CN103321593A - 一种主动抑制立管涡激振动的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动抑制立管涡激振动的装置及方法，其特征在于：在垂直来流方向的立管两侧设置两根附属圆筒，且附属圆筒轴线与立管轴线平行；两根附属圆筒与小型驱动电机相连接，在驱动轴的带动下可以绕各自中心轴旋转，且附属圆筒上距立管最近点处的切向速度方向与来流方向相反；通过附属圆筒的主动旋转达到延缓绕立管流动流体边界层分离的目的，使立管后方尾迹区变窄，并降低了流体作用在立管上的脉动的升力及曳力，进而实现涡激振动的抑制。本发明制造简单、性能可靠、现场安装方便，从主动控制附属圆筒转动的角度出发，实现对立管涡激振动的抑制，降低其对海洋立管疲劳寿命的影响。

Description

一种主动抑制立管涡激振动的装置及方法

技术领域

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种主动抑制立管涡激振动的装置及方法。

背景技术

深海油气勘探开发必然会涉及到海洋立管、采油隔水管和悬跨输液管等大量柔性管线，这些管线的造价占整个深海采油系统造价的一半以上。立管是连接浮式钻井平台与海底生产系统的重要部件，其服役的可靠性对于油气钻采的安全运行具有重要意义。立管所处环境条件恶劣，受力复杂。尤其当波浪、海流流经立管时，将在立管后方形成漩涡，漩涡的形成和脱落改变了立管后方的流速分布，诱发立管的涡激振动。当漩涡脱落频率接近或等于立管某一固有频率时，振动幅度将急剧增大，加速了立管的疲劳破坏。一旦立管发生疲劳失效，不仅会引起海上重大漏油事故，造成巨大的经济损失，还将对海洋环境造成灾难性的破坏。

由于海洋中的海水动力环境非常复杂，特别是深海，通常需要在立管结构上安装涡激振动抑制装置，常见的涡激振动装置可分为两种类型：主动控制和被动控制。主动控制是近几年才研究发现的一种新的方法，主要是通过对流场和结构受力的实时监测，利用计算机自动控制技术，将外部扰动引入流场从而控制漩涡脱落。如声激励系统、圆柱体的旋转振动、抽吸与喷吹等。被动控制即是直接改变结构表面形状或者附加额外的装置以改变绕流场，从而控制漩涡的形成和发展过程。被动控制包括控制杆、突起、飘带、轴向板条等多种形式以及其相关抑制涡激振动的方法。

被动控制装置虽然大多结构简单，但存在的主要缺点就是对于复杂多变的海洋环境，不能根据不同工况导致的涡激振动进行有效控制，且抑制效果往往不能达到最佳。因此迫切需求一种主动抑制立管的涡激振动装置以及方法，防止立管发生疲劳破坏，延长立管的使用寿命，保障海洋油气安全高效的开采。

发明内容

本发明所要解决问题是针对现有立管涡激振动抑制装置及方法存在的不足，提供一种结构简单，性能可靠，通过主动控制来抑制立管涡激振动的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种主动抑制立管涡激振动的装置由多个基本单元沿立管轴线方向串列组合而成，基本单元包括附属圆筒、小型驱动电机、驱动轴、圆柱滚子轴承、固定套环以及螺栓；两根附属圆筒分列垂直来流方向的立管两侧；固定套环由两个对称钢制构件组成，且其形状为中间一大半圆环两端连有大小相等的小半圆环；固定套环从两侧套装在立管上，中间的大半圆环用于卡抱立管，两端的小半圆环用于卡抱小型驱动电机或圆柱滚子轴承，并用螺栓进行连接固定；小型驱动电机连接有驱动轴，附属圆筒的顶端与驱动轴相连接，附属圆筒的尾端伸入圆柱滚子轴承并卡紧；附属圆筒与立管轴线相平行；接通小型驱动电机，在驱动轴的带动下两附属圆筒绕各自中心轴旋转，且附属圆筒上距立管最近点处的切向速度方向与来流方向相反；立管的外径为Ｄ，附属圆筒的外径d为0.08D~0.15D，附属圆筒与立管之间的间隙G为0.01D~0.1D，附属圆筒长度Ｈ为4D~6D。

一种主动抑制立管涡激振动的方法，在垂直来流方向的立管两侧设置两根附属圆筒，且附属圆筒轴线与立管轴线平行；两根附属圆筒与小型驱动电机相连接，在驱动轴的带动下可以绕各自中心轴旋转，且附属圆筒上距立管最近点处的切向速度方向与来流方向相反；通过附属圆筒的主动旋转达到延缓绕立管流动流体边界层分离的目的，使立管后方尾迹区变窄，并降低了流体作用在立管上的脉动的升力及曳力，进而抑制涡激振动。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用主动抑制的装置及方法，通过调节附属圆筒的自转速度，使得立管的涡激振动抑制效果达到最佳，延长立管的使用寿命。

2、本发明的固定套环和附属圆筒制造简单、性能可靠、安装方便。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图

图2为本发明固定套环和圆柱滚子轴承连接图

图3为本发明附属圆筒旋转方向示意图。

其中：1、立管；2、附属圆筒；3、小型驱动电机；4、驱动轴；5、固定套环；6、圆柱滚子轴承；7、螺栓。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施作进一步描述：

本发明由多个基本单元沿立管1轴线方向串列组合而成，如图1、图2、图3所示，本发明的基本单元包括附属圆筒2、小型驱动电机3、驱动轴4、圆柱滚子轴承6、固定套环5以及螺栓7组成。

