了不同峰值相互交替的情況。從應變頻譜分析結果可以看出,該測點CF方向存在一個主導頻率,其幅值明顯高于另外一個振動頻率,因此在應變的時間歷程線中表現為比較規則的正弦曲線的形式;而該測點IL方向也存在2個主要的振動頻率,但它們的幅值差異不大,因此實測應變信號沒有表現出與CF方向同樣規則的曲線。光纖光柵傳感器實測信號表明,該測點CF方向的應變要明顯高于IL方向的應變,而IL方向的主導頻率則明顯高于CF方向的主導頻率,為CF方向主導頻率的2倍。這些認識都與以往的研究成果一致,說明光纖光柵測量技術在細長柔性結構的渦激振動實驗中具有良好的工作性能。

為進一步說明細長柔性結構發生渦激振動過程中的振動頻率特征,圖8和圖9給出了拖車速度為0.315m/s時立管模型上所有測點在CF方向及IL方向應變信號的頻譜分析結果,可以看出,每個測點的頻率成分(頻率成分指通過快速傅立葉變換得到的頻率)基本相同,但由于測點位置不同,各頻率成分所對應的應變幅值是不一樣的,即各頻率成分對應變在空間上的分布貢獻是有差別的,這說明應用光纖光柵傳感器可以很好地識別出參與到細長柔性結構發生渦激振動的不同頻率成分。

進一步對圖8進行分析可以看出,CF方向振動信號出現了頻率相互競爭的現象,即CF方向的主導頻率在2個頻率之間發生跳動。而從圖9可以看出,IL方向的主導頻率始終保持著同一個頻率。實際上,模態的相互競爭是渦激振動的一個特有的物理現象,其原因之一是振動過程中附加質量系數[6]發生了改變,從而引起了立管振動頻率隨時間發生變化。

3.2 位移結果

通過對CF方向和IL方向應變信號進行模態分解[7-9],可以得到立管模型各測點的位移。圖10和圖11以拖車速度0.315m/s為例,分別給出了立管模型z/L=0.533測點在CF方向和IL方向上的位移時間歷程及相應的頻譜分析結果,圖中 y/D和x/D分別表示該測點在CF方向和IL方向的無因次位移;Ay/D及Ax/D分別為該測點在CF方向及IL方向的無因次振幅,D為立管模型的直徑。

從圖10和圖11的位移頻譜分析結果可以看出,在z/L=0.533測點上,CF方向及IL方向的振動基本為單模態占主導地位的振動,因此,這2個方向的位移時間過程線呈現出規律的簡諧振動的形式;同時,該測點CF方向的位移比IL方向的位移大很多,而 IL方向和CF方向的振動頻率分別為7.446Hz和3.784Hz,前者約為后者的2倍,表明本實驗光纖光柵傳感器得到的測量結果是可靠的。

立管模型位移均方根的空間分布可以從整體上反映立管在某一流速下的振動波形,并且可以用它來判斷渦激振動的參與模態情況[8]。以CF方向為例,位移均方根 yRMS(zi)的計算公式如下

式(4)中:zi為測點布置的位置;T為采樣時間長度; t為立管振動位移的時間。

圖12和圖13以拖車速度0.315m/s為例,分別給出了CF方向和 IL方向立管模型位移均方根的空間分布,圖中縱坐標均通過立管模型的直徑進行了無因次化處理,而橫坐標均通過立管模型的長度進行了無因次化處理。

從圖12和圖13可以看出,用本實驗中的光纖光柵傳感器及布置方式可以較好地測量出細長柔性立管模型渦激振動的模態信息。比較圖12與圖13可以看出,CF方向的振動為4模態占主導地位,而IL方向的振動為8模態占主導地位;同時,這2個方向的位移均方根的空間分布具有一定的不對稱性。如果實驗中立管模型是嚴格意義上的單模態振動,則位移均方根的空間分布將是對稱的,并且不會存在相位差。參照圖8的頻譜分析結果可以看出,除主導模態以外,還有其它的模態參與了振動,雖然這些模態的量級較小,但對立管模型的位移響應仍具有一定的貢獻。正是這些主導模態與非主導模態的共同作用,才導致了圖12和圖13中位移均方根空間分布的不對稱性和存在相位差。

4 結論

本文將光纖光柵測試技術引入到了細長柔性立管渦激振動的室內水平拖拉實驗,充分利用了光纖光柵傳感器體積小、對流場擾動小、不受電磁信號干擾等優點。實驗結果表明,光纖光柵傳感器在細長柔性立管渦激振動實驗中表現出良好的應變測試性能。文中結合部分實驗結果,對應變信號的時間變化、應變頻譜、位移時間歷程線以及位移均方根的空間分布進行了分析,得到了一些基本的細長柔性立管渦激振動響應特性,可為今后進一步的研究工作提供參考。

[1] 張姝紅,李琛,周學濱.光纖傳感技術在艦船抗沖擊測量中的應用研究[J].中國測試,2009,35(4):83-85.

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(編輯:張金棣)

Abstract:Vortex-induced vibration(VIV)is an important factor accounted for the fatigue damage of the deep water flexible risers.This work introduced the Fiber Bragg Grating(FBG)sensors to detect the vortex-induced vibration experimental response.Combining the experimental results of the strain traces,strain spectrums,time history of the displacements and spatial distributions of the Root-Mean Squared(RMS)displacements,the dynamic response characteristics of the long flexible riser subjected to vortex-induced vibration under uniform flows were obtained.This will provide a reference for the continuous research work.

Key words:Fiber Bragg Grating sensor;long flexible riser;vortex-induced vibration dynamic response;experimental analysis

Application of the fiber bragg grating sensors in laboratory tests of the vortex-induced vibration of a long flexible riser

Tang Guoqiang1LüLin1,2Teng Bin1Xie Bin3Zhang Jianqiao4Song Jining1Wu Hao1
(1.State Key L aboratory of Coastal and Of f shore Engineering,Dalian University ofTechnology, Dalian,116024;2.Center f or Deepwater Engineering, Dalian University ofTechnology,Dalian,116024; 3.CNOOC Research Institute,Beijing,100027; 4.Fishery Engineering Research Institute of Chinese Academy of Fishery Sciences,Beijing,100141)

2010-02-04 改回日期:2010-07-16

＊國家高技術研究發展計劃(863計劃)經費資助項目“3000米水深半潛式鉆井平臺關鍵技術研究”(2006AA09A103),國家自然科學基金委員會創新研究群體科學基金資助項目(50921001),海岸和近海工程國家重點實驗室開放基金資助項目(LP0904)部分研究成果。

唐國強,男,大連理工大學博士研究生,主要從事立管渦激振動研究工作。地址:大連市甘井子區凌工路2號(郵編: 116024)。E-mail:TangGQ@mail.dlut.edu.cn。