CN103437717B - 一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置及方法，其特征在于：装置由多个基本单元组合而成，基本单元包括五角叶轮、圆柱滚子以及固定卡环三部分。五角叶轮套装于隔水管外，每个角上的两个侧面形状不同，五角叶轮两端设置有圆弧形插孔，在其中安插圆柱滚子，通过安装固定卡环限制五角叶轮在轴线方向上的移动。在五角叶轮与圆柱滚子的配合下，五角叶轮能够360°自由旋转，可应对不同方向来流，有效破坏隔水管后方漩涡的形成，实现涡激振动的抑制。

Description

一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置及方法

技术领域

本发明属于海洋隔水管设施铺设技术领域，具体涉及一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置及方法。

背景技术

在深水油气田的开采过程中，海洋隔水管连接平台与水下井口，为钻井液及地层流体提供安全通道，其服役的可靠性对于油气钻采的安全运行具有重要意义。海洋隔水管所处环境条件恶劣，受力情况复杂。当波浪、海流流经隔水管时，将在隔水管后方形成漩涡，漩涡的形成和脱落改变了隔水管后方的流速分布，诱发了隔水管的涡激振动。当漩涡脱落频率接近或等于海洋隔水管某一固有频率时，即会引发共振，加速隔水管的疲劳破坏。一旦隔水管结构发生失效，不仅会引起海上重大安全事故，造成巨大的经济损失，还将对海洋环境造成灾难性的破坏。

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。主动抑制技术的原理是在流场中加入外部能量从而抑制漩涡脱落。而被动抑制是指通过改变管线外部形状或者安装附加装置来达到抑制尾迹漩涡脱落的目的。但是在海洋复杂环境下，主动抑制技术应用起来还比较困难，所以更多地考虑使用被动抑制技术。其中，控制杆、表面突起、分离盘等是已经研发出的典型的被动抑制装置，但它们均不能应对任意方向来流，实际使用范围受限。

发明内容

本发明所要解决问题是针对现有海洋隔水管涡激振动抑制装置存在的不足，提供一种性能可靠，现场安装方便，并能够应对任意方向来流的可转五角叶轮式涡激振动抑制装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置由多个基本单元组合而成，基本单元包括五角叶轮、圆柱滚子以及固定卡环三部分。其中所述的五角叶轮为五角形柱体，五角叶轮存在与隔水管同轴的中心圆孔，中心圆孔直径大于隔水管外径；五角叶轮每个角上的两个侧面形状不同，一个侧面为平面，另一个侧面为内凹的弧面，五角叶轮的外侧面由上述两种侧面交替而成；五角叶轮每个角内均含有一个轴线平行于中心圆孔轴线的贯穿圆孔，贯穿圆孔连通五角叶轮上下两个端面；在五角叶轮中心圆孔内侧上下两端均设置有周向间隔45°的圆弧形插孔，一端八个，用于安插圆柱滚子，圆弧形插孔的形状为3/4圆弧，沿轴向深度小于圆柱滚子的高度。

圆柱滚子的数量与圆弧形插孔的数量一致，圆柱滚子外径小于圆弧形插孔的圆弧部分直径；圆柱滚子与隔水管外切，同时与圆弧形插孔内切；圆柱滚子的高度大于圆弧形插孔的深度。

固定卡环由两个对称的半圆形柱体通过螺栓连接而成，每个半圆形柱体均为台阶形，圆柱滚子外端面与固定卡环内侧台阶端面接触，固定卡环的内径与隔水管的外径相等，以限制五角叶轮在轴线方向上的移动。

所述的一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置可以提供一种可转五角叶轮式涡激振动抑制方法，将该装置套装在隔水管上放入海水中，任意角度来流冲击五角叶轮后，由于五角叶轮每个角的两个侧面形状都不一样，因此受到的冲击力不一样，从而会产生沿切向的分力，驱动五角叶轮旋转；在五角叶轮与圆柱滚子的配合下，五角叶轮能够360°自由旋转，有效破坏隔水管后方漩涡的形成，实现涡激振动的抑制。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明可实现自由旋转，能够破坏隔水管后方产生的周期性漩涡，可以应对不同方向来流，适应不同的海洋环境，延长水下隔水管的使用寿命；

2、本发明的五角叶轮由塑料制造而成，节约成本，不易腐蚀和损坏，同时产生的浮力可以减少隔水管的重力效应；

3、本发明的贯穿圆孔中可以填充轻质材料以增加浮力，更大程度地减轻隔水管在海水中的重力效应；

4、本发明可以根据现场实际情况，自由调节基本单元之间的距离，最大程度上抑制隔水管的涡激振动。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图

图2为本发明五角叶轮与圆柱滚子的结构示意图

图3为本发明固定卡环的结构示意图

其中：1、隔水管；2、五角叶轮；3、圆弧形插孔；4、贯穿圆孔；5、固定卡环；6、圆柱滚子。

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。

本发明涉及一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置由多个基本单元组合而成，如图1所示，一个基本单元包括五角叶轮2、圆柱滚子6以及固定卡环5三部分。

