CN104747098A - 一种海洋立管涡激振动抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海洋立管涡激振动抑制装置，安装在海洋立管上，包括V形前端面板和尾鳍式整流罩，所述V形前端面板安装在海洋立管上面对洋流流向的一面，所述尾鳍式整流罩安装在海洋立管上背对洋流流向的一面；所述V形前端面板的横截面呈V形，并且与所述海洋立管的表面相切。本发明的有益效果是：在V形前端面板上安装的V形翼板，可以随着水流做小幅度的摆动，引导来流分散的同时，可以降低来流对海洋立管的阻力，有效抑制涡激振动使升力大大减小，提高了立管的疲劳寿命；该涡激振动抑制装置结构简单，可分块化便于加工和安装。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种海洋立管涡激振动抑制装置，属于海洋石油钻采装备技术领域。
背景技术
由于生产需要，海洋石油工业正在向着更深的海域建造生产系统。随着水深的增加，传统固定式的平台已经不能适应这种深海工程要求，取而代之的是FPSO、半潜式平台、张力腿平台和Spar平台等。其中，FPSO(Floating Production Storage and Offloading)即浮式生产储油卸油装置，可对原油进行初步加工并储存，被称为"海上石油工厂"；半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台，是大部分浮体没于水面下的一种小水线面的移动式钻井平台，从坐底式钻井平台演变而来；spar平台即为单柱式平台。
不论何种平台，海洋立管是不可避免的，它连接海底管道资源与海上作业平台，进行钻探、导液、导泥工作。当波浪和海流流经立管时，在一定的流速条件下，可在立管两侧交替地形成强烈的漩涡，漩涡脱落会对立管产生一个周期性的可变力，使得立管在与流向垂直方向上发生横向振动，即涡激振动；结构的振动反过来又对流场产生影响，使漩涡增强，阻力增加，这种涡激振动是小尺度部件流固耦合现象的具体体现。
除了横向振动外，流体阻力可使立管沿流动方向发生纵向振动，不过在一般情况下，纵向振动比横向振动幅值小。当漩涡脱落频率与立管固有频率接近时，将引起立管的强烈振动，漩涡的脱落过程将被结构的振动所控制，从而使漩涡的脱落和管道的振动具有相同的频率，发生“锁定”(lock－in)现象。
在今天的海洋石油开采中，出于经济和灵活性的考虑，经常会一个平台连接多个管线，例如紧密排列的顶张式立管，在海流的作用下，产生的涡激振动，以及旁边立管的尾流干涉，将对立管的运动产生很大的影响。相对于单立管的涡激振动，多立管间的尾流干涉使得立管涡激振动变得更为复杂多变，这种复杂的尾流干涉下的涡激振动，易加剧立管的疲劳破坏。为减少涡激振动对立管的损害，对涡激振动进行研究并找出有效的抑制措施是很有必要的。
抑制柱体涡激振动的方法分为两类:主动控制和被动控制措施。根据被动控制措施的机理，将被动控制方法分为3类：
(1)表面突起，影响分离线或分离剪切层，如螺纹、线条、翼片、螺栓和半球面等；
(2)裹覆，影响卷吸层，如穿孔、丝网、控制杆和轴向板条等；
(3)近尾流稳定器，阻止卷吸层的相互作用，如飘带、整流罩、分隔板、导向翼、底排和狭缝等。
尤其是，目前国内外对海洋立管涡激振动的抑振装置研究主要是针对单个立管，而没有考虑立管群之间的尾流干涉作用,实际上尾流的干涉使得涡激振动变得更为复杂。过去发明了很多涡激振动抑制装置，但是这些抑制装置不一定在尾流干涉的情况下适用，而且还有可能有害。
发明内容
本发明的目的是提供一种海洋立管涡激振动抑制装置，不仅适用于单个立管，而且适用于立管群，尤其在尾流干涉的情况下能够有效抑制立管涡激振动；进一步地，该抑制装置制造简单、安装方便。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：
一种海洋立管涡激振动抑制装置，安装在海洋立管上，包括V形前端面板和尾鳍式整流罩，所述V形前端面板安装在海洋立管上面对洋流流向的一面，所述尾鳍式整流罩安装在海洋立管上背对洋流流向的一面；所述V形前端面板的横截面呈V形，并且与所述海洋立管的表面相切；所述尾鳍式整流罩的横截面结构为尾鳍形状，包括位于两侧的内凹的侧板和与两个侧板相接的后板。
