CN101387188A - 海洋立管涡激振动的抑振方法及其抑振装置 - Google Patents

海洋立管涡激振动的抑振方法及其抑振装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能够有效抑制海洋立管涡激振动的抑振方法及其抑振装置。有立管及其上的导流罩和固定在导流罩上的扰流装置，其特征是上述扰流装置是由首尾相连的多个月牙形扰流肋组成的扰流肋条，而且扰流肋条以螺旋线缠绕的形式设置在导流罩的外表面上，其螺距为立管外径的5至15倍。抑振方法：首先根据所要求保护的立管的外径尺寸，制备好包裹并固定在立管外表面的导流罩，然后将制作好的一道或多道扰流肋条先行按照在导流罩外表面预先确定并标出的螺距或螺旋线位置，将扰流肋条固定其上，最后将带有扰流肋条的导流罩安装在立管的外表面。因此本发明有效抑制立管的涡激振动，且装置重量可减轻30％至60％，可大大降低工程造价。

Description

海洋立管涡激振动的抑振方法及其抑振装置
技术领域
本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种能够有效抑制海洋立管涡激振动的抑振方法及其抑振装置。
背景技术
海洋立管是海洋平台与海底井口间的主要连接件，作为海面与海底的一种联系通道，既可用于浮式海洋平台，又可用于固定式平台及钻探船舶。当海流流经细长的表面光滑的圆柱体时，在一定的流速条件下，便在圆柱体两侧交替地形成强烈的旋涡，旋涡脱落会对立管产生一个周期性的可变力，使得立管在与流向垂直方向上发生横向振动；结构的振动反过来又对流场产生影响，使旋涡增强，阻力增加，当旋涡脱落频率与立管固有频率接近时，将引起立管的强烈振动，旋涡的脱落过程将被结构的振动所控制，从而使旋涡的脱落和管道的振动具有相同的频率，发生“锁定”现象，加剧立管的疲劳破坏。除了横向振动外，流体阻力可使立管沿流动方向发生纵向振动，纵向振动比横向振动幅值约小一个数量级，但是在立管来流方向上的拖曳力会使立管产生比较大的变形，使立管处于高应力状态，易发生疲劳破坏。
目前国内外对海洋立管涡激振动的抑振方法主要是在管道外布置扰流装置，如尾流漂浮物、流线型导流板等，利用扰流装置破坏立管的涡激振动，减轻管道的振动幅度。但上述抑振装置也存在下述问题：相对重量大，材料用量大；来流方向有效截面较大；易产生海洋沉积物附着等。
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海洋立管涡激振动的方法及其抑振装置。
本发明是对海洋立管的导流罩上固定扰流装置的改进，具体是在固定在立管外的导流罩的外表面专门设计的月牙形扰流肋条，并且按螺旋线方式布设。扰流肋条的作用是，当海流流过立管时，其上的扰流肋条破坏其涡激流场，削弱管道的涡激振动，减轻管道的疲劳破坏。即本发明的抑振装置，使流体流经立管后，尾流产生分岔，破坏尾流流体的形式，使之不能形成有效的涡激振动，不发生频率锁定状态，减轻管道的横向振动。又考虑到实际海流的方向不是固定的，为实现立管在不同来流方向情况下抑振装置都能有效地减轻其涡激振动，发挥抑振作用，扰流肋条以一定螺旋线的方式布置在立管外表面，使涡激振动在各个方向上都能得以有效控制。扰流肋条沿管道表面可布置一道或多道，且以一个螺距内布置三道扰流肋条为最优方式。
因此，本发明的抑振装置的技术方案是：有立管及其上的导流罩和固定在导流罩上的扰流装置，其特征是上述扰流装置是由首尾相连的多个月牙形扰流肋组成的扰流肋条，而且扰流肋条以螺旋线缠绕的形式设置在导流罩的外表面上，其螺旋线螺距为立管外径的5至15倍。
海洋立管涡激振动的抑振方法：首先根据所要求保护的立管的外径尺寸，制备好包裹并固定在立管外表面的导流罩，然后将制作好的一道或多道扰流肋条先行按照在导流罩外表面预先确定并标出的螺距或螺旋线位置，将扰流肋条固定其上，最后将带有扰流肋条的导流罩安装在立管的外表面。
试验表明，本发明在发生涡激振动情况下，与无抑振装置情况相比，该抑振装置可减轻振幅50％至70％，在相同情况下，与国外的螺旋导板抑振方式相比，其重量可减轻30％至60％。因此使用本抑振方法及装置不仅可以减轻立管的涡激振动，而且可以减轻抑振装置的重量，可大大降低工程造价，也不易产生海洋沉积物附着等。
附图说明
图1本发明的基本结构(一道扰流肋条)的立体示意图。
图2本发明的以一个螺距内布置三道扰流肋条的基本结构示意图。
图3本发明的基本结构的平剖示意图。
图4本发明的月牙形扰流肋的立体结构示意图。
图5本发明的月牙形扰流肋侧视示意图。
图6本发明的扰流肋的N-N剖面示意图。
其中，1、立管  2、导流罩  3、扰流装置  4、扰流肋  5、扰流肋条5a、5b、5c、分别为第一、第二和第三道扰流肋条。
具体实施方式
如图1、2，有立管1及其上的导流罩2和固定在导流罩2上的扰流装置3，其特征是上述扰流装置3是由首尾相连的多个月牙形扰流肋4组成的扰流肋条5，而且扰流肋条5以螺旋线缠绕在导流罩2的外表面上，螺距L1为立管外径的5至15倍。
本发明的月牙扰流肋4可做成内部有横向与纵向加劲肋(图中省略)的中空形式，以增大其结构刚度。扰流肋条4以螺旋线缠绕的形式首尾相连布置在导流罩的外表面，以实现水下立管在不同来流方向发生的涡激振动都能得到有效地控制。
如图4、5、6，月牙形扰流肋4的整体呈底部宽、两头尖的月牙形，长度为Y，其基体的肋板高度为H，肋底中部厚度为Z。将每个月牙形扰流肋4首尾相接组成扰流肋条5，可以用钢材或铝合金材料一次加工成型。
导流罩2可为筒式，其内径比立管外管径稍大，可直接加在立管1外；也可将导流罩一分为二，两半圆形导流罩在管道外同一位置对接。
海洋立管涡激振动的抑振方法：首先根据所要求保护的立管1的外径尺寸，制备好包裹在立管1外表面的导流罩2，然后把制作好的由首尾相连的多个月牙形扰流肋4组成的一道或多道扰流肋条5，按照固定在导流罩2外表面预先确定并标出的螺距或螺旋线位置上，最后将带有扰流肋条5的导流罩2固定安装在立管1的外表面。
以一道和三道螺旋形式为例，其抑振装置排列方式为：
(一)、一道螺旋扰流肋条的布置形式
如图1，在导流罩2外表面先标出螺旋线位置，螺旋线的螺距L1为5D至15D(D为立管外径)。如图5、6，扰流肋4长Y为0.5D至0.9D，肋底中部厚Z为0.125D至0.3D，肋高H为0.2D至0.3D。将扰流肋条沿螺旋线位置安装在立管上。
(二)、三道螺旋扰流肋条布置形式
如图2，在导流罩2外表面先标出螺旋线位置，螺旋线的螺巨L1为5D至15D(D为立管外径)，在L1螺距内螺旋线分三道5a、5b、5c，顺一个方向平行缠绕，三道平行的螺旋线间的距离为5D/3至15D/3。扰流肋长Y为0.5D至0.9D，肋底中部厚Z为0.125D至0.3D，肋高H为0.2D至0.3D。将扰流肋条沿螺旋线位置安装在立管上。
实施例1
如图1，一道螺旋扰流肋条布置形式：立管的外径D＝1米，在导流罩2外表面按螺距为5米标出螺旋线位置。扰流肋4长Y为0.5米，肋底中部厚Z为0.3米，肋高H为0.3米。将扰流肋条沿螺旋线位置安装在立管上，相邻两道扰流肋条间距5米。
实施例2
如图2，以三道螺旋扰流肋条布置形式：立管外径D＝1米，在导流罩2外表面按螺距L1为5米标出螺旋线位置，为第一道扰流肋条5a的布置位置；以第一道螺旋线为基准，按1.67米的间距与第一道螺旋线平行缠绕布置第二道螺旋线，此为第二道扰流肋条5b的布置位置；再以第二道螺旋线为基准，按1.67米的间距与第二道螺旋线平行缠绕布置第三道螺旋线，此为第三道扰流肋条5c的布置位置。扰流肋条5a、5b、5c的长度Y均为0.5米，肋底中部厚度Z均为0.3米，肋高度H均为0.3米。将三道扰流肋条同时沿螺旋线位置缠绕并固定安装在立管上，在一个螺距L1内相邻两道扰流肋条间距均为1.67米。
实施例3
如图2，以三道螺旋扰流肋条布置形式：立管外径D＝1米，在导流罩2外表面按螺距L1为9米标出螺旋线位置，为第一道扰流肋条5a的布置位置；以第一道螺旋线为基准，按3.0米的间距与第一道螺旋线平行缠绕布置第二道螺旋线，此为第二道扰流肋条5b的布置位置；再以第二道螺旋线为基准，按3.0米的间距与第二道螺旋线平行缠绕布置第三道螺旋线，此为第三道扰流肋条5c的布置位置；扰流肋条5a、5b、5c的长度Y均为0.5米，肋底中部厚度Z均为0.3米，肋高度H均为0.3米。将三道扰流肋条同时沿螺旋线位置安装在立管上，在一个螺距L1内相邻两道扰流肋间距为3.0米。

