CN102134972B - 仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置 - Google Patents

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Abstract

仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置，属于海洋立管设施铺设技术领域。本发明是为水下立管安装可随水流流向改变方向的仿鱼尾式整流罩，包括旋转模块、整流罩固定垫、整流罩和鱼尾柔性板。整流罩外形前圆后尖，表面光滑，略像水滴的形状。整流罩圆弧部分与立管同轴，其与主管之间采用方便安装和拆卸的旋转模块连接，使其可以绕立管自由转动。整流罩空心部分添加小密度浮力材料。整流罩尾部安装鱼尾柔性板，能够减小整流罩的来流夹角，从而达到更好的减少升阻力和抑制涡激振动的效果。本发明因有效抑制涡激振动，故可提高水下立管的抗疲劳强度，从而大大降低工程造价。同时克服不少涡激振动抑制装置对于来流方向的限制，在海洋河流水流方向时常变化的环境中具有很高的应用价值。

Description

仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置
技术领域
本发明涉及一种水下立管涡激振动抑制装置，特别是一种采用仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置，属于海洋立管设施铺设技术领域。
背景技术
石油供应的日益短缺使得深海油气开采受到了世界各国高度重视。深海开采系统中有众多的细长圆柱形结构物，如钻井隔水管、采油立管和悬跨输液管线等，它们的总造价超过整个深海采油系统的百分之五十。当波浪、海流流经这些管线时，在一定的流速下会使得管线尾迹产生周期性的旋涡脱落，当管线的固有频率与旋涡脱落频率接近时，就产生了涡激共振现象，从而导致立管的疲劳破坏。管线在持续的涡激共振的作用下，最终可能产生疲劳破环，从而严重影响海洋作业，甚至带来严重的工程和环境事故。因此，深海开采系统管线涡激振动抑制问题的研究已显得至关重要。
为减少和防止涡激振动造成的破坏作用，增加海洋管线的使用寿命，通常在作业中使用涡激振动抑制装置。现有的涡激振动抑制装置主要可分为主动抑制和被动抑制两类。主动抑制技术是近期发展起来的，其原理是给流场加入外部能量从而达到抑制漩涡脱落的目的。而被动抑制技术是指通过改变管线外部形状或者安装附加装置来抑制管线尾迹漩涡脱落。考虑到深海流场的复杂性，海洋管线的涡激振动抑制很难应用主动抑制技术，更多的应该考虑被动抑制方法。被动抑制方法中，控制杆、螺旋状条纹、O型圈、表面突起、分离盘和固定整流罩等方法已经在一些工程场合中用来抑制涡激振动。现有技术中，专利号为US2007/0104542A1名称为Fairing for a riser的发明专利是使用流线型结构的固定整流罩来抑制涡激振动。通过将整流罩圆弧部分正对来流方向，其尾部背对来流方向，可以得到比较好的涡激振动抑制效果。当整流罩横截面尾流方向形状夹角θ在一定范围内时，其抑制性能主要受整流罩长径方向与来流方向之间的来流角α的影响。在来流角α不同时，装置的抑制效果可能会急剧降低，甚至会增加管线的流体力，这说明整流罩对来流方向非常敏感，仅对特定来流方向上产生的涡激振动具有较好的抑制效果。因此，对于海洋河流等水流方向时常变化的作业环境，固定整流罩的应用具有很大的局限性。而申请号为201010571612.8名称为“采用可旋转整流罩的水下立管涡激振动抑制装置”的专利是利用整流罩的旋转达到流向适应的效果，部分消除了整流罩抑制涡激振动效果对来流方向敏感的缺点，但是由于受来流角α不够小的影响，其降低水下立管升阻力和涡激振动的效果受到了限制。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种设计制造简单、安装方便的来流方向自适应的仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明是通过旋转模块将仿鱼尾式整流罩与立管连接起来，仿鱼尾式整流罩包括旋转模块、整流罩固定垫、整流罩和鱼尾柔性板。其中旋转模块包括旋转模块固定件、旋转模块转动件、滚子和轴向止动片。旋转模块固定件由对称的两半环钢质构件组成，旋转模块固定件的内径等于立管外径D，内外径厚度取0.12D至0.14D，在其顶面均匀加工有滚子槽。旋转模块固定件从两侧套在立管上，并使用螺栓连接固定。球型滚子放置于旋转模块固定件的滚子槽内。旋转模块转动件也由对称的两半环钢质构件组成，旋转模块转动件的内径略大于立管外径，内外径厚度为0.15D至0.2D，在其底面上加工滚子环槽。直角结构的轴向止动片，分别安装在旋转模块转动件的两半环上，保证旋转模块安装好后旋转模块转动件不会沿轴向移动，轴向止动片与旋转模块固定件底面留有一定的空隙，以保证旋转不受摩擦。旋转模块转动件套在旋转模块固定件上面，其滚子环槽8正好放置在滚子上面，两半环之间使用螺栓连接，连接好后旋转模块转动件可绕立管的轴线自由转动。
