基于光纤光栅传感器的细长柔性立管涡激振动响应实验＊

唐国强吕 林,2滕 斌谢 彬张建侨宋吉宁吴 浩

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室; 2.大连理工大学深海工程研究中心; 3.中海油研究总院; 4.中国水产科学研究院渔业工程研究所)

基于光纤光栅传感器的细长柔性立管涡激振动响应实验＊

唐国强1吕 林1,2滕 斌1谢 彬3张建侨4宋吉宁1吴 浩1

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室; 2.大连理工大学深海工程研究中心; 3.中海油研究总院; 4.中国水产科学研究院渔业工程研究所)

涡激振动是导致深海柔性立管发生疲劳破坏的重要因素。利用光纤光栅传感器进行了细长柔性立管涡激振动响应实验,并结合部分实验结果对应变信号的时间变化、应变频谱、位移时间历程及位移均方根的空间分布进行了分析,得出了细长柔性立管模型在均匀流作用下的一些重要涡激振动响应特性,可为今后进一步的研究工作提供参考。

光纤光栅传感器 细长柔性立管 涡激振动响应 实验分析

水深增加,钻采立管等设备在海洋水动力环境作用下的动力响应会更复杂,特别是涡激振动问题对深海细长柔性立管的结构安全会造成巨大的威胁。立管结构一旦在涡激振动作用下发生疲劳破坏,将直接导致钻采作业停产并在短期内难以得到恢复。因此,深入认识细长柔性圆柱结构的涡激振动动力特性,对开发和利用深海油气资源具有重要的现实意义。

目前,在进行细长柔性立管涡激振动实验时常选取加速度传感器或者应变传感器作为基本的测量仪器,但这些仪器可能会对结构的动力特性产生明显的影响,或者会对外部流场产生明显的扰动作用。而光纤光栅传感器体积微小,直径仅有0.3mm,无论对外部流场还是对结构本身都不会产生明显的影响作用。光纤光栅传感器采用光纤焊接方式将多个传感器串联在一起,只需要在立管模型的端部引出少量光纤连接线即可实现对光信号的传输。此外,光纤光栅传感器通过检测入射光波波长的变化来反映被检测结构的应变,输入输出的信号不会受到外界电磁信号的干扰,因此光纤光栅传感器非常适合于开展细长柔性结构的水下涡激振动实验。

虽然光纤光栅传感器具有许多优点,并在很多工程领域得到了广泛应用[1-2],但在海洋工程方面的应用相对较少。Jaap J.de Wilde[3]在MARIN实验室的浅水拖曳水池中应用光纤光栅传感器测量了长细比为787.5的立管模型的涡激振动动力响应,并取得了良好的实验结果,但相对于实际的深海工程而言,该模型实验采用的立管长细比还是偏小。Swithenbank[4]利用光纤光栅传感器进行了长度为152.524m的现场立管的涡激振动实验,由于实验中未对光纤光栅传感器采取任何封装措施,导致实验过程中部分传感器损坏,未能获得预期的实验效果;同时由于野外实验现场环境影响因素复杂,水流速度难以准确确定,因此该实验的结果也难以应用到涡激振动经验模型和CFD模型的校验中。

本研究应用光纤光栅传感器开展了长细比为1 750的柔性立管涡激振动实验。实验中,通过拖车拖拉立管模型在水池中匀速前进来模拟实际均匀流作用下的立管涡激振动问题;采用光纤光栅传感器同步测量横流向(CF)和顺流向(IL)下立管模型的应变;通过对应变信号进行频谱分析和模态分解,获得细长柔性立管模型在均匀流动条件下的涡激振动响应特性。

1 实验设置

1.1 实验水池及拖车系统

实验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室多功能综合水池中进行。水池宽34m、长55m,实验水深为0.7m。水池上部建有拖车系统,通过变频电机驱动可使拖车在轨道上匀速运动。拖车的运动速度通过变频器来控制,实验中拖车运动速度控制在0.15～0.60m/s,速度变化间隔为0.015m/s。实验立管模型通过固定装置安装在拖车上并淹没于水下0.4m随拖车一起运动,通过形成相对水流来模拟均匀来流对柔性立管的作用。图1与图2分别给出了实验设施示意图及实验现场图片。

1.2 立管模型参数

立管模型采用一根细长钢管,长度为28.04m,外径为0.016m,内径为0.015m,弹性模量为210 GPa,与排开水体的质量比为1.0。立管模型的一端采取铰接方式直接与拖车系统相连,另一端通过万向铰与一个可以在立管模型轴向进行水平自由滑动的滑块相连;滑块通过钢丝绳经过定滑轮与弹簧连接,弹簧上部设有张力计,可以在实验过程中对立管模型轴向的张力变化信号进行实时采集。张力采集系统的采样频率为100Hz。在本实验中,立管端部的预张力为800N。

