CN102865044B - 仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置，包括滑动装置和整流装置，采用滑动装置达到来流自适应调整最佳整流位置的效果，整流装置采用侧面柔性板，更大限度地感知适应立管尾流场的变化，形成最佳的整流面，整流装置尾端安装柔性尾板，可以进一步调整尾流场，能够减少整流装置的来流夹角，打破静态平衡状态，同时由于整流装置和柔性尾板的自适应变形，使流体经过圆柱过渡，减少了立管的阻力和脉动升力，有效地抑制涡激振动幅值，只需每隔一段距离布置一个滑道，在滑道上挂上带有柔性尾板的整流装置，可以抑制立管的涡激振动，从而可以提高水下立管的抗疲劳强度，增加立管的使用寿命。

Description

仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置

技术领域

本发明涉及一种水下立管涡激振动抑制及减阻装置，特别是一种仿翼型自适应的水下立管涡激振动抑制及减阻装置，属于海洋立管设施铺设技术领域。

背景技术

在深海采油系统中，有众多的细长圆柱形结构物，如钻井隔水管、采油立管和悬挂输液管等，这些海洋立管所承受的海洋环境载荷主要有风、浪、流、冰和地震载荷等，其中，波浪和海流是最重要的海洋载荷，在一定的流速下会使得管线尾迹产生周期性的漩涡脱落，尤其当管线的固有频率与漩涡脱落的频率接近时，就产生了涡激共振现象，从而导致立管的疲劳破坏，从而严重影响海洋作业，甚至带来严重的工程和环境事故。

为减少和防止涡激振动造成的破坏作用，延长海洋立管的使用寿命，通常在海洋立管上安装涡激振动抑制装置。现有的涡激振动抑制装置主要分为主动抑制和被动抑制两类。主动抑制的原理是给流场加入外部能量从而达到抑制和延迟涡脱落；但因海洋环境复杂，无规律可循，主动抑制在工程应用很难实现，更多的是采用被动抑制方法。

中国专利申请号为201110005186.6、名称为“一种螺旋列板涡激振动抑制装置”公开的涡激振动抑制装置的缺点是：螺旋列板固定于立管上，无法移动，不具备调节能力；中国专利申请号为201010619503.9、名称为“仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动抑制装置”公开的涡激振动抑制装置的缺点是：整流罩是刚性结构，无法产生变形以适应不同的来流速度。因此，目前的涡激振动抑制装置主要存在的缺点有：1、无法自适应来流方向；2、无法自适应来流速度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种便于制造、成本较低、安装方便的来流自适应的仿翼型水下立管涡激振动抑制及减阻装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置包括滑动装置和整流装置，所述整流装置包括柔性尾板、两块侧面柔性板、三块连接板、两块固接板和一个刚性支撑件，所述两块侧面柔性板和一个刚性支撑的一端均与柔性尾板固定连接、另一端各固定连接一块连接板，刚性支撑位于立管的径向上，两块侧面柔性板分别对称地位于刚性支撑的两侧；所述滑动装置包括连杆、外滑环、内滑环、固定板、滑板和滚针，所述内滑环、外滑环和半圆形滑板均与立管同轴，立管外套有内滑环，内滑环外套有外滑环，在内滑环和外滑环之间套有半圆形滑板，半圆形滑板的圆周方向均设三个凹槽，每个凹槽中有一个连杆，连杆的一端伸进凹槽中与半圆形滑板固定连接，连杆的另一端伸出凹槽外，三个连杆的另一端分别与三个所述连接板固定连接；外滑环内径面上和内滑环外径面上均设有两层凹槽，外滑环内径面上的所述两层凹槽与内滑环外径面上的所述两层凹槽沿轴向同高度且相面对，所述两层凹槽的每层凹槽内布置若干个滚针，滑板贴在外滑环内径面上的两层滚针和内滑环外径面上的两层滚针之间；固定板固定连接内滑环内径面和立管外径面。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用滑动装置可以达到来流自适应调整最佳整流位置的效果，有效地解决现有水下立管涡激振动抑制减阻装置中的附加装置抑制涡激振动受到来流方向限制的缺陷。

2、本发明中的整流装置采用侧面柔性板，可以更大限度地感知适应立管尾流场的变化，形成最佳的整流面，有效地解决现有水下立管涡激振动抑制减阻装置中刚性整流罩对来流速度的限制缺陷。

3、本发明中的整流装置尾端安装了柔性尾板，可以进一步调整尾流场，能够减少整流装置的来流夹角，打破静态平衡状态，同时由于整流装置和柔性尾板的自适应变形，使流体经过圆柱过渡，减少了立管的阻力和脉动升力，有效地抑制涡激振动幅值。  

