Nghiên cứu, thí nghiệm mô hình thiết bị triệt tiêu dao động gây ra bởi dẫn xuất của dòng xoáy đối với đường ống biển

bài: 28/5/2018 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 13/7/2018 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2018 Tóm tắt Bài báo đưa ra ba loại mô hình thiết bị nhằm triệt tiêu dao động gây ra bởi dẫn xuất của dòng xoáy (vortex-induced vibration: VIV) đó là: Mô hình các sợi gây nhiễu loạn dòng chảy, một đường xoắn ốc và hai đường xoắn ốc đảo ngược. Phương án thiết kế, lắp đặt các mô hình thiết bị là riêng biệt. Sau đó được thí nghiệm, phân tích và so sánh dao động của từng mô hình. Kết quả cho thấy, cả ba dạng mô hình thiết bị đều có ảnh hưởng làm giảm biên độ cũng như tần số VIV gây ra. Từ khóa: Đường ống biển; dao động; thiết bị triệt tiêu; tấm xoắn ốc. Abstract The paper present three kinds of design model for vortex – induced vibration VIV suppression device which are the turbulence fiber suppression device, the single reverse coupling helical strakes suppression device and the double reverse coupling helical strakes suppression device. To investigate the vibration characteristics and the suppression effects of each modle, an experiment study is carried out. The result show that each model contributes to reduce the VIV response in some certain extent. Keywords: Marine risers; vortex – induced vibration VIV; suppression device; helical strakes. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, cùng với nguồn tài nguyên dầu mỏ ở thềm lục địa đã giảm dần, việc khai thác dầu mỏ đã dần dần chuyển dịch ra vùng biển, đặc biệt là vùng nước sâu. Ở đó trữ lượng dầu mỏ là không hề nhỏ. Hệ thống đường ống là thiết bị quan trọng để truyền tải lượng dầu khí từ đáy biển tới giàn giáo phía trên mặt biển. Khi dòng hải lưu chảy qua đường ống dẫn sẽ tạo thành các dòng xoáy nước phía sau, gây nên dao động cho đường ống. Khi tần số dòng xoáy nước sấp xỉ với tần số tự nhiên của đường ống thì sự dao động càng tăng, gây kích thích dòng xoáy. Mặc dù những dao động đó không trực tiếp làm hỏng đường ống nhưng do chu kỳ dòng xoáy ngắn, dao động tương đối lớn, làm ảnh hưởng tới độ bền mỏi và kết cấu của đường ống dễ bị phá hủy. Do đó, vấn đề triệt tiêu nguồn gây ra dao động đó đã được rất nhiều các học giả tham gia nghiên cứu [1-4]. Để triệt tiêu, phòng ngừa VIV gây lên, thông thường áp dụng hai phương pháp: thay đổi đặc tính kết cấu của đường ống, thay đổi dòng xoáy nước phía sau của ống. Hình 1 đưa ra một số thiết bị nhằm triệt tiêu dao động của đường ống. Alen [5] đưa ra mô hình thiết bị: Bọc thêm ống lót tại một số vị trí cục bộ trên đường ống, kết quả cho thấy, hiệu quả triệt tiêu dao động là tương đối tốt, lắp đặt đơn giản. Sau đó trên ống lót, tiếp tục cải tiến đó là lắp đặt thêm các bản xoắn quanh trụ. Wong [6], thông qua thí nghiệm, tiến hành so sánh giữa mô hình ống lót với mô hình bản xoắn quanh trụ cho thấy, mô hình bản xoắn quanh trụ có tác dụng tốt đối với việc giảm biên độ dao động, giảm lực kéo. Tương tự đối với bản xoắn quanh trụ, Korkischko [7] đã tiến hành nghiên cứu, dùng các ống trụ nhỏ quấn xung quanh trụ ban đầu, nhằm LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 53 khống chế sự chuyển động lớp biên của chất lỏng hai bên để triệt tiêu VIV gây nên. Kết quả cho thấy phương pháp có hiệu quả làm giảm phạm vi lưu trường phía sau dòng chảy qua ống trụ, triệt tiêu được dòng xoáy phát sinh phía sau khi dòng chảy qua trụ. Các bản xoắn ốc hiện nay đang được áp dụng rộng rãi, nhằm giảm