2 传感器布置及信号采集器设置

2.1 光纤光栅应变传感器原理

光纤光栅传感技术是通过对光纤内部写入的光栅反射或透射波长光谱进行检测,进而实现对被检测结构应变的测量[5]。通常把周期小于1μm的光纤光栅称为光纤布拉格光栅,光纤布拉格光栅允许特定波长的光波发生光反射,其所反射的中心波长可表示为[2]

式(1)中:λb为布拉格波长;n为光纤有效折射率;Λ为光栅周期。

当宽带光源从光纤光栅传感器的一端入射后,只有波长满足公式(1)的光波才会发生反射,因此可以说光纤光栅传感器是一种对波长进行选择的传感器。

当光纤发生大小为ξ的应变时,光栅周期从Λ变为Λ′,即

根据光弹性理论,可以导出布拉格波长的变化Δ λ满足下面的关系式:

式(3)中:p表示有效光弹系数,为已知的光纤材料系数。

在实际应用中,光纤的有效折射率会同时受到应变和温度的影响。考虑到本室内实验在短时间内水温变化非常有限,可忽略温度变化的影响。

2.2 传感器布置

实验中,在立管模型上沿轴向等间距布置了14个测点,各测点位置(z/L)如图3所示。每个测点由4个光纤光栅传感器构成,其布置方式如图4所示,因此立管模型表面共布置了56个光纤光栅传感器。在立管涡激振动实验中,由于在立管端部施加了预张力,并且实验水流的作用会引起脉动张力,预张力和脉动张力的存在势必会引起光纤光栅传感器波长发生变化,但这部分应变并不是由涡激振动引起的,因此在数据处理中必须将其除掉。假设在实验过程中某传感器由张力引起的波长变化为 a,由涡激振动引起的波长变化为b,则其对称点传感器由涡激振动引起的波长变化为-b。此时,2个对称布置的传感器总的波长变化分别为 a+b和a-b,将这2个对称布置的传感器的测量应变值相减并除以2,即可消除由张力引起的应变变化,从而可以准确地测量出CF和 IL方向的涡激振动应变变化。因此,在本实验中采取了如图4所示的沿立管模型圆周每隔90°布置一个传感器的方式,并保证CF和IL方向各有2个传感器。

光纤光栅传感器可以承受拉力和压力的作用,但难以承受剪力的作用。如果传感器未采用任何封装处理措施,在实验过程中就极易被损坏。在本实验中,对光纤光栅传感器采用了大连理工大学抗震研究所的封装技术。封装后传感器如图5所示。采用该封装技术可以有效避免传感器在实验过程中被损坏,并且实验完成后传感器可被回收再利用。

图5 封装传感器示意图

对经由同一条光纤输出的传感器信号,光纤光栅传感器信号采集仪是按照信号波长从小到大(或者从大到小)的顺序进行排列并输出应变数据,而不是按照传感器在光纤上排列的相对位置进行信号排列和输出。因此,为避免同一条光纤上不同传感器信号在输出时发生混淆,在单条光纤上的光纤光栅传感器之间需要设置不同的初始中心波长,且留有一定的波长变化富余宽度。实验分析认为,设置1.5～2.0nm的波长富余宽度足以避免传感器信号发生混淆。

2.3 信号采集器设置

本实验采用SM130光纤光栅信号采集器进行实验数据采集,采样频率为250Hz。根据奈奎斯特采样定律,可以还原最高频率为125Hz的振动信号。由于在本实验所涉及的工况下最高涡脱落频率还不到40Hz,因此SM130光纤光栅信号采集器完全可满足本实验信号采集要求。

3 实验结果及分析

3.1 应变及频谱分析结果

实验中实时测量了CF方向及 IL方向的应变信号。通过对应变信号进行模态分解,获得了立管模型在以上2个方向上的位移。图6和图7分别给出了拖车速度为 0.315m/s时立管模型 z/L= 0.267测点在CF方向和IL方向的实测应变时间变化信号及应变频谱分析结果,图中μ ε为微应变单位,S表示微应变幅值。

从图6和图7可以看出,应用光纤光栅传感器可以很好地识别出立管振动的多模态特征。从应变的时间历程线可以看出,在 z/L=0.267测点,CF方向和IL方向的振动均为多模态参与的振动,但二者的振动特性有很大的差别:CF方向的应变测量信号虽然存在一定的次峰,但幅值很小;而IL方向的应变变化则出现了不同峰值相互交替的情况。从应变频谱分析结果可以看出,该测点CF方向存在一个主导频率,其幅值明显高于另外一个振动频率,因此在应变的时间历程线中表现为比较规则的正弦曲线的形式;而该测点IL方向也存在2个主要的振动频率,但它们的幅值差异不大,因此实测应变信号没有表现出与CF方向同样规则的曲线。光纤光栅传感器实测信号表明,该测点CF方向的应变要明显高于IL方向的应变,而IL方向的主导频率则明显高于CF方向的主导频率,为CF方向主导频率的2倍。这些认识都与以往的研究成果一致,说明光纤光栅测量技术在细长柔性结构的涡激振动实验中具有良好的工作性能。