整流罩的外形前圆后尖，表面光滑，略像水滴的形状。其横截面迎流方向部分为圆弧，尾流方向部分沿圆弧切线光滑过渡直至相交，相交后延伸出一段用于安装和拆卸的尾部。整流罩尾部安装鱼尾柔性板，沿立管轴向的长度与整流罩长度相等，为4D至8D，鱼尾柔性板的厚度为0.05至0.2D，宽度L2为0.5至1.0D。材料采用抗弯曲强度较低的尼龙板或者四氟板，且具有较高的抗压强度、稳定的化学性质以及广泛的耐寒耐热性。安装好鱼尾柔性板的整流罩和整流罩固定垫均安装在旋转模块外面，每个整流罩上下两端分别安装两个旋转模块。两端的旋转模块和整流罩之间分别用螺栓紧固连接，整流罩圆弧部分与立管同轴。
如果水下立管长径比很大，可在其上每隔一段距离安装多段所述涡激振动抑制装置，每段所述整流罩的长度取4D至8D。
本发明有益效果：1、本发明由于在可旋转整流罩的基础上增加了鱼尾柔性板，同样具有流向自适应性，有效解决很多附加装置抑制涡激振动效果受来流方向限制的缺陷。2、实验结果表明，该装置相比没有鱼尾柔性板的可旋转整流罩能使来流夹角α减小5至10°，而立管时均阻力和脉动升力在可旋转整流罩的基础再次减少10％和50％，并有效减小涡激振动幅度。3、本发明装置只需在立管上每隔一定距离安装一对旋转模块，再套上仿鱼尾式整流罩，结构简单，制造安装方便。
附图说明
图1为本发明装置立体结构示意图
图2为本发明装置仿鱼尾式整流罩剖面示意图
图3为本发明装置旋转模块立体结构示意图
图4为本发明装置旋转模块固定件顶面示意图
图5为本发明装置旋转模块转动件底面示意图
图中：
1.立管；2.旋转模块固定件；3.旋转模块转动件；4.轴向止动片；5.整流罩固定垫；6.整流罩；7.固定件滚子槽；8.转动件滚子环槽；9.螺栓；10.滚子；11.鱼尾柔性板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明包括旋转模块、整流罩固定垫5、整流罩6和鱼尾柔性板11。
其中旋转模块包括旋转模块固定件2、旋转模块转动件3、滚子10和轴向止动片4。旋转模块固定件2由对称的两半环钢质构件组成，旋转模块固定件2的内径等于立管1外径D，其内外径厚度取0.12D至0.14D，在其顶面均匀加工有滚子槽7。旋转模块固定件2从两侧套在立管1上，并使用螺栓9连接固定。滚子10直径为旋转模块固定件2内外径厚度的0.5至0.8倍，滚子10放置于旋转模块固定件2的每个滚子槽7里。旋转模块转动件3也由对称的两半环钢质构件组成，旋转模块转动件3内径略大于立管1外径，以保证转动不受摩擦，内外径厚度为0.15D至0.2D，其底面上加工滚子环槽8。直角结构的轴向止动片4，分别安装在旋转模块转动件3的两半环上，其可以保证旋转模块安装好后旋转模块转动件3不会沿轴向移动，但轴向止动片4与旋转模块固定件2底面留有一定的空隙，以保证旋转不受摩擦。旋转模块转动件3套在旋转模块固定件2上面，其滚子环槽8正好放置在滚子10上面，两半环之间使用螺栓9连接，连接好后旋转模块转动件3可绕立管1的轴线自由转动。
旋转模块固定件2和旋转模块转动件3均采用分开两个半环的设计优点在于，相比于整体环状结构的模块，它可以保证不受立管1长度以及不同地方直径差异带来的安装困难。整个旋转模块采用类似推力轴承结构设计，可以减小因整流罩6不对称重力带来的结构变形以及转动摩擦阻力，另外在整流罩6空心部分可添加小密度浮力材料，甚至可以完全消除这种不利因素。
整流罩6的外形前圆后尖，表面光滑，略像水滴的形状。其横截面迎流方向部分为圆弧，尾流方向部分沿圆弧切线光滑过波直至相交，相交后延伸出一段用于安装和拆卸的尾部。鱼尾柔性板11为长方形薄板，采用抗弯曲强度较低的尼龙板或者四氟板加工，具有较高的抗压强度、稳定的化学性质以及广泛的耐寒耐热性。鱼尾柔性板11沿立管轴向的长度与整流罩6长度相等，为4D至8D，鱼尾柔性板11的厚度为0.05至0.2D，宽度L2为0.5至1.0D。鱼尾柔性板11通过螺栓安装在整流罩6尾部。安装好鱼尾柔性板11的整流罩6和整流罩固定垫5均安装在旋转模块外面，每个整流罩6上下两端分别安装两个旋转模块。两端的旋转模块和整流罩6之间分别用螺栓9紧固连接。整流罩6的圆弧部分与立管1同轴，并通过旋转模块绕立管1轴线自由转动。整流罩6横截面圆弧部分内径等于旋转模块转动件3外径，厚度为0.02D至0.05D，横截面尾流方向形状夹角θ为75°至30°，尾部长度L为0.2D至0.4D。
当来流方向改变时，在表面两侧压力差的作用下，通过旋转模块的转动，整流罩6将自动稳定于相对于来流方向对称的两个平衡位置。因此改变了来流夹角α，达到流向自适应的效果。同时，由于鱼尾柔性板11的存在，它受到两侧压力的作用，产生弯曲后带动整流罩6尾部向θ＝180°方向转动，从而使得整流罩6流线型更贴近流向。相比没有鱼尾柔性板11的可旋转整流罩，增加鱼尾柔性板11可获得更小的来流夹角α，从而更大程度上降低升阻力系数和涡激振动幅度。另外，仿鱼尾式整流罩达到平衡时，来流夹角α很大程度上取决于形状夹角θ，形状夹角θ越小，来流夹角α也越小。实验结果表明，当形状夹角θ保证在75°至30°范围内时，该装置相比没有鱼尾柔性板11的可旋转整流罩能使来流夹角α减小5至10°，而立管时均阻力和脉动升力在可旋转整流罩的基础再次减少10％和50％，并有效减小涡激振动幅度。
如果水下立管1长径比很大，可在其上每隔一段距离安装多段所述涡激振动抑制装置，每段所述整流罩6的长度取4D至8D。

