[发明专利]一种单跨管道横流向涡激振动的预报方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种海底管道的研究方法，更具体的说，本发明涉及一种考虑了跨肩管土耦合作用而研究的单跨管道横流向涡激振动的预报方法。

技术背景

蓝色的海洋中蕴藏着丰富的资源。近年来，人们逐渐加大了对海底油气资源的开采和利用。海底管道能够快速高效的将海底油井产出的石油和天然气等能源物质运输到陆地上，具有安装方便、造价低廉、高效运输等优点。因此，海底管道在海洋工程领域中得了广泛的应用，已经成为海底能源运输系统的大动脉。

由于海底地势起伏不平，有海岭、海沟、海盆等，往往使海底管道在安装的过程中就会出现悬跨现象。此外，海底洋流对海底管道周围海床土体的冲刷作用，容易掏空海床土体，使得海底管道出现悬空现象。当外界来流流经悬跨管道时，通常会在管道后缘出现交替脱落的漩涡，当漩涡脱落频率与管道结构固有频率接近而将达到锁定状态时，致使悬跨管道发生横流向涡激振动，出现较大的响应幅值，造成严重的结构疲劳破坏。

国内外很多专家学者对单跨管道横流向涡激振动开展了大量的模型试验和理论研究，并推出了VIVANA和Orcaflex等工程计算软件，但在分析跨肩海床土体对管道的作用时都有所简化，即：将跨肩海床土体对管道的约束作用简化为简单支撑、固定支撑或者一般边界条件，却未考虑到海床土体的性质、管道结构的性质以及运动管道与海床土体之间的耦合作用。

海底管道是一个连续的整体。对于海底单跨管道来说，它的中间悬空，两端跨肩则由海床土体支撑。当其中间的悬跨段管道受外界来流作用而发生横流向涡激振动时，其两端的跨肩管道也会因悬跨段管道的振动而发生振动。跨肩管道的振动对海床土体有挤压、冲击作用，进而改变海床土体的性质，海床土体性质的改变又会对海底管道的约束条件和固有频率产生影响，以至最终影响到单跨管道的横流向涡激振动。单跨管道横流向涡激振动涉及海底管道、外界流场特性和海床土体性质的多场耦合作用。跨肩海床土体与海底管道的耦合作用对单跨管道横流向涡激振动有着重要影响，但现有技术简化了管土之间的耦合作用，使得预报结果与实际情况相差较大。

发明内容

本发明的目的就是弥补现有技术的缺陷，并为此提供一种单跨管道横流向涡激振动的预报方法。该方法考虑了悬跨段外界流场与管道之间的流固耦合作用和跨肩处海床土体与振动管道之间的管土耦合作用，改进了现有单跨管道横流向涡激振动的分析方法，从而使预报结果与管道的实际状态更加相符，提高了单跨管道横流向涡激振动的预报精度和可靠性。

本发明的技术方案是：

一种单跨管道横流向涡激振动的预报方法，包括以下步骤：

(1)建立悬跨段管道结构与外界流场的流固耦合作用模型和跨肩处管道结构与海床土体的管土耦合作用模型：

a)悬跨段管道结构与外界流场的流固耦合作用模型：

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