CN103453276B - 一种带尾桨可转分离盘的涡激振动抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带尾桨可转分离盘的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，基本单元包括带分离盘的套筒、固定环、尾桨三部分。带分离盘的套筒套装于隔水管外，两端通过固定环连接限制其轴线运动，固定环内设置滚珠配合套筒的端部环槽实现套筒的自由旋转。分离盘尾部安装尾桨，尾桨可在水流作用下不断旋转。在分离盘和尾桨的共同作用下，隔水管后方的漩涡得不到充分发展，且涡旋结构很快被破坏，从而实现涡激振动的抑制。本发明主体结构由塑料制成，节约成本，不易腐蚀和损坏，可重复使用，能够适应流向频繁变化的深海环境。
Description
技术领域
本发明属于海洋隔水管设施铺设技术领域，具体涉及一种带尾桨可转分离盘的涡激振动抑制装置及方法。
背景技术
随着对石油的需求量越来越大，海洋油气资源的开采已经逐步走向深海，大力开采深海油气资源已成为一种必然的趋势。海洋隔水管是连接海底井口和上部平台的重要部件，为钻井液提供循环通道。由于隔水管在深海作业时长细比很大，结构呈现明显的柔性特征。在复杂交替变化的海洋环境中，隔水管服役时需要长期承受海流和海浪等多种载荷的综合作用，尤其是当海流、波浪流经隔水管时，会在隔水管两侧产生交替脱落的漩涡，导致其受到横流向和顺流向的脉动流体力，使管道发生振动；同时，隔水管的振动反过来又会对流场产生影响，加剧水流对结构的危害。当漩涡的脱落频率接近或等于隔水管某一阶固有频率时，就会形成共振，引起结构的强烈振动，加剧管道的疲劳破坏。深海细长柔性隔水管系统一旦发生破坏，维修难度极大，费用极高，不仅会使海洋油气资源的开采经受巨大的经济损失，同时还会造成严重的海洋环境污染。
为了减少和防止涡激振动造成的破坏作用，通常可以在海洋隔水管上安装涡激振动抑制装置，即通过直接改变海洋隔水管表面形状或者安装额外的装置来改变流场，从而消减漩涡的形成和发展。目前已发明的海洋隔水管涡激振动抑制装置主要有螺旋列板、分离盘、整流罩、浮力块、附属圆柱等。然而，这些涡激振动抑制装置不能应对深海复杂情况，尤其是水流方向频繁变化的现实环境。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种性能可靠，现场安装方便，并能够应对任意来流方向的一种带尾桨可转分离盘的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：
一种带尾桨可转分离盘的涡激振动抑制装置由多个基本单元组合而成，所述的基本单元包括带分离盘的套筒、固定环、尾桨三部分。带分离盘的套筒包括套筒和分离盘两部分，套筒和分离盘作为一个整体一次加塑成型。套筒的内径大于隔水管的外径，套筒与隔水管同轴，从外部套装在隔水管上；套筒的上下两端均设有端部环槽，端部环槽为1/4圆弧形环槽。固定环由对称的两半环钢质构件组成，固定环的内径等于隔水管的外径，固定环沿周向等间距均匀开设8个滚珠槽，每个滚珠槽内放置1个滚珠。固定环从两侧套装在隔水管上，通过螺栓连接固定，且上下两个固定环与套筒两端的端部环槽对接，并使滚珠接触到端部环槽的弧面。悬杆两端为公螺纹，一端螺纹末端有光杆，一端螺纹末端有凸环；分离盘的尾部端面上开设有螺孔，悬杆带凸环的螺纹端与其连接，使悬杆安装固定。尾桨为整体加塑成型，由4个叶片组成，两两成90°夹角，叶片的端面形状是斜边为弧形的直角三角形；尾桨中心开有圆孔，通过圆孔将尾桨套装在悬杆的光杆段，且圆孔与悬杆同轴，圆孔内径大于悬杆的光杆外径，圆孔的高度等于光杆的长度。螺帽设有内螺纹，螺帽的直径与悬杆的凸环直径相等，与悬杆带光杆的螺纹端咬合；在螺帽与悬杆的凸环配合下，限制尾桨在悬杆轴向移动。