优选地，所述V形前端面板的V形顶端的外表面包括至少一个弧形结构，弧形结构的圆心处安装有横向设置的转轴，并在转轴上安装有V形翼板，所述V形翼板的内角与所述弧形结构配合，使所述V形翼板可以绕转轴转动。
优选地，V形翼板设置成在弧形结构的水平方向±15°的扇形区域以转轴为轴心的回转体，使所述V形翼板可以绕转轴做小幅度转动；优选地，在所述转轴后侧的方向上的V形翼板与所述V形前端面板的表面之间设置倾角，以利于V形翼板的转动；更优选地，在所述转轴后侧的方向上的V形翼板与所述V形前端面板的表面之间呈3-5°倾角，使所述V形翼板在转动的过程中，其尾部不会与V形前端面板碰撞。
优选地，尾鳍式整流罩的侧板内凹呈弧形，后板与两个侧板相接且内凹呈弧形。
优选地，所述V形翼板的前端为圆弧形，后端边缘为直线形，所述V形翼板的厚度沿着边缘向内侧逐渐增大。
优选地，所述V形翼板为对称结构，即所述V形翼板对称分布在所述V形前端面板的两侧。
优选地，所述V形翼板在所述V形前端面板的投影为中间鼓两端尖的机翼形。
优选地，所述转轴后侧的V形翼板的长度大于所述转轴前侧的V形翼板的长度；优选地，所述转轴后侧的V形翼板的长度是所述转轴前侧的V形翼板的长度的2倍以上。
优选地，两个所述侧板分别与海洋立管相切，所述后板与两个所述侧板相切，并且侧板和后板的外表面均为光滑表面。
优选地，所述尾鳍式整流罩为对称结构，并且与所述V形前端面板、海洋立管一起形成鱼形对称结构。
本发明的有益效果是：
1、在V形前端面板上安装的V形翼板，可以随着水流做小幅度的摆动，引导来流分散的同时，可以降低来流对海洋立管的阻力；上下起伏呈波形的翼板，可以形成不同流体通道，扰乱轴向的海洋立管表面流场；
2、利用V形前端面板和尾鳍式整流罩，结合V形翼板的设置，尤其可以减小上游立管尾流的影响；
3、使固体面不发生流固界面分离和倒流，有效抑制涡激振动，使升力大大减小，大大提高了立管的疲劳寿命；
4、鱼尾鳍等外形特征改变了在尾流干涉下钝体立管来流状态、表面流动状态以及钝体立管的尾流流态，避免在立管表面回流的产生和剪切层的分离，故可以抑制横向力和立管的横向振动；
5、该涡激振动抑制装置结构简单，可分块化便于加工和安装。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的主视示意图；
图2为本发明的左视示意图；
图3为本发明的俯视示意图；
图4为安装抑制装置前升力系数图谱；
图5为安装抑制装置后升力系数图谱；
图6为安装涡激振动抑制装置的下游立管周围流场速度矢量图。
图中：1、海洋立管；2、V形前端面板；21、弧形结构；22、转轴；23、V形翼板；29、倾角；3、尾鳍式整流罩；31、侧板；32、后板。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合附图说明本发明的一个优选实施例。
如图1-图3所示，本实施例中，一种海洋立管涡激振动抑制装置，安装在海洋立管1上，包括V形前端面板2和尾鳍式整流罩3，V形前端面板2相当于鱼首，所述V形前端面板2安装在海洋立管1上面对洋流流向的一面，所述尾鳍式整流罩3安装在海洋立管1上背对洋流流向的一面；所述V形前端面板2的横截面呈V形，并且与所述海洋立管1的表面相切。
优选地，V形前端面板2由两个板组成；两个板左右对称，与立管相切连接。
尾鳍式整流罩3的横截面结构为尾鳍形状，由位于两侧的侧板31即鳍身板和与两个侧板31相接的后板32即鳍尾板组成；尾鳍式整流罩外形为两端大中间稍细。
优选地，尾鳍式整流罩3的侧板内凹呈弧形，与两个侧板31相接的后板32内凹呈弧形。采用尾鳍形状的尾鳍式整流罩3，可以有效的抑制涡激振动。
优选地，所述V形前端面板2的V形顶端的外表面有至少一个弧形结构21，优选为多个连续的弧形结构21。弧形结构21的圆心处安装有横向设置的转轴22，并在转轴22上安装有V形翼板23，所述V形翼板23的内角与所述弧形结构21配合，使得V形翼板23可以转轴为轴心转动。
