深水M型跨接管渦激振動(dòng)疲勞損傷評(píng)估

胡春紅，袁玉杰，孫祥杰，馮現(xiàn)洪

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.中海油研究總院有限公司，北京 100028)

跨接管用于連接管匯與采油樹、管匯與海底管線終端(pipeline end termination，PLET)、采油樹與PLET、管線與深水立管等，是必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。目前國內(nèi)外對(duì)深水立管、隔水管、海底管道等長跨度平直管線的渦激振動(dòng)(vortex-induced vibration， VIV)分析較多[1-3]，但對(duì)于含有彎管的跨接管疲勞研究鮮有報(bào)道。SHEAR7廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外深水立管、隔水管的疲勞設(shè)計(jì)中。該軟件的優(yōu)點(diǎn)是可模擬真實(shí)的海洋環(huán)境，可以預(yù)測海流對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的VIV響應(yīng)。軟件的4.8版、4.9版和當(dāng)前最新的4.10版本中增加了跨接管VIV分析指南內(nèi)容[4]，本文以中國南海某氣田項(xiàng)目深水跨接管為實(shí)例，依托ABAQUS和SHEAR7軟件，建立深水立式M型跨接管VIV疲勞損傷評(píng)估方法和計(jì)算流程。

1 渦激振動(dòng)疲勞分析原理

跨接管的渦激振動(dòng)疲勞損傷評(píng)估可利用模態(tài)疊加方法，將跨接管的振動(dòng)響應(yīng)分解為若干個(gè)離散頻率以相應(yīng)的振型做疊加振動(dòng)。結(jié)合跨接管材料的S-N曲線計(jì)算跨接管的疲勞損傷[5]為

(1)

Dfat·DFF≤1.0

(2)

式中：Dfat為跨接管由于渦激振動(dòng)引起的疲勞累計(jì)損傷；k為所有潛在激勵(lì)的數(shù)目；ni為疲勞應(yīng)力幅作用的次數(shù);Ni為疲勞失效時(shí)應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)；DFF為疲勞設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

SHEAR7是基于模態(tài)疊加方法、依賴升力系數(shù)的模態(tài)激勵(lì)響應(yīng)編成的計(jì)算軟件。

結(jié)合ABAQUS有限元軟件進(jìn)行跨接管的模態(tài)分析，計(jì)算各階模態(tài)的固有頻率和振型，并以common.mds文件的形式將其作為輸入條件提供給SHEAR7，計(jì)算預(yù)報(bào)其渦激振動(dòng)響應(yīng)。詳細(xì)計(jì)算流程如下。

1)使用ABAQUS進(jìn)行跨接管模態(tài)分析，提取各階模態(tài)的頻率，以及各節(jié)點(diǎn)的位移、斜率、曲率。

2)根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，篩選各階模態(tài)下的振型屬于面內(nèi)振動(dòng)還是面外振動(dòng)，進(jìn)而分別生成面內(nèi)振動(dòng)和面外振動(dòng)的common.mds文件，作為SHEAR7疲勞分析的輸入文件。

3)形成SHEAR7的另一個(gè)輸入文件(.dat文件)，該文件的輸入數(shù)據(jù)包含6個(gè)模塊，分別是：①單位制；②結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力數(shù)據(jù)；③流速數(shù)據(jù)；④S-N曲線和SCF值；⑤計(jì)算和輸出選項(xiàng)；⑥補(bǔ)充數(shù)據(jù)。

4)依托SHEAR7的升力系數(shù)文件(common.cl文件)，運(yùn)行SHEAR7軟件，識(shí)別主要激勵(lì)模態(tài)，提取各流速概率分布情況下的節(jié)點(diǎn)損傷數(shù)據(jù)(.dmg文件)。

5)將各節(jié)點(diǎn)激勵(lì)模態(tài)的疲勞損傷值進(jìn)行求和，考慮一定的渦激振動(dòng)疲勞安全系數(shù)，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。工程中一般選取各節(jié)點(diǎn)的最小疲勞壽命作為跨接管的渦激振動(dòng)疲勞壽命。

2 分析內(nèi)容

管道的渦激振動(dòng)包括橫流渦激振動(dòng)(cross-flow VIV)和順流渦激振動(dòng)(in-line VIV)。橫流渦激振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向和流速方向垂直，而順流渦激振動(dòng)的方向和流速平行，見圖1。

圖1 橫流和順流橫流渦激振動(dòng)

對(duì)于平直管道(如海管和立管)，模態(tài)始終可以按順向或橫流方向分類。但對(duì)于跨接管這種非平直管道，由于彎管的引入使這種分類更具復(fù)雜性。在某些情況下，根據(jù)海流的方向，模態(tài)具有不同的順流和橫流方向[6]。如果海流方向改變，則運(yùn)動(dòng)特征可能不同。以圖2為例，海流方向平行于跨接管投影方向時(shí)，管道面外振動(dòng)為橫流激振，此時(shí)僅豎直段參與振動(dòng)響應(yīng)，而水平段僅考慮其質(zhì)量阻尼影響。而當(dāng)海流方向垂直于跨接管投影方向時(shí)，管道面外振動(dòng)為順流激振，此時(shí)管道豎直段和水平段均參與振動(dòng)響應(yīng)。因此，跨接管疲勞計(jì)算時(shí)需要將跨接管的每個(gè)直管段、彎管進(jìn)行分區(qū)，這種分區(qū)給不同區(qū)段選用相應(yīng)的升力系數(shù)曲線帶來便利，也給施加渦激振動(dòng)緩解裝置后的疲勞損傷評(píng)估帶來便利。