Claims (2)

1.一种仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置，包括：旋转模块、整流罩固定垫(5)、整流罩(6)，其中旋转模块包括旋转模块固定件(2)、旋转模块转动件(3)、滚子(10)和轴向止动片(4)；旋转模块固定件(2)由对称的两半环钢质构件组成，在其顶面均匀加工有滚子槽(7)；旋转模块固定件(2)从两侧套在立管(1)上，并使用螺栓(9)连接固定；滚子(10)放置于旋转模块固定件(2)的滚子槽(7)内；旋转模块转动件(3)也由对称的两半环钢质构件组成，在其底面上加工滚子环槽(8)；直角结构的轴向止动片(4)，分别安装在旋转模块转动件(3)的两半环上；旋转模块转动件(3)套在旋转模块固定件(2)上面，其滚子环槽(8)正好放置在滚子(10)上面，两半环之间使用螺栓(9)连接；整流罩(6)外形前圆后尖，表面光滑，略像水滴的形状；横截面迎流方向部分为圆弧，尾流方向部分沿圆弧切线光滑过渡直至相交，相交后延伸出一段尾部；其特征在于还包括鱼尾柔性板(11)，鱼尾柔性板(11)通过螺栓(9)安装在整流罩(6)尾部；安装好鱼尾柔性板(11)的整流罩(6)和整流罩固定垫(5)均安装在旋转模块外面，每个整流罩(6)上下两端分别安装两个旋转模块；两端的旋转模块和整流罩(6)之间分别用螺栓(9)紧固连接，整流罩(6)圆弧部分与立管同轴；鱼尾柔性板(11)为长方形薄板，采用抗弯曲强度低的尼龙板或者四氟板。
2.根据权利要求1所述的仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置，其特征是所述的鱼尾柔性板(11)沿立管(1)轴向的长度与整流罩(6)长度相等，为4D至8D，鱼尾柔性板(11)的厚度为0.05至0.2D，安装好之后的鱼尾柔性板(11)伸出所述整流罩(6)尾部的宽度L2，为0.5至1.0D，其中：D为立管外径。
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