CN100582550C - 海底管道涡激振动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种海底管道涡激振动抑制方法，包括下列步骤：(1)根据所要保护的海底管道的内外径尺寸，制作多对大小、弯曲弧度相同的舌状导流片，每片导流片从底边到顶端渐细，底边开有方波状切口，外壁上固定有Z字型激流丝；每一对导流片底边的方波状切口相配合；(2)在海底管道上按照海底管道外径1.5-2.5倍的间距装配和固定导流罩，每个导流罩由两对导流片经过拼接和焊接，形成为中部凸起两顶端连接的对称壳体，将海底管道包覆在中部的部位。本发明提供的海底管道涡激振动抑制方法，使得在涡激振动得以有效控制的前提下，施工工艺的复杂程度适中且施工成本维持在一定可接受范围内，实现工艺复杂度、造价及涡激振动抑制效果等因素之间的优化。

Description

海底管道涡激振动抑制方法

所属技术领域

本发明属于海底管道设施铺设技术领域，具体涉及能够有效抑制海底管道涡激振动的方法。

背景技术

海底管道铺设于崎岖的海床上，由于海床轮廓的不均匀性以及海床底流、潮汐等因素的共同作用，在管道铺设路径上的某些区域，管道暴露在外形成悬空段。在环境载荷的长期作用下，悬空段极容易遭到破坏而失效。在各种失效形式中，以涡激振动的出现概率最高且危害性最大。涡激振动指旋涡的周期脱落引起作用在物体上的横向及流向交变外力，造成物体振动。学术界一致认为横向振动比流向振动大得多，旋涡发放是导致涡激振动的根本原因，以下首先简述管道悬空段旋涡发放机理。

海底管道剖面通常采用圆形截面形式，当海流以一定的速率流经悬空段时，由于海水具有粘性，则在悬空段表面形成边界层。边界层内存在的摩擦切应力使得流体动能大幅度下降，极易在悬空段背向流动的一侧出现流体速率为0的情况，该处的流体停滞不前。与此同时，顺流方向不远处的压力大于悬空段表面附近流速为0处的压力，这样附近的流体在压力梯度的作用下流向悬空段，出现边界层离体，形成逆流区域，进而出现旋涡发放。

根据经典流体力学理论，若物体的截面形状为流线型，则粘性流体流经物体表面时不会出现边界层的离体现象，显著地降低了旋涡发放出现的可能性。基于这种原理，近似流线型截面管道应运而生，这其中以椭圆形截面最具代表性。但是，管道加工时难度较大且初期投资及维护费用较高。

此外，旋涡发放除了与前述物体的截面形状有关，还受到边界层流动状态的影响。当边界层内的流动状态为层流时，速度的脉动性较小，因而流体动能也较小不足以抵抗负压力梯度的作用，容易出现边界层离体，产生旋涡；当边界层内的流动状态为湍流时，速度分布较层流时丰满且具有较大的脉动性，因而流体动能较大足以抵抗负压力梯度的作用，使边界层离体点朝顺流方向推移，减小了旋涡发放区，进而有效减小旋涡发放诱导的交变应力幅值。因而，应当考虑当雷诺数处在层流雷诺数范围时，如何能够给流体施加一定的扰动，使得流动状态提前进入湍流状态，从而达到有效缓解涡激振动不利影响的目的。国外有研究表明管道表面附设多孔层可有效抑制高雷诺数流体的涡激振动。该方法对多孔层材料的抗腐蚀性能要求很高，尚处于实验室应用阶段。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种能够有效抑制涡激振动的方法，使得在涡激振动得以有效控制的前提下，使得在施工工艺的复杂程度适中且施工成本维持在一定可接受范围内，实现工艺复杂度、造价及涡激振动抑制效果等因素之间的优化。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种海底管道涡激振动方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)根据所要保护的海底管道的内外径尺寸，制作多对大小、弯曲弧度相同的舌状导流片，每片导流片从底边到顶端渐细，底边开有方波状切口，外壁上固定有Z字型激流丝；每一对导流片底边的方波状切口相配合。