优选地，V形翼板23可以绕转轴22做小幅度旋转；更优选地，V形翼板23设置成在弧形结构21的水平方向±15°的扇形区域以转轴为轴心的回转体。
进一步优选地，在所述转轴22后侧的方向上的V形翼板23与所述V形前端面板2的表面之间设置3-5°倾角29，使所述V形翼板23在旋转的过程中，其尾部不会与V形前端面板2碰撞。
优选地，为更好地减小紊流的产生，减少水流冲击，所述V形翼板23的前端为圆弧形，后端边缘为直线形，所述V形翼板23的厚度沿着边缘向内侧逐渐增大。利用V形翼板23前端的圆弧形结构，可以使V形翼板23承受多个角度的来流方向，不仅包括正面的来流，还包括斜侧面的来流，都可以被V形翼板23进行引流疏导；而后端采用直线形的结构，使V形翼板23减少对来流的干扰的作用，降低V形翼板23对流体的阻力；而所述V形翼板23的厚度沿着边缘向内侧逐渐增大的设计，则可以使其更接近于机翼形状，流体经过V形翼板23时，保证V形翼板23的稳定性。
所述V形翼板23为对称结构，即所述V形翼板23对称的分布在所述V形前端面板的两侧；同时，由于V形翼板23与海洋立管1垂直设置，海洋立管竖直安装，V形翼板23水平布置，这样可以保证经过V形翼板23的流体，被分流成上下两部分，每一部分形成自己的流向，上下相邻两个V形翼板23之间形成一个方向一致的层流，当流体经过多个V形翼板23时，被V形翼板切割成若干个层流，减少了紊流的发生，能够有效的抑制涡激振动。
优选地，所述V形翼板23在所述V形前端面板的投影为机翼形(参见图2)，这样流体经过V形翼板23时，保证V形翼板23的稳定性达到最佳效果。
优选地，所述转轴22后侧的V形翼板23的长度远大于所述转轴22前侧的V形翼板23的长度，这样有利于使V形翼板23随着水流进行微小角度的波动，使V形翼板23的导向更为灵活。
更优选地，所述转轴22后侧的V形翼板23的长度是所述转轴22前侧的V形翼板23的长度的2倍以上，这样设置可以实现V形翼板23最佳的灵活性的同时，使所述V形翼板23的结构布局也更为合理。
优选地，流场采用多根立管串联布置，下游立管在上游立管尾流区。本发明装置沿着顺流方向被安装在下游立管上。优选地，流场数值模型如图所示，前端距上游立管为10D，后端距下游立管为36D，左右边距立管为10D，整个流场高度为10D；用LES湍流模型计算得到尾流区安装鱼尾鳍型涡激振动抑制装置前后，立管升力系数图如图所示。可知，由于受上游立管尾流干扰下游立管升阻力系数变化不再是单一频率振荡而是多个低频振荡，安装抑制装置前后升力系数大大减小。
优选地，如果水下立管长径比很大，可在其上每隔一段装置上述涡激振动抑制装置，每段所述抑制装置长度可取6D-10D。
可选地，本装置以立管圆心和后板32的圆心连线所在直线为依据，将该直线左右各旋转60°，此时直线与立管外轮廓的交点为所需接触点。尾鳍式整流罩鳍身通过螺栓在接触点处与立管连接。后板通过螺栓固定在左右侧板上。鱼尾鳍式整流罩内部用固定垫填充。优选地，左右侧板31在立管左右两侧60°处与立管相切，并通过螺母和固定卡套固定在立管上。左右侧板的外轮廓为向内凹陷的弧，所在圆半径为1.5D。外轮廓弧长为1.57D。
优选地，左右鳍身的轮廓为向内凹陷的弧型板并且关于立管中剖面对称；鱼尾鳍式整流罩与立管相切连接，接触点在立管壁面流体与立管分离之前。优选地，鱼前身和鱼尾鳍式整流罩可通过固定垫片连接。
优选地，后板为凹陷型弧，弧所在圆半径为D(D为立管直径)并且关于立管中剖面对称；圆心在立管的中剖面上距离立管中轴线为1.5D。后板的凹陷型弧底部距离立管为0.5D，凹陷型弧长为0.52D。鳍尾与左右鳍身相切连接。后板与左右侧板相切连接并通过螺母固定。
图4为安装抑制装置前升力系数图谱；图5为安装抑制装置后升力系数图谱。其中，纵轴CI表示升力系数，横轴表示流动时间，为升力系数收敛记录。可以明显看出，安装抑制装置(无V形翼板)后的横向力明显减小，由于受上游立管尾流干扰下游立管升力系数变化不再是单一频率振荡而是多个低频振荡，与基于LES方法三维瞬态圆柱绕流数值模拟结论一致。