bớt dao động do dẫn xuất của dòng xoáy. Trim [8] đã tiến hành phân tích, thí nghiệm đối với mô hình độ cao của bước xoắn và lớp bọc bên ngoài khác nhau. Guo Haiyan [9] cũng có những thí nghiệm tương tự, đối với các hình thức lớp bọc bên ngoài và phạm vi lớp bọc. Các kết quả thí nghiệm đều cho thấy tính năng ảnh hưởng đến việc triệt tiêu dao động của đường xoắn ốc chủ yếu là: độ cao tấm xoắn, bước xoắn, tần số lớp bọc và kết cấu của đường ống. Hình 1. Thiết bị triệt tiêu dao động của đường ống biển Mỗi loại mô hình thí nghiệm đều có ưu, khuyết điểm khác nhau. Do đó, để đạt được tính hiệu quả của mỗi thiết bị, bài báo đưa ra một số phương án thiết kế của thiết bị triệt tiêu dao động. Qua thí nghiệm, phân tích và so sánh hiệu quả của từng mô hình, chủ yếu đối với biên độ, tần số dao động và áp lực của đường ống. Từ đó xác định phương án thiết kế hiệu quả cao nhất. 2. LẮP ĐẶT MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM Sử dụng bốn loại mô hình thí nghiệm, từ trái qua phải lần lượt là: ống trụ trơn, một đường xoắn ốc, 2 đường xoắn ốc đảo ngược và các sợi gây nhiễu loạn. Vật liệu của trụ là thép ống có đường kính 10 cm, dài 1,5 m, dày 5 mm, các phiến lá xoắn ốc một đường và 2 đường đều được lắp trên ống trụ giống nhau. Mô hình được thực hiện trong bể thử có chiều dài 108 m, sâu 7 m, rộng 3,5 m, dung lượng nước 2450 t, tốc độ xe kéo là 0 m/s đến 6 m/s. Hình 3 thể hiện quy cách của phiến là xoắn ốc, trong đó D là đường kính trụ, L là chiều cao tấm xoắn, P là bước xoắn, P = 5,5D÷6D. Sợi gây nhiễu loạn, tùy theo độ dài của sợi có hai loại: Loại sợi dài là 7D÷9D, sợi ngắn là 1,5D, các sợi nhiễu loạn được làm bằng nhựa mềm để đảm bảo tính linh hoạt của nó. Phía trên của mô hình thiết bị được gắn với một thước đo và đồng hồ đo lực, dùng để đo lực kéo là lực nâng, được gắn cố định với khung xe kéo trong bể thử. Trong đó chiều rộng của thước đo được đặt song song với xe kéo, tức là cùng hướng với dòng chảy tới “In–line”, chiều dày song song với dòng chảy ngang “ Cross-flow”, hình 4 thể hiện mô hình lắp đặt hoàn chỉnh. Hình 2. Mô hình thí nghiệm Hình 3. Quy cách tấm xoắn ốc a) b) Hình 4. Thiết bị đo và mô hình ống sau khi lắp đặt a. Thiết bị đo; b. Mô hình ống sau khi lắp đặt 54 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 3. ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM Do các mô hình thí nghiệm là khác nhau nên khi tiến hành thí nghiệm được chia thành sáu loại, mỗi loại thí nghiệm có vận tốc dòng chảy từ 0,2 m/s đến 0,6 m/s, bước vận tốc là 0,1 m/s. Với mô hình hai đường xoắn ốc đảo ngược, tại vận tốc 0,6 m/s, do lực cản lớn, dẫn đến thiết bị đo bị biến dạng, do đó thí nghiệm không được tiếp tục, các số liệu của thí nghiệm này không được ghi lại. Dòng chảy đối xứng và không đối xứng được thể hiện trên hình 5. Hướng dòng chảy a) b) Hình 5. Sơ đồ dòng chảy đối xứng và dòng chảy không đối xứng. a. Dòng đối xứng (symmetric flow); b. Dòng không đối xứng (asymmetric flow) 4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU Trong quá trình xử lý số liệu, áp dụng phương pháp nhận dạng hệ thống để phân tích [10]. Đầu tiên lấy tín hiệu gia tốc a của chu kỳ dao động, sau đó khai triển đến hình thức bậc 5 của chuỗi Fourier transform, tức là: (1) trong đó: a0, a11, a12, a21, a22, a31, a32, a41, a42, a51, a52 và ω là các hệ số tương quan; t là thời gian. Trong quá trình phân tích, tính toán, phương pháp nhị phương sai nhỏ nhất được áp dụng trong phương pháp nhận dạng hệ thống, nó được định nghĩa như sau: Gọi M là giá trị