4、本发明装置只需每隔一段距离布置一个滑道，在滑道上挂上带有柔性尾板的整流装置，可以抑制立管的涡激振动，从而可以提高水下立管的抗疲劳强度，增加立管的使用寿命，从而大大降低工程造价，无论是环境复杂的海洋还是定向流动的河流均适用，结构简单，生产安装方便，便于更换和维修。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

图1为本发明装置的主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中A-A剖视图；

图4为图2中B-B旋转剖视图，逆时针旋转90°；

图5图4中I局部放大图；

图中：1、柔性尾板；2、侧面柔性板；3、连接板；4、连杆；5、外滑环；6、内滑环；7、固定板；8、半圆形滑板；9、滚针；10、固定套；11、固接板；12、刚性支撑件；13、立管。

具体实施方式

本发明为一种仿翼型水下立管涡激振动抑制及减阻装置，参见图1-2，整个装置固定于圆形的立管13上。整个装置包括：滑动装置、带柔性尾板的整流装置。滑动装置与立管13的外径相接，且可沿立管13的外径周向滑动，带柔性尾板的整流装置与滑动装置，且位于立管13的侧方。

其中，带柔性尾板的整流装置包括：柔性尾板1、两块侧面柔性板2、三块连接板3、两块固接板11、一个刚性支撑件12。参见图2，两块侧面柔性板2是可以变形的圆弧形状，两块侧面柔性板2和一个刚性支撑12的一端均与柔性尾板1固定连接，在固定连接处用两块固接板11固定，两块固接板11中间以铆钉固接。两块侧面柔性板2和一个刚性支撑12的另一端分别固定连接一块连接板3，三块连接板3同时与滑动装置相连接。并且，刚性支撑12位于立管13的径向上，柔性尾板1位于刚性支撑12在远离立管13的延伸方向上，两块侧面柔性板2分别位于刚性支撑12的两侧，且相对于刚性支撑12对称。 

滑动装置包括：连杆4、外滑环5、内滑环6、固定板7、滑板8、滚针9、固定套10。再参见图3-5所示，立管13外套有内滑环6，内滑环6外套有外滑环5，在内滑环6和外滑环5之间套有半圆形滑板8，内滑环6、外滑环5和半圆形滑板8均与立管13同轴。图5中，沿半圆形滑板8的圆周方向均开三个凹槽，每个凹槽中有一根连杆4，连杆4的一端伸进凹槽中与半圆形滑板8固定连接，连杆4的另一端伸出凹槽外与带柔性尾板的整流装置中的连接板3固定连接。

在外滑环5内径面上和内滑环6外径面上均设置两层凹槽，外滑环5内径面上的两层凹槽与内滑环6外径面上的两层凹槽沿轴向同高度相对。每层凹槽中均安装圆柱体滚针9，每层凹槽内布置若干个滚针9，滚针9均以固定套10被限定在凹槽中。滑板8贴在外滑环5内径面上的两层滚针9和内滑环6外径面上的两层滚针9之间，将外滑环5和内滑环6两端固接连接形成一个整体，或用焊接或者轴套把外滑环5和内滑环6固接形成一个整体，形成小滑道；用固定板7连接于内滑环6内径面和立管13外径面之间，将滑动装置和立管13固定连接在一起。即本发明中带柔性尾板的整流装置通过连接板3与连杆4连接，滑动装置通过固定板7与立管13固接，形成抑制涡激振动的装置。

本发明中的连接板3、侧面柔性板2和柔性尾板1沿立管13轴向的长度均相等，且均为立管13外径的4~8倍，厚度均是立管外径的0.05~0.2倍，沿立管13径向的宽度均是立管13外径的0.8~1.2倍。侧面柔性板2和柔性尾板1的材料采用抗弯曲强度较低的尼龙板或四氟板，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。由于海洋立管13的轴向长度较大，考虑到加工材料和安装的问题，在立管13轴向长度上，每间隔距离是立管13外径4~8倍的轴向长度处，在立管13上布置一个滑动装置和一个整流装置。 

滑板8上的三个连杆4与立管13轴线连线之间的夹角由海况和立管13的直径决定。由于海洋立管13的直径较大，考虑加工工艺及安装等问题，本发明可采用若干个圆弧形的内滑环6对接的方式以及若干个圆弧形的外滑环5对接的方式外套在立管13外，对接之间的间隙以不影响滑板8在其内部滑行为准，使滑板8可以绕立管13的周向360°转动，形成一个固定于立管13上，滑板8可以带动连杆4在滑道内自由滑动的滑动装置。相应地，在立管13外径面上，沿圆周方向均匀分布若干个固定板7，这若干个固定板7将若干个圆弧形的内滑环6与立管13固定连接。