图6是安装涡激振动抑制装置的下游立管周围流场速度矢量图，从图上看出速度漩涡中心点形成在尾鳍型抑制装置尾角处远离立管表面，立管表面不再有回流的产生和边界层的脱离，抑制横向力和立管的横向振动。
本发明的有益效果是：在V形前端面板上安装的V形翼板，可以随着水流做小幅度的摆动，引导来流分散的同时，可以降低来流对海洋立管的阻力；鱼尾鳍等外形特征改变在尾流干涉下原来钝体立管的来流流态和尾流流态，减小了在立管表面回流的产生和剪切层的分离，故可以抑制横向力和立管的横向振动；尤其是，利用V形前端面板和尾鳍式整流罩结合V形翼板作用，可以减小上游海洋立管尾流的影响；该涡激振动抑制装置结构简单，可分块化便于加工和安装。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海洋立管涡激振动抑制装置，安装在海洋立管上，包括V形前端面板和尾鳍式整流罩，其特征在于，所述V形前端面板安装在海洋立管上面对洋流流向的一面，所述尾鳍式整流罩安装在海洋立管上背对洋流流向的一面；所述V形前端面板的横截面呈V形，并且与所述海洋立管的表面相切；所述尾鳍式整流罩的横截面结构为尾鳍形状，包括位于两侧的内凹的侧板和与两个侧板相接的后板。
2.如权利要求1所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，所述V形前端面板的V形顶端的外表面包括至少一个弧形结构，弧形结构的圆心处安装有横向设置的转轴，并在转轴上安装有V形翼板，所述V形翼板的内角与所述弧形结构配合，使所述V形翼板可以绕转轴转动。
3.如权利要求1或2所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，V形翼板设置成在弧形结构的水平方向±15°的扇形区域以转轴为轴心的回转体，使所述V形翼板可以绕转轴做小幅度转动；优选地，在所述转轴后侧的方向上的V形翼板与所述V形前端面板的表面之间设置倾角，以利于V形翼板的转动；更优选地，在所述转轴后侧的方向上的V形翼板与所述V形前端面板的表面之间呈3-5°倾角，使所述V形翼板在转动的过程中，其尾部不会与V形前端面板碰撞。
4.如权利要求1-3任一所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，尾鳍式整流罩的侧板内凹呈弧形，后板与两个侧板相接且内凹呈弧形。
5.如权利要求1-4任一所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，所述V形翼板的前端为圆弧形，后端边缘为直线形，所述V形翼板的厚度沿着边缘向内侧逐渐增大。
6.如权利要求1-5任一所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，所述V形翼板为对称结构，即所述V形翼板对称分布在所述V形前端面板的两侧。
7.如权利要求1-6任一所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，所述V形翼板在所述V形前端面板的投影为中间鼓两端尖的机翼形。
8.如权利要求1-7任一所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，所述转轴后侧的V形翼板的长度大于所述转轴前侧的V形翼板的长度；优选地，所述转轴后侧的V形翼板的长度是所述转轴前侧的V形翼板的长度的2倍以上。
9.如权利要求1-8任一所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，两个所述侧板分别与海洋立管相切，所述后板与两个所述侧板相切，并且侧板和后板的外表面均为光滑表面。
10.如权利要求1-9任一所述的一种海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于，所述尾鳍式整流罩为对称结构，并且与所述V形前端面板、海洋立管一起形成鱼形对称结构。
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