为进一步说明细长柔性结构发生涡激振动过程中的振动频率特征,图8和图9给出了拖车速度为0.315m/s时立管模型上所有测点在CF方向及IL方向应变信号的频谱分析结果,可以看出,每个测点的频率成分(频率成分指通过快速傅立叶变换得到的频率)基本相同,但由于测点位置不同,各频率成分所对应的应变幅值是不一样的,即各频率成分对应变在空间上的分布贡献是有差别的,这说明应用光纤光栅传感器可以很好地识别出参与到细长柔性结构发生涡激振动的不同频率成分。

进一步对图8进行分析可以看出,CF方向振动信号出现了频率相互竞争的现象,即CF方向的主导频率在2个频率之间发生跳动。而从图9可以看出,IL方向的主导频率始终保持着同一个频率。实际上,模态的相互竞争是涡激振动的一个特有的物理现象,其原因之一是振动过程中附加质量系数[6]发生了改变,从而引起了立管振动频率随时间发生变化。

3.2 位移结果

通过对CF方向和IL方向应变信号进行模态分解[7-9],可以得到立管模型各测点的位移。图10和图11以拖车速度0.315m/s为例,分别给出了立管模型z/L=0.533测点在CF方向和IL方向上的位移时间历程及相应的频谱分析结果,图中 y/D和x/D分别表示该测点在CF方向和IL方向的无因次位移;Ay/D及Ax/D分别为该测点在CF方向及IL方向的无因次振幅,D为立管模型的直径。

从图10和图11的位移频谱分析结果可以看出,在z/L=0.533测点上,CF方向及IL方向的振动基本为单模态占主导地位的振动,因此,这2个方向的位移时间过程线呈现出规律的简谐振动的形式;同时,该测点CF方向的位移比IL方向的位移大很多,而 IL方向和CF方向的振动频率分别为7.446Hz和3.784Hz,前者约为后者的2倍,表明本实验光纤光栅传感器得到的测量结果是可靠的。

立管模型位移均方根的空间分布可以从整体上反映立管在某一流速下的振动波形,并且可以用它来判断涡激振动的参与模态情况[8]。以CF方向为例,位移均方根 yRMS(zi)的计算公式如下

式(4)中:zi为测点布置的位置;T为采样时间长度; t为立管振动位移的时间。

图12和图13以拖车速度0.315m/s为例,分别给出了CF方向和 IL方向立管模型位移均方根的空间分布,图中纵坐标均通过立管模型的直径进行了无因次化处理,而横坐标均通过立管模型的长度进行了无因次化处理。

从图12和图13可以看出,用本实验中的光纤光栅传感器及布置方式可以较好地测量出细长柔性立管模型涡激振动的模态信息。比较图12与图13可以看出,CF方向的振动为4模态占主导地位,而IL方向的振动为8模态占主导地位;同时,这2个方向的位移均方根的空间分布具有一定的不对称性。如果实验中立管模型是严格意义上的单模态振动,则位移均方根的空间分布将是对称的,并且不会存在相位差。参照图8的频谱分析结果可以看出,除主导模态以外,还有其它的模态参与了振动,虽然这些模态的量级较小,但对立管模型的位移响应仍具有一定的贡献。正是这些主导模态与非主导模态的共同作用,才导致了图12和图13中位移均方根空间分布的不对称性和存在相位差。

4 结论

本文将光纤光栅测试技术引入到了细长柔性立管涡激振动的室内水平拖拉实验,充分利用了光纤光栅传感器体积小、对流场扰动小、不受电磁信号干扰等优点。实验结果表明,光纤光栅传感器在细长柔性立管涡激振动实验中表现出良好的应变测试性能。文中结合部分实验结果,对应变信号的时间变化、应变频谱、位移时间历程线以及位移均方根的空间分布进行了分析,得到了一些基本的细长柔性立管涡激振动响应特性,可为今后进一步的研究工作提供参考。

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[5] 陈涛,张嵩.用于桥梁健康监测的光纤光栅解调系统[J].武汉理工大学学报,2009,31(15):41-44.

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[7] 张建桥,宋吉宁,吕林,等.柔性立管涡激振动实验的数据分析[J].中国海洋平台,2009,24(4):26-32.

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(编辑:张金棣)

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

＊国家高技术研究发展计划(863计划)经费资助项目“3000米水深半潜式钻井平台关键技术研究”(2006AA09A103),国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金资助项目(50921001),海岸和近海工程国家重点实验室开放基金资助项目(LP0904)部分研究成果。

唐国强,男,大连理工大学博士研究生,主要从事立管涡激振动研究工作。地址:大连市甘井子区凌工路2号(邮编: 116024)。E-mail:TangGQ@mail.dlut.edu.cn。