được cho bởi công thức: (2) trong đó: a(t), ac(t) lần lượt là số liệu gia tốc đo được bằng thực nghiệm và gia tốc ở chuỗi Fourier transform. Trong khoảng thời gian Δt, làm cho giá trị M là nhỏ nhất thì các giá trị a0, a11, a12, a21, a22, a31, a32, a41, a42, a51, a52 là các kết quả cần tìm. Qua tính toán tích phân của gia tốc, đạt được trị số chuyển vị dao động theo phương ngang Ay, thông qua giá trị trên đồng hồ đo có thể thấy được chu kỳ biến đổi của lực nâng dao động F và trị số biên độ lớn nhất, và hệ số lực nâng dao động được xác định qua công thức: (3) trong đó: CL' là hệ số lực nâng dao động; L' là lực nâng dao động; ρ là mật độ dòng chảy; V là vận tốc dòng chảy; S là diện tích mặt ướt. 5. PHÂN TÍCH VIV CỦA CÁC MÔ HÌNH 5.1. Xác định tần số ban đầu Trong thí nghiệm này, trước tiên cần căn cứ vào đường cong suy giảm gia tốc dao động tự do tiến hành đo đạc tần số ban đầu của từng mô hình (bảng 1). Số liệu của mỗi loại mô hình đều được tiến hành thí nghiệm nhiều lần và các trị số trung bình hoặc trị số ổn định được lấy làm kết quả cuối cùng. Bảng 1. Tần số dao động ban đầu của từng mô hình TT Tên gọi Tần số ban đầu (fn/Hz) Tần số góc ban đầu (ωn/rad.s -1) 1 Ống trụ trơn 0,2467 1,5502 2 Dòng chảy đối xứng một đường xoắn ốc 0,2472 1,5532 3 Dòng chảy đối xứng hai đường xoắn ốc đảo ngược 0,2319 1,4572 4 Dòng chảy không đối xứng hai đường xoắn ốc đảo ngược 0,2377 1,4688 5 Sợi dài nhiễu loạn dòng chảy 0,2534 1,5921 6 Sợi ngắn nhiễu loạn dòng chảy 0,2559 1,607 5.2. Phân tích đặc trưng dao động Đối với tốc độ dòng chảy là vô hướng, có vận tốc vô hướng Ur được xác định như sau: (4) trong đó: U là vận tốc dòng chảy; D là đường kính ống mô hình; fn là tần số dao động ban đầu trong nước tĩnh. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 55 Đặc tính của VIV chủ yếu bao gồm biên độ và tần số, để so sánh hiệu quả của từng mô hình, tiến hành phân biệt biên độ và tần số dao động trong phạm vi vận tốc dòng chảy. Hình 6 và hình 7 cho thấy đồ thị thay đổi biên độ (D là bội số) và tần số dao động theo vận tốc vô hướng của từng mô hình. Kết quả phân tích đối với cùng vận tốc dòng chảy cho thấy sau khi lắp thêm một đường xoắn ốc thì tần số dao động của trụ có ảnh hưởng ít, nhưng biên độ dao động lại có ảnh hưởng lớn. Nguyên nhân có thể là do thiết kế các tham số của tấm xoắn ốc như bước xoắn, chiều dài và tiết diện xoắn. Khi vận tốc dòng chảy là 0,2 m/s thì biên độ của mô hình trụ trơn là 2,22D, nhưng biên độ của mô hình một đường xoắn ốc là 0,415D. T ra n sv e rs e a m p lit u d e A y Reduced volecity Ur c. Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) T ra n sv e rs e a m p lit u d e A y Reduced volecity Ur a. Trụ trơn b. Một đường xoắn ốc Reduced volecity Ur T ra n sv e rs e a m p lit u d e A y T ra ns ve rs e am pl itu de A y Reduced volecity Ur d. Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) T ra n sv e rs e a m p lit u d e A y Reduced volecity Ur e. Sợi dài T ra n sv e rs e a m p lit u d e A y Reduced volecity Ur g. Sợi ngắn Hình 6. Đồ thị biên độ dao động ngang và vận tốc vô hướng 56 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 V ib ra tio n fre qu en cy f/ H z Reduced volecity Ur a. Trụ trơn b. Một đường xoắn ốc Reduced volecity Ur V ib ra tio n fre qu en cy f/ H z d. Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) Reduced volecity Ur V ib ra tio n fre qu en cy f/ H z V ib ra tio n fre qu en cy f/ H z Reduced volecity Ur c. Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) Reduced volecity Ur e. Sợi dài V ib ra tio n fre qu en cy f/ H z Reduced volecity Ur g. Sợi ngắn V ib ra tio n fre qu en cy f/ H z Hình 7. Quy luật biến đổi tần số dao động theo vận tốc vô hướng Đối với mô hình hai đường xoắn ốc đảo ngược, bất luận là dòng chảy đối xứng hay không đối xứng thì tần số dao động ban đầu bị thay đổi không còn quy tắc, nguyên nhân là do dòng chảy bao quanh trụ đã bị phá vỡ bởi hai đường xoắn ốc bao quanh, làm thay đổi dòng xoáy nước chảy phía sau ống. Khi phân tích biên độ cho thấy, đối với dòng chảy không đối xứng, tại vận tốc dòng chảy 0,2 m/s thì xuất hiện biên độ max là 2,036D, đối với dòng chảy đối xứng, biên độ max chỉ có 0,124D, nó xuất hiện cả khi tốc độ dòng chảy là 0,5 m/s. Từ đó cho thấy hướng của dòng chảy có ảnh hưởng lớn đối với hiệu quả của mô hình hai đường xoắn ốc đảo ngược. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 57 Đối với mô hình sợi nhiễu loạn dòng chảy, chúng đều có ảnh hưởng nhất định tới tần số và biên độ dao động, tại một số giá trị của vận tốc vô hướng, tần số dao động xuất hiện là các thành phần tần số thấp. Nhưng độ dài, ngắn của sợi nhiễu loạn dòng chảy có ảnh hưởng rất ít tới tần số, biên độ dao động lớn nhất của hai loại mô hình này đều xuất hiện tại tốc độ dòng chảy là 0,2 m/s, trong đó biên độ max của sợi dài là 0,82D, sợi ngắn là 1,784D. Từ đó cho thấy sợi dài có hiệu quả tốt hơn. 6. PHÂN TÍCH, SO SÁNH KẾT QUẢ Tại vận tốc dòng chảy 0,2 m/s, hình 8 cho thấy đồ thị chuyển vị VIV của mỗi loại mô hình. Biên độ dao động lần lượt là: trụ trơn > hai đường xoắn ốc đảo ngược (dòng chảy không đối xứng) > một đường xoắn ốc > hai đường xoắn ốc đảo ngược (dòng chảy đối xứng). Hình 9 cho thấy trị số biên độ dao động max của từng mô hình theo các trị số khác nhau của vận tốc. Trụ trơn Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) Sợi ngắn nhiễu loạn Sợi dài nhiễu loạn Một đường xoắn ốc Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) D is pl ac em en t/m time/s Hình 8. Đồ thị chuyển vị dao động của mỗi loại mô hình tại vận tốc dòng chảy 0,2 m/s Trụ trơn Một đường xoắn ốc Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) Sợi ngắn nhiễu loạn Sợi dài nhiễu loạn M ax im um a m pl itu de of v ib ra tio n/ m speed/m.s-1 Hình 9. Đồ thị biên độ dao động lớn nhất theo vận tốc dòng chảy So sánh biên độ của mỗi loại mô hình tại các giá trị của vận tốc cho thấy: Khi lắp đặt thêm các thiết bị triệt tiêu dao động đã triệt tiêu biên độ dao động của đường ống. Nhưng với mô hình hai đường xoắn ốc đảo ngược (dòng chảy đối xứng) thì hiệu quả cao nhất, biên độ dao động max đã giảm xuống nhỏ nhất, tiếp theo là một đường xoắn ốc. Kết cấu của hai đường xoắn ốc đảo ngược trong dòng chảy đối xứng và không đối xứng là như nhau, chỉ khác nhau ở chỗ hướng của dòng chảy đến là khác nhau, do đó hiệu quả triệt tiêu dao động là khác nhau. Hình 10 cho thấy hệ số lực nâng của từng mô hình tại các giá trị khác nhau của vận tốc dòng chảy. Li ft co effi ci en t Trụ trơn Một đường xoắn ốc Hai đường xoắn ốc (asymmetric flow) Hai đường xoắn ốc (symmetric flow) Sợi ngắn nhiễu loạn Sợi dài nhiễu loạn Hình 10. Đồ thị hệ số lực nâng tại các giá trị khác nhau của vận tốc dòng chảy Khi hệ số lực nâng dao động giảm thì độ bền mỏi của đường ống sẽ ít bị ảnh hưởng, tuổi thọ của kết cấu tăng. Mỗi loại mô hình có hệ số lực nâng là khác nhau, trong đó mô hình hai đường xoắn ốc đảo ngược (dòng chảy đối xứng) có hệ số lực nâng dao động là min, tức hiệu quả triệt tiêu dao động là tốt nhất, sau đó đến mô hình một đường xoắn ốc, các sợi dài, sợi ngắn gây nhiễu loạn, cuối cùng là hai đường xoắn ốc đảo ngược (đối với dòng chảy không đối xứng). 