一种带尾桨可转分离盘的涡激振动抑制方法，在隔水管外套装带分离盘的套筒，分离盘尾部安装两个尾桨。当波浪、海流流向与分离盘存在夹角时，水流流经隔水管会在分离盘上产生冲击力，使得分离盘带动套筒整体旋转；同时，水流作用在分离盘尾部的尾桨叶片弧面上的作用力有切向的分力，能够带动尾桨旋转。分离盘带动套筒旋转到与水流方向平行后达到平衡，但分离盘平衡后，分离盘尾部的尾桨仍会在水流的作用下不停地旋转。隔水管后方的漩涡首先受到分离盘的分离作用，不能够完全发展，然后受到了持续转动尾桨的破坏作用，使漩涡迅速分散。在分离盘和尾桨的共同作用下，隔水管后方的漩涡得不到充分发展，且涡旋结构很快被破坏，从而实现了涡激振动的抑制。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明分离盘能够带动套筒自由旋转，尾桨也能够自由旋转，在分离盘和尾桨的共同作用下，有效减缓不同来流方向引发的涡激振动，适应流向频繁变化的深海环境，大大延长了隔水管的使用寿命；
2、本发明的套筒、分离盘和尾桨由塑料制造而成，不易腐蚀和损坏，可以重复使用，也可为隔水管提供一定的浮力；
3、本发明可以根据现场实际情况，调整基本单元在立管上的覆盖率及调节各基本单元之间的距离，以达到最佳的抑制效果。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图
图2为本发明固定环示意图
图3为本发明套筒端部环槽剖面示意图
图4为本发明安装后滚珠位置局部剖面示意图
图5为本发明悬杆与螺帽示意图
图6为本发明尾桨示意图
其中：1、套筒；2、分离盘；3、固定环；4、端部环槽；5、滚珠；6、尾桨；7、叶片；8、悬杆；9、螺帽；10、滚珠槽。
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。
本发明由多个基本单元组合而成，如图1所示，所述的基本单元包括带分离盘2的套筒1、固定环3（如图2所示）、尾桨6三部分。
带分离盘2的套筒1包括套筒1和分离盘2两部分，套筒1和分离盘2作为一个整体一次加塑成型。套筒1的内径大于隔水管的外径，套筒1与隔水管同轴，从外部套装在隔水管上；套筒1的上下两端均设有端部环槽4（如图3所示），端部环槽4为1/4圆弧形环槽。
固定环3由对称的两半环钢质构件组成，固定环3的内径等于隔水管的外径，固定环3周向等间距均匀开设8个滚珠槽10，每个滚珠槽10内放置1个滚珠5（如图4所示）。固定环3从两侧套装在隔水管上，通过螺栓连接固定，且上下两个固定环3与套筒1两端的端部环槽4对接，并使滚珠5接触到端部环槽4的弧面。
如图5所示，悬杆8两端为公螺纹，一端螺纹末端有光杆，一端螺纹末端有凸环；分离盘2的尾部端面上开设有螺孔，悬杆8带凸环的螺纹端与其连接，使悬杆8安装固定。
如图6所示，尾桨6为整体加塑成型，由4个叶片7组成，两两成90°夹角，叶片7的端面形状是斜边为弧形的直角三角形；尾桨6中心开有圆孔，通过圆孔将尾桨6套装在悬杆8的光杆段，且圆孔与悬杆8同轴，圆孔内径大于悬杆8的光杆外径，圆孔的高度等于光杆的长度。
螺帽9设有内螺纹，螺帽9的直径与悬杆8的凸环直径相等，与悬杆8带光杆的螺纹端咬合；在螺帽9与悬杆8的凸环配合下，限制尾桨6在悬杆8轴向移动。
一种带尾桨可转分离盘的涡激振动抑制方法，在隔水管外套装带分离盘2的套筒1，分离盘2尾部安装两个尾桨6。当波浪、海流流向与分离盘2存在夹角时，水流流经隔水管会在分离盘2上产生冲击力，使得分离盘2带动套筒1整体旋转；同时，水流作用在分离盘2尾部的尾桨6叶片7弧面上的作用力有切向的分力，能够带动尾桨6旋转。分离盘2带动套筒1旋转到与水流方向平行后达到平衡，但分离盘2平衡后，分离盘2尾部的尾桨6仍会在水流的作用下不停地旋转。隔水管后方的漩涡首先受到分离盘2的分离作用，不能够完全发展，然后受到了持续转动尾桨6的破坏作用，使漩涡迅速分散。在分离盘2和尾桨6的共同作用下，隔水管后方的漩涡得不到充分发展，且涡旋结构很快被破坏，从而实现了涡激振动的抑制。
隔水管在水下通常为几百米至上千米不等，为了确保抑制效果，可以根据实际情况，调整基本单元在隔水管上的覆盖率及调节各基本单元之间的距离，以达到理想的抑制效果。
具体实施例：