Claims (5)

1、一种海洋立管涡激振动的抑振装置，有立管(1)及其上的导流罩(2)和固定在导流罩(2)上的扰流装置(3)，其特征是上述扰流装置(3)是由首尾相连的多个月牙形扰流肋(4)组成的扰流肋条(5)，而且扰流肋条(5)以螺旋线缠绕在导流罩(2)的外表面上，螺距L1为立管(1)外径的5至15倍。
2、如权利要求1所述的海洋立管涡激振动的抑振装置，其特征是上述扰流肋(4)长为0.5D至0.9D，肋底中部厚为0.125D至0.3D，肋高为0.2D至0.3D，其中D为立管外径。
3、如权利要求1所述的海洋立管涡激振动的抑振装置，其特征是上述扰流肋(4)是内部有横向与纵向加劲肋的中空形式。
4、如权利要求1所述的海洋立管涡激振动的抑振装置，其特征是上述扰流肋条(5)，是用钢材或铝合金材料一次加工成型。
5、海洋立管涡激振动的抑振方法：首先根据所要求保护的立管(1)的外径尺寸，制备好包裹在立管(1)外表面的导流罩(2)，然后把制作好的由首尾相连的多个月牙形扰流肋(4)组成的一道或多道扰流肋条(5)，按照固定在导流罩(2)外表面预先确定并标出的螺距或螺旋线位置上，最后将带有扰流肋条(5)的导流罩(2)固定安装在立管(1)的外表面。
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