7. KẾT LUẬN VIV là một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn đến độ bền mỏi, làm giảm tuổi thọ và kết cấu của đường ống. Việc lắp đặt thêm các thiết bị triệt tiêu dao động đã cho thấy được tính hiệu quả triệt tiêu dao động khác nhau. Khi kết cấu của thiết bị là đồng nhất, nhưng khi dòng hải dương thay đổi thì hiệu quả triệt tiêu dao động cũng thay đổi. Từ đó khi thiết kế phương án lắp đặt các mô hình thiết bị, để phát huy hiệu quả cao của từng mô hình thì việc nghiên cứu dòng hải dương cũng rất quan trọng, qua kết quả nghiên cứu, thí nghiệm, có kết luận như sau: 58 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(63).2018 1. Khi lắp đặt thêm các thiết bị triệt tiêu dao động, do dẫn xuất của dòng xoáy đã giúp làm giảm biên độ dao động của đường ống, so sánh giữa các mô hình cho thấy biên độ dao động lớn nhất giảm được trên 95%. 2. Sau khi lắp đặt thêm hai đường xoắn ốc đảo ngược (đối với dòng chảy đối xứng), hiệu quả triệt tiêu dao động là tốt nhất. Khi vận tốc dòng chảy thấp, hiệu quả triệt tiêu dao động càng rõ, biên độ dao động giảm khoảng 95,4%, sau đó là một đường xoắn ốc, biên độ dao động giảm 89,4%. Còn các sợi ngắn nhiễu loạn và hai đường xoắn ốc đảo ngược (đối với dòng chảy không đối xứng) thì hiệu quả không cao, biên độ dao động giảm lần lượt là 63,04% và 8,21%. 3. Kết cấu của hai đường xoắn ốc đảo ngược đối với dòng chảy đối xứng và không đối xứng là giống nhau, khác nhau là do hướng của dòng chảy. Từ đó, khi áp dụng, để phát huy được hiệu quả tốt nhất của thiết bị cần nghiên cứu tỉ mỉ hướng của dòng hải dương. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Zdravkovich MM (1981). Review and classification of Various Aerodynamic and Hydrodynamic Means for Suppressing Vortex Shedding [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7:145-189. [2]. Lee L, Allen D W, Henning D L, et al. (2004). Damping Characteristic of Fairings for Suppressing Vortex-induced Vibrations [C]. OMAE Conference Proceedings, Vancouver. [3]. Lee L, Allen D W. (2005). The Dynamic Stability of Short Fairings [C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA. [4]. Shao Chuanping, Wei Qingding (2006). Control of [J] cylinder with higher Re numbers. Journal of mechanics, 38(2): 164-172. [5]. Allen D W, Henning D L (2004). Partial Shroud with Perforating for VIV Suppression, and Method of Using: United States Patent: US 6 685 394 B1[P]. 2004-02-03. [6]. Wong H. Y., Kokkalis A. (1982). A Comparative Study of Three Aerodynamic Devices for Suppressing Vortex-induced Oscillation [J]. J Wind Eng Indust Aerodyn, 1982(10): 21-29. [7]. Korkischko I, Meneghini J.R. (2012). Suppression of Vortex Induced Vibration using Moving Surface Boundary-layer Control [J]. Journal of Fluids and Structures, 2012, 34: 259-270. [8]. Trim A D, Braaten H, Lie H, et al. (2005). Experimental Investigation of Vortex-induced Vibration of Long Marine Risers [J]. Journal of Fluids and Structures, 2005, 21: 335-361. [9]. Guo Haiyan, Li Xianghuan, Zhang Yongbo, et al. (2012). Experimental study on optimal placement of marine risers for vibration suppression [J]. Journal of Ocean University of China: Natural Science Edition, 2012, 42(6): 126-132. [10]. Kang Z., William C. Webster. (2009). An Application of System Identification in the Two- degree-freedom VIV Experiments [J]. Journal of Marine Science and Application, 2009(8): 99-104.