根据实际隔水管的细长比和当地海洋波浪、海流的常年统计信息，设计合理的基本单元间距和基本单元在隔水管上的覆盖率，计算出需要的基本单元个数n，即带分离盘2套筒1的个数为n，固定环3的个数为2n，滚珠5的个数为16n，尾桨6的个数为2n，悬杆8的个数为2n，螺帽9的个数为2n。
在安装单个基本单元时，首先，将所述带分离盘2的套筒1套装在隔水管上的合适位置；然后，将球形滚珠5放于固定环3的滚珠槽10内，并取两个固定环3从两侧套装在隔水管上，通过螺栓连接固定，且上下两个固定环3与套筒1两端的端部环槽4对接，并使滚珠5接触到端部环槽4的弧面；接着，将悬杆8带凸环的螺纹端与分离盘2尾部端面上开设的螺孔连接，使悬杆8安装固定；其次，通过尾桨6中心的圆孔将尾桨6套装在悬杆8的光杆段，并用螺帽9与悬杆8带光杆的螺纹端咬合；在螺帽9与悬杆8的凸环配合下，可以限制尾桨6在悬杆8的轴向移动。至此，安装完成了一个基本单元。随后，按照同样的顺序安装剩余的基本单元。
装置安装完毕后，将隔水管置于海水中。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，在水流的冲击下，由分离盘2带动套筒1整体旋转，直至分离盘2旋转到与水流方向平行后达到平衡；同时，在水流的冲击下，尾桨6会不停地旋转。隔水管后方的漩涡首先受到分离盘2的分离作用，不能够完全发展，然后受到了持续转动尾桨6的破坏作用，使漩涡迅速分散。在分离盘2和尾桨6的共同作用下，隔水管后方的漩涡得不到充分发展，且涡旋结构很快被破坏，从而实现涡激振动的抑制。
Claims (2)
1.一种带尾桨可转分离盘的涡激振动抑制装置，由多个基本单元组合而成，其特征在于：所述的基本单元包括带分离盘(2)的套筒(1)、固定环(3)、尾桨(6)三部分；带分离盘(2)的套筒(1)包括套筒(1)和分离盘(2)两部分，套筒(1)和分离盘(2)作为一个整体一次加塑成型；套筒(1)的内径大于隔水管的外径，套筒(1)与隔水管同轴，从外部套装在隔水管上；套筒(1)的上下两端均设有端部环槽(4)，端部环槽(4)为1/4圆弧形环槽；固定环(3)是由对称的两个半环组成的一个钢质构件，固定环(3)的内径等于隔水管的外径，固定环(3)周向等间距均匀开设8个滚珠槽(10)，每个滚珠槽(10)内放置1个滚珠(5)；固定环(3)从两侧套装在隔水管上，通过螺栓连接固定，且上下两个固定环(3)与套筒(1)两端的端部环槽(4)对接，并使滚珠(5)接触到端部环槽(4)的弧面；悬杆(8)两端为公螺纹，一端螺纹末端有光杆，一端螺纹末端有凸环；分离盘(2)的尾部端面上开设有螺孔，悬杆(8)带凸环的螺纹端与其连接，使悬杆(8)安装固定；尾桨(6)为整体加塑成型，由4个叶片(7)组成，两两成90°夹角，叶片(7)的端面形状是斜边为弧形的直角三角形；尾桨(6)中心开有圆孔，通过圆孔将尾桨(6)套装在悬杆(8)的光杆段，且圆孔与悬杆(8)同轴，圆孔内径大于悬杆(8)的光杆外径，圆孔的高度等于光杆的长度；螺帽(9)设有内螺纹，螺帽(9)的直径与悬杆(8)的凸环直径相等，与悬杆(8)带光杆的螺纹端咬合；在螺帽(9)与悬杆(8)的凸环配合下，限制尾桨(6)在悬杆(8)轴向移动。
2.一种带尾桨可转分离盘的涡激振动抑制方法，其特征在于：在隔水管外套装带分离盘(2)的套筒(1)，分离盘(2)尾部安装两个尾桨(6)；当波浪、海流流向与分离盘(2)存在夹角时，水流流经隔水管会在分离盘(2)上产生冲击力，使得分离盘(2)带动套筒(1)整体旋转；同时，水流作用在分离盘(2)尾部的尾桨(6)叶片(7)弧面上的作用力有切向的分力，能够带动尾桨(6)旋转；分离盘(2)带动套筒(1)旋转到与水流方向平行后达到平衡，但分离盘(2)平衡后，分离盘(2)尾部的尾桨(6)仍会在水流的作用下不停地旋转；隔水管后方的漩涡首先受到分离盘(2)的分离作用，不能够完全发展，然后受到了持续转动尾桨(6)的破坏作用，使漩涡迅速分散；在分离盘(2)和尾桨(6)的共同作用下，隔水管后方的漩涡得不到充分发展，且涡旋结构很快被破坏，从而实现了涡激振动的抑制。
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