如图1和图2所示，当来流方向是从立管13方向到柔性尾板1时，光滑的立管13表面直接迎向来流方向，立管13和整流装置形成的外形前圆后尖，表面光滑，迎流部分是可以变形的圆弧形侧面柔性板2，尾流方向部分沿圆弧切线光滑过渡直至相交。 

本发明装置自适应来流方向的工作过程如下：如图2，当来流方向由如图2的下方向上时（以下规定：立管13迎流面为前，迎流面的对称面为后），立管13前缘为驻点高压区，而立管13后缘为低压区，下方侧面柔性板2迎流高压区，在表面压力差的作用下，两块侧面柔性板2受力不均匀，产生逆时针旋转，整流装置带动连杆4运动，连杆4拉动滑板8在滑道内旋转。直至整流装置两个侧面受力达到平衡为止也就是整流装置运动到立管13后缘，达到自适应的效果。柔性尾板1随水流摆动，可以增强对来流方向的响应速度，同时可以打破恰好来流方向与整流装置成180度，受力平衡导致整流装置无法自适应转动的现象。

本发明装置自适应来流速度的工作过程如下：如图2所示，当来流速度改变时，立管13周围的压力场发生变化，处于立管13后方的整流装置中的两个侧面柔性板2在压力的作用发生相应的变形，变形产生弹力抵消作用表面的压力，进而得到适应流场的形状，达到自适应来流速度的效果。

由于立管13处于复杂的海洋环境中，迎着来流的立管13首端是驻点形成高压区，由于流体的粘性作用，流体在立管13表面距驻点                                               的表面发生分离，从而在立管13后端形成低压区，压差阻力由此产生。采用本发明的整流装置可以和立管13表面形成流线型结构，减弱立管13尾涡的形成，减少了阻力。由于涡流的作用减弱，脉动升力也跟着减少。

Claims (4)

1.一种仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置，包括滑动装置和整流装置，其特征是：

所述整流装置包括柔性尾板（1）、两块侧面柔性板（2）、三块连接板（3）、两块固接板（11）和一个刚性支撑件（12），所述两块侧面柔性板（2）和一个刚性支撑件（12）的一端均与柔性尾板（1）固定连接、另一端各固定连接一块连接板（3），刚性支撑件（12）位于立管（13）的径向上，两块侧面柔性板（2）分别对称地位于刚性支撑件（12）的两侧； 

所述滑动装置包括连杆（4）、外滑环（5）、内滑环（6）、固定板（7）、滑板（8）和滚针（9），所述内滑环（6）、外滑环（5）和半圆形滑板（8）均与立管（13）同轴，立管（13）外套有内滑环（6），内滑环（6）外套有外滑环（5），在内滑环（6）和外滑环（5）之间套有半圆形滑板（8），半圆形滑板（8）的圆周方向均设三个凹槽，每个凹槽中有一个连杆（4），连杆（4）的一端伸进凹槽中与半圆形滑板（8）固定连接，连杆（4）的另一端伸出凹槽外，三个连杆（4）的另一端分别与三个所述连接板（3）固定连接；

外滑环（5）内径面上和内滑环（6）外径面上均设有两层凹槽，外滑环（5）内径面上的所述两层凹槽与内滑环（6）外径面上的所述两层凹槽沿轴向同高度且相面对，所述两层凹槽的每层凹槽内布置若干个滚针（9），滑板（8）贴在外滑环（5）内径面上的两层滚针（9）和内滑环（6）外径面上的两层滚针（9）之间；固定板（7）固定连接内滑环（6）内径面和立管（13）外径面。

2.根据权利要求1所述的仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置，其特征是：所述内滑环（6）、外滑环（5）均是由若干个圆弧形滑环对接形成。

3.根据权利要求1所述的仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置，其特征是：在立管（13）轴向长度上，每间隔距离是立管（13）外径4~8倍的轴向长度处，在立管（13）上布置一个所述滑动装置和整流装置。

4.根据权利要求1所述的仿翼型自适应水下立管涡激振动抑制及减阻装置，其特征是：所述连接板（3）、侧面柔性板（2）和柔性尾板（1）沿立管（13）轴向的长度均相等，且均为立管（13）外径的4~8倍，厚度均是立管外径的0.05~0.2倍，沿立管（13）径向的宽度均是立管（13）外径的0.8~1.2倍。