两根附属圆筒2分列垂直来流方向的立管1两侧；固定套环5由两个对称钢制构件组成，且其形状为中间一大半圆环两端连有大小相等的小半圆环；固定套环5从两侧套在立管1上，中间的大半圆环用于卡抱立管1，两端的小半圆环用于卡抱小型驱动电机3或圆柱滚子轴承6，并用螺栓7进行连接固定；小型驱动电机3连接有驱动轴4，附属圆筒2的顶端与驱动轴4相连接，附属圆筒2的尾端伸入圆柱滚子轴承6并卡紧；附属圆筒2与立管1轴线相平行；接通小型驱动电机3，在驱动轴4的带动下两附属圆筒2绕各自中心轴旋转，且附属圆筒2上距立管1最近点处的切向速度方向与来流方向相反；立管1的外径为Ｄ，附属圆筒2的外径d为0.08D~0.15D，附属圆筒2与立管1之间的间隙G为0.01D~0.1D，附属圆筒2长度Ｈ为4D~6D。

一种主动抑制立管涡激振动的方法，在垂直来流方向的立管1两侧设置两根附属圆筒2，且附属圆筒2轴线与立管1轴线平行；两根附属圆筒2与小型驱动电机3相连接，在驱动轴4的带动下可以绕各自中心轴旋转，且附属圆筒2上距立管1最近点处的切向速度方向与来流方向相反；通过附属圆筒2的主动旋转达到延缓绕立管1流动流体边界层分离的目的，使立管1后方尾迹区变窄，并降低了流体作用在立管1上的脉动的升力及曳力，进而抑制涡激振动。

此外，本装置还可以根据实际海洋工况，通过调节附属圆筒2的自转速度，使得立管1的涡激振动抑制效果达到最佳，延长立管1的使用寿命。

实施例：

根据实际立管1的长细比和当地海洋波浪、海流的常年统计信息，设计合理的基本单元间距，计算出需要的基本单元个数为n，则小型驱动电机的个数为2n，附属圆筒的个数为2n，固定套环的个数为2n，圆柱滚子轴承的个数为2n。

在安装单个基本单元时，首先，取一套固定套环5，用中间的大圆环卡抱立管1，而用两侧的小圆环安装固定两个小型驱动电机3，固定套环5由螺栓7固定；取两根附属圆筒2，将附属圆筒2的顶端与小型驱动电机3上的驱动轴4相连接，附属圆筒2的尾端伸入圆柱滚子轴承6并卡紧；再取一套固定套环5，用中间的大圆环卡抱立管1，而用两侧的小圆环安装固定两个圆柱滚子轴承6，固定套环5由螺栓7固定；安装时，应保证附属圆筒2与立管1轴线相平行。

装置安装完毕后，将海洋立管1置于海水中，接通小型驱动电机3，在驱动轴4的带动下两附属圆筒2绕各自中心轴旋转，且附属圆筒2上距立管1最近点处的切向速度方向与来流方向相反；通过附属圆筒2的主动旋转达到延缓绕立管1流动流体边界层分离的目的，使立管1后方尾迹区变窄，并降低了流体作用在立管1上的脉动的升力及曳力，进而抑制涡激振动。

Claims (3)

1.一种主动抑制立管涡激振动的装置，由多个基本单元沿立管（1）轴线方向串列组合而成，基本单元包括附属圆筒（2）、小型驱动电机（3）、驱动轴（4）、圆柱滚子轴承（6）、固定套环（5）以及螺栓（7）；其特征在于：两根附属圆筒（2）分列垂直来流方向的立管（1）两侧；固定套环（5）由两个对称钢制构件组成，且其形状为中间一大半圆环两端连有大小相等的小半圆环；固定套环（5）从两侧套装在立管（1）上，中间的大半圆环用于卡抱立管（1），两端的小半圆环用于卡抱小型驱动电机（3）或圆柱滚子轴承（6），并用螺栓（7）进行连接固定；小型驱动电机（3）连接有驱动轴（4），附属圆筒（2）的顶端与驱动轴（4）相连接，附属圆筒（2）的尾端伸入圆柱滚子轴承（6）并卡紧；附属圆筒（2）与立管（1）轴线相平行；接通小型驱动电机（3），在驱动轴（4）的带动下两附属圆筒（2）绕各自中心轴旋转，且附属圆筒（2）上距立管最近点处的切向速度方向与来流方向相反。

2.一种主动抑制立管涡激振动的方法，其特征在于：在垂直来流方向的立管（1）两侧设置两根附属圆筒（2），且附属圆筒（2）轴线与立管（1）轴线平行；两根附属圆筒（2）与小型驱动电机（3）相连接，在驱动轴（4）的带动下可以绕各自中心轴旋转，且附属圆筒（2）上距立管（1）最近点处的切向速度方向与来流方向相反；通过附属圆筒（2）的主动旋转达到延缓绕立管（1）流动流体边界层分离的目的，使立管（1）后方尾迹区变窄，并降低了流体作用在立管（1）上的脉动的升力及曳力，进而抑制涡激振动。

3.如权利要求1所述的一种主动抑制立管涡激振动的装置，其特征是：立管（1）的外径为Ｄ，附属圆筒（2）的外径d为0.08D~0.15D，附属圆筒（2）与立管（1）之间的间隙G为0.01D~0.1D，附属圆筒（2）长度Ｈ为4D~6D。

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