(2)在海底管道上按照海底管道外径1.5-2.5倍的间距装配和固定导流罩，每个导流罩由两对导流片经过拼接和焊接，形成中部凸起两顶端连接的对称壳体，将海底管道包覆在中部的部位。

根据权利要求1所述的海底管道涡激振动方法，其特征在于，其中的第(2)步在装配和固定每个导流罩时，按照下列步骤执行：

a)将第一片导流片按照底边与海底管道相切的位置贴在管道一侧，在底边方波状切口的凹口处将其与管道表面焊接；

b)取用与所述的第一片导流片底边相配合的第二片导流片，按照凹口位置与已经就位的第一片导流片进行对接，并将其在其底边方波状切口的凹口处与管道表面进行焊接；

c)将第一和第二导流片在对接的切口处进行点焊连接；

d)将第三片导流片按照底边与海底管道相切的位置贴在管道的另一侧，按照上述步骤a)至c)，将另外两片导流片焊接在管道的另一侧与所述的第一和第二片导流片相对称的部位；

e)将由两对导流片对接后构成的导流罩的两个顶端分别点焊连接。

作为优选实施方式，上述的海底管道涡激振动方法，步骤(1)中制作的每片导流片，内壁均制作至少一条纵向加强筋，每条加强筋靠近顶端部分较粗，靠近底边部分较细；每个导流罩的宽度取0.5-1倍管道的外径，其长度取1.5-2.5倍管道的外径。

本发明利用在海底管道上每隔一定间距装配和固定流线型导流罩的方法，抑制海底管道涡激振动。此种流线型导流罩方式，相比于传统的圆形截面形式，具有如下优点：(1)采用流线型设计，将导流罩与管道表面进行点焊连接，在设置导流罩的位置，管道表面被导流罩包裹起来，这种组合结构的截面形式为近似流线型，这种结构可有效延缓旋涡发放，使得旋涡脱落的位置远离管道主体，减小涡激振动引起的疲劳、断裂等失效形式对悬空段的不利影响。在未设置导流罩的悬空段处，极有可能出现涡激振动，但是作用于悬空段上的总交变力小于未加任何保护措施的同等悬空长度管道所承受的交变力。(2)本发明在导流罩表面增设Z字型布置的激流丝以增强对涡激振动的抑制效果。当雷诺数处在层流雷诺数范围时，给流体施加一定的扰动，使得流动状态提前进入湍流状态。(3)增设了导流罩之后，管道导流罩组合结构的固有频率发生变化，使得该结构的临界跨长(旋涡发放频率等于结构固有频率时的悬空段长度)大于未施加导流罩结构时管道的临界悬空段长度，这意味着组合结构发生共振的可能性下降了。

附图说明

图1为一个导流罩被装配和固定在管道上后的立体图；

图2为一片导流片的内壁结构示意图；

图3与图1所示的导流片的底端相配合的导流片的内壁结构示意图；

图4为图2所示的导流片的外壁结构示意图；

图5为图2和图3所示的两片导流片连接后的结构示意图；

图6为导流片在加强筋处的剖面图；

图7为管道及导流罩组合结构的剖面图；

图8为管道及导流罩组合结构的俯视图。

图中标号说明：

1管道；2导流罩；3加强筋；4开有方波状切口的底边；5顶端；6激流丝；

7导流片

具体实施方式

本发明利用在海底管道上每隔一定间距装配和固定流线型导流罩的方法，抑制海底管道涡激振动。下面首先结合附图和实施例对本发明所采用的导流罩做进一步详述。

一个导流罩被装配和固定在管道上后的立体图如图1所示，本发明的导流罩，是由四片大小、弯曲弧度相同的舌状导流片7拼接而成的中部凸起两顶端5连接的对称壳体。安装后，中部凸起部分的内壁以对接后的导流片7的底边4为切线与管道1相切，焊接在管道1上。4片导流片7顶端5相接的部位也焊接在一起。每片导流片7由钢板或其他耐腐蚀、并具有一定强度的板材经过裁切和弯曲加工而成。