圖2 軸向流作用下的跨接管分區(qū)計(jì)算考慮

3 算例

我國南海某氣田深水立式M型剛性跨接管所處海域水深約1 200 m，跨接管名義外徑為219.1 mm、名義壁厚為14.3 mm，設(shè)計(jì)壓力為28.3 MPa，最高操作溫度為80 ℃。跨接管幾何構(gòu)型參見圖3。

圖3 跨接管幾何構(gòu)型(單位：m)

考慮兩端結(jié)構(gòu)物安裝誤差后，跨接管的最大水平投影長度是36 m。距離海床1 m的底流概率分布參見表1。

表1 距離海床1 m的底流概率分布

3.1 跨接管模態(tài)分析

跨接管長度越長，VIV疲勞損傷越大。因此，分析時(shí)以可能的最大水平投影長度情況下的跨接管形狀建立模型；使用ABAQUS有限元分析軟件將跨接管大致均勻分成399單元，400個(gè)節(jié)點(diǎn)，編號(hào)從1～400號(hào)遞增，彎管位置單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量適當(dāng)增加。跨接管總累計(jì)長度為57.73 m。

根據(jù)跨接管幾何形狀布置建立有限元模型，VIV疲勞損傷評(píng)估分析考慮操作期工況下的功能荷載影響，首先對(duì)跨接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。將分析中的受力結(jié)果作為預(yù)應(yīng)力考慮到整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析中，為避免激勵(lì)模態(tài)的遺漏，計(jì)算提取30階模態(tài)。前6階振型參見圖4。自振頻率和振動(dòng)方向判定參見表2。

表2 跨接管自振頻率與振動(dòng)方向判定

圖4 跨接管前6階振型

3.2 海流計(jì)算

底流概率分布的參考高度為距離泥面1 m，而跨接管各質(zhì)量點(diǎn)高度不同，根據(jù)流速1/7理論進(jìn)行流速折算。

uh=F×uref

(3)

式中:uh為距離泥面高度為h時(shí)的折算流速；uref為參考高度href時(shí)的流速；F為流速剖面折算系數(shù)。

(4)

由于跨接管處于垂直立面，且具有一定的高度，來流方向垂直于跨接管平面及平行于跨接管平面會(huì)帶來不同的振動(dòng)響應(yīng)，因此，無論是順流激振還是橫流激振，海流均需要考慮2種來流方向。

以橫流激振為例，需要考慮如下2個(gè)方向的振動(dòng)。當(dāng)海流平行于跨接管立面時(shí)，跨接管的豎直段參與振動(dòng)響應(yīng)，而水平段只考慮其質(zhì)量阻尼影響，流速剖面折算系數(shù)參見圖5a)。當(dāng)海流垂直于跨接管立面時(shí)，跨接管的豎直段和水平段均會(huì)參與振動(dòng)響應(yīng)，流速剖面折算系數(shù)參見圖5b)。

圖5 流速剖面折算系數(shù)

3.3 S-N曲線

跨接管的疲勞損傷需要使用S-N曲線進(jìn)行計(jì)算。一般來講，跨接管的管道外表面可選擇DNVGL-RP-C203的F3曲線，管道內(nèi)表面可選擇DNVGL-RP-C203的F1曲線[7]。

3.4 振動(dòng)響應(yīng)及疲勞損傷計(jì)算

結(jié)合SHEAR7軟件進(jìn)行順流激振和橫流激振2種來流方向下的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，篩選出跨接管的激振模態(tài)，結(jié)合流速概率分布數(shù)據(jù)使用疊加法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的綜合疲勞損傷，考慮渦激振動(dòng)疲勞安全系數(shù)之后，得出各節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。這里渦激振動(dòng)安全系數(shù)取為10，跨接管外表面、內(nèi)表面的疲勞壽命分布見圖6，最大疲勞損傷和最小疲勞壽命見表3。

表3 跨接管的最大疲勞損傷和最小疲勞壽命

圖6 跨接管疲勞壽命分布

工程中通常選取其中最小的疲勞壽命作為整條跨接管的疲勞壽命。從計(jì)算結(jié)果可以看出，跨接管的渦激振動(dòng)疲勞壽命僅為7年。如果跨接管的設(shè)計(jì)壽命超過7年，則需要考慮施加渦激振動(dòng)緩解裝置(例如螺旋列板)以減少疲勞損傷。由此可見，渦激振動(dòng)對(duì)跨接管的影響是不可忽視的，應(yīng)引起足夠的重視。