如图1、2所示，首先，将五角叶轮2套装于隔水管1上，所述的五角叶轮2为五角形柱体，五角叶轮2存在于隔水管1同轴的中心圆孔，中心圆孔直径略大于隔水管1外径；五角叶轮2每个角上的两个侧面形状不同，一个侧面为平面，另一个侧面为内凹的弧面，五角叶轮2的外侧面由上述两种侧面交替而成；五角叶轮2每个角内均含有一个轴线平行于中心圆孔轴线的贯穿圆孔4，贯穿圆孔4连通五角叶轮2上下两个端面，必要时可以在贯穿圆孔4中添加轻质材料以增大浮力，减少隔水管的重力效应；在五角叶轮2中心圆孔内侧上下两端均设置有周向间隔45°的圆弧形插孔3，一端八个，用于安插圆柱滚子6，圆弧形插孔3的形状为3/4圆弧，沿轴向有深度小于圆柱滚子6的高度。

然后，将圆柱滚子6插入圆弧形插孔3中，所述的圆柱滚子6的数量与圆弧形插孔3的数量一致，圆柱滚子6外径小于圆弧形插孔3的圆弧部分直径；圆柱滚子6与隔水管1外切，同时与圆弧形插孔3内切；圆柱滚子6的高度大于圆弧形插孔3的深度。

最后，在五角叶轮2两端安装固定卡环5以限制其轴线方向上的运动，所述的固定卡环5由两个对称的半圆形柱体通过螺栓连接而成，如图3所示，每个半圆形柱体均为台阶形，圆柱滚子6外端面与固定卡环5内侧台阶端面接触，固定卡环5的内径与隔水管1的外径相等。

本发明的五角叶轮2由塑料模具一次加工成型，产生的浮力可以减少隔水管的重力效应。

所述的一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置可以提供一种可转五角叶轮式涡激振动抑制方法，将该装置套装在隔水管上放入海水中，任意角度来流冲击五角叶轮2后，由于五角叶轮2每个角的两个侧面形状都不一样，因此受到的冲击力不一样，从而会产生沿切向的分力，驱动五角叶轮2旋转；在五角叶轮2与圆柱滚子6的配合下，五角叶轮2能够360°自由旋转，有效破坏隔水管后方漩涡的形成，实现涡激振动的抑制。

具体实施例：

根据实际隔水管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n，则五角叶轮的个数为n，圆柱滚子的个数为16n，固定卡环的个数为2n。

在安装单个基本单元时，首先，将五角叶轮2套装于隔水管1上的合适位置；然后，将圆柱滚子6插入五角叶轮2两端的圆弧形插孔3中；再在五角叶轮2的两端安装固定卡环5，使圆柱滚子6外端面与固定卡环5内侧台阶端面接触，固定卡环5通过螺栓连接固定；至此，安装完成了一个基本单元。随后，按照同样的安装顺序安装剩余的基本单元。

装置安装完毕后，将隔水管1置于海水中。在不同深度的海水中，每个基本单元可根据对应的来流方向和流速大小，由五角叶轮2与圆柱滚子6相配合，实现五角叶轮2的自由旋转，从而破坏隔水管1后方漩涡的形成，最大程度地抑制涡激振动。

Claims (2)

1.一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置，由多个基本单元组合而成，基本单元包括圆柱滚子(6)，其特征在于，所述的基本单元还包括五角叶轮(2)和固定卡环(5)；五角叶轮(2)为五角形柱体，五角叶轮(2)存在与隔水管(1)同轴的中心圆孔，中心圆孔直径大于隔水管(1)外径；五角叶轮(2)每个角上的两个侧面形状不同，一个侧面为平面，另一个侧面为内凹的弧面，五角叶轮(2)的外侧面由上述两种侧面交替而成；五角叶轮(2)每个角内均含有一个轴线平行于中心圆孔轴线的贯穿圆孔(4)，贯穿圆孔(4)连通五角叶轮(2)上下两个端面；在五角叶轮(2)中心圆孔内侧上下两端均设置有周向间隔45°的圆弧形插孔(3)，一端八个，用于安插圆柱滚子(6)，圆弧形插孔(3)的形状为3/4圆弧，沿轴向深度小于圆柱滚子(6)的高度；圆柱滚子(6)的数量与圆弧形插孔(3)的数量一致，圆柱滚子(6)外径小于圆弧形插孔(3)的圆弧部分直径；圆柱滚子(6)与隔水管(1)外切，同时与圆弧形插孔(3)内切；圆柱滚子(6)的高度大于圆弧形插孔(3)的深度；固定卡环(5)由两个对称的半圆形柱体通过螺栓连接而成，每个半圆形柱体均为台阶形，圆柱滚子(6)外端面与固定卡环(5)内侧台阶端面接触，固定卡环(5)的内径与隔水管(1)的外径相等，以限制五角叶轮(2)在轴线方向上的移动。

2.一种可转五角叶轮式涡激振动抑制方法，其特征在于：将一种可转五角叶轮式涡激振动抑制装置套装在隔水管(1)上放入海水中，任意角度来流冲击五角叶轮(2)后，由于五角叶轮(2)每个角的两个侧面形状都不一样，因此受到的冲击力不一样，从而会产生沿切向的分力，驱动五角叶轮(2)旋转；在五角叶轮(2)与圆柱滚子(6)的配合下，五角叶轮(2)能够360°自由旋转，有效破坏隔水管后方漩涡的形成，实现涡激振动的抑制。