每片导流片7形状呈弯曲的舌状，类似于从圆柱面上切割下来的等腰三角形，其底边4与圆柱面的对称轴平行，从底边4到顶端5渐细，底边4开有方波状切口。图2和图3是从导流片7的凹面一侧看上去的内壁结构示意图。内壁上焊接有加强筋3以增加导流罩2的刚度，防止其在深水高压作用下发生变形影响导流效果。加强筋3采用变尺寸外型设计如图6所示，在靠近导流片7底边4一端尺寸较小，靠近导流片7顶端5部分其尺寸逐渐增大。在导流片7的外壁上还焊接有Z字型激流丝6，如图4所示。

图5是图2和图3所示的两片导流片7对接后的结构示意图，两片导流片7在底边4的方波状切口处呈插指状连接。两对导流片7分别对接后再扣在一起，就能够拼接成如图1所示的中部凸起两顶端5连接的扁形对称壳体。导流罩2安装在海底管道1上之后的剖面图和俯视图如图7和8所示。

4片导流片7之间以及与管道1之间的连接方法如下：首先将如图2所示的一片导流片7按照底边4与管道1相切的位置贴在管道1一侧，在底边4方波状切口的凹口处将其与管道1表面焊接，然后将图3所示的导流片7按照凹口位置与已经就位的导流片7进行对接并将其在凹口处与管道1表面进行焊接，接着，两导流片7在切口处进行点焊连接。另两片导流片7置于管道1下方，其位置与前两片导流片7上下对称，并以相同的方式焊接。最后，将上下导流片7在顶端5相接的部位采用点焊连接。这样交错的焊接方式可使得管道1纵中剖面两侧分别出现两对尺寸相同的小焊逢，可以在一定程度上平衡由于焊接残余应力导致的管道1变形。导流罩2的宽度(即导流片7开切口底边4的长度)取0.5-1倍管道1的外径，其长度(即导流罩2两个顶端5之间的距离)取1.5-2.5倍管道1的外径。导流罩2在管道1上的间距取导流罩2宽度的3-5倍，即管道外径的1.5-2.5倍。

Claims (4)

1.一种海底管道涡激振动抑制方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)根据所要保护的海底管道的内外径尺寸，制作多对大小和弯曲弧度均相同的舌状导流片，每片导流片从底边到顶端渐细，底边开有方波状切口，外壁上固定有Z字型激流丝；每一对导流片底边的方波状切口相配合；

(2)在海底管道上按照海底管道外径1.5-2.5倍的间距装配和固定导流罩，每个导流罩由两对导流片经过拼接和焊接，形成为中部凸起两顶端连接的对称壳体，将海底管道包覆在中部的部位。

2.根据权利要求1所述的海底管道涡激振动抑制方法，其特征在于，其中的第(2)步在装配和固定每个导流罩时，按照下列步骤执行：

a)将第一片导流片按照底边与海底管道相切的位置贴在管道一侧，在底边方波状切口的凹口处将其与管道表面焊接；

b)取用与所述的第一片导流片底边相配合的第二片导流片，按照凹口位置与已经就位的第一片导流片进行对接，并将其在其底边方波状切口的凹口处与管道表面进行焊接；

c)将第一和第二导流片在对接的切口处进行点焊连接；

d)将第三、第四片导流片按照底边与海底管道相切的位置贴在管道的另一侧，按照上述步骤a)至c)，将第三、第四两片导流片焊接在管道的另一侧与所述的第一和第二片导流片相对称的部位；

e)将由两对导流片对接后构成的导流罩的两个顶端分别点焊连接。

3.根据权利要求1或2所述的海底管道涡激振动抑制方法，其特征在于，在每片导流片的内壁均制作至少一条纵向加强筋，每条加强筋靠近顶端部分较粗，靠近底边部分较细。

4.根据权利要求1或2所述的海底管道涡激振动抑制方法，每个导流罩的宽度取0.5-1倍管道的外径，其长度取1.5-2.5倍管道的外径。

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