CN105863526B - 一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置及方法，装置由中心轴承、套筒单元、摆动单元组成。中心轴承套装在立管外壁，负责带动整个套筒单元、摆动单元的旋转。套筒单元的支撑孔板负责固定摆动孔板转轴，且其过流筛孔对旋涡的形成起破坏作用，套筒单元的限位弹簧负责限制三板转轴的位移，以控制整个摆动单元的转动幅度。摆动单元的摆动孔板可绕摆动孔板转轴转动，尾翼板可绕三板转轴转动。在支撑孔板、摆动孔板与尾翼板的共同作用下，破坏了旋涡的形成、脱落和发展全过程，实现了涡激振动的抑制。
Description
技术领域
本发明属于海洋立管安全服役技术领域，具体涉及一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置及方法。
背景技术
面对能源需求的加大和陆上已探明油气资源的过度开采，大力开发海洋油气资源已成为调整我国能源供给结构和缓解能源危机的战略目标。海洋油气勘探开发必然涉及到海洋立管、隔水管和海底管道等大量管线，这些管线的造价占整个海洋钻采系统造价的一半以上。其中，立管是海洋油气开采时连接水下油气井口与水面设施的纽带，保障其安全服役是海洋安全作业的关键。立管长期处于海洋风、浪、流复杂多变的恶劣环境，当海流、波浪流经立管时，会在立管后部产生逆压梯度，导致立管壁面的边界层分离，并形成旋涡，旋涡的形成和脱落改变了立管表面的流速分布和立管前后的压力分布，诱发了立管的振动。特别是旋涡脱落频率与立管固有频率相当时，还会引发共振，加速立管疲劳损坏。一旦立管破损，不仅延长作业周期，增加作业成本，还恶化海洋局部环境。随着海洋油气开采水深的增加，立管的涡激振动愈加剧烈。因此，减少立管的涡激振动是海洋油气勘探开发技术人员关注的焦点。
目前，涡激振动抑制装置主要分被动抑制与主动抑制。主动抑制实时监测流场与结构受力，通过计算机自动调节控制，注入能量将外部扰动引入流场从而破坏旋涡脱落。被动抑制主要依靠改变表面形状或增加额外装置，通过引流、破坏尾流旋涡或者改变边界层分离点实现振动抑制效果。但主动抑制需要借助外部能量扰乱流场，而现有的被动抑制装置大多无法根据来流方向与海流强度自适应调节。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置及方法。
一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置由中心轴承、套筒单元、摆动单元组成。中心轴承有两个，按间隔一个套筒高度分别套装在立管外壁，通过螺栓固定；中心轴承内圈固定于立管外壁，中心轴承外圈可绕内圈旋转，且外圈外壁加工有公螺纹。
套筒单元由套筒、长支撑孔板、短支撑孔板、摆动孔板转轴、三板转轴、限位弹簧组成。套筒为圆筒形，套装在两个中心轴承外侧，套筒内壁对应中心轴承的位置处加工有母螺纹，套筒与中心轴承通过螺纹衔接固定。长支撑孔板与短支撑孔板为矩形孔板，均匀开有圆形过流筛孔；长支撑孔板、短支撑孔板的一侧边壁沿平行于套筒轴向焊接在套筒外壁，且与套筒壁面垂直，长支撑孔板、短支撑孔板垂直于套筒壁的边界延长线过套筒圆心。长支撑孔板、短支撑孔板远离套筒的另一侧边壁均焊接有圆柱形摆动孔板转轴，摆动孔板转轴轴线与套筒轴线平行，摆动孔板转轴壁上、下开有两个圆弧滑道，圆弧滑道为圆弧状，圆弧滑道一端开有T形滑块入口。在套筒外壁长支撑孔板与短支撑孔板之间的中分线由上而下焊接有三根等间距限位弹簧，限位弹簧轴线垂直于套筒壁，三根限位弹簧另一端焊接有圆柱形三板转轴。三板转轴轴线与套筒轴线平行，三板转轴壁上开有上、中、下三个圆弧滑道，其中上、下两个圆弧滑道与摆动孔板转轴的上、下两个圆弧滑道处于同一高度。
摆动单元由长摆动孔板、短摆动孔板、上尾翼板、下尾翼板组成。长摆动孔板、短摆动孔板亦为均匀开有圆形过流筛孔的矩形孔板，其两侧边壁均设有上、下两个T形旋转滑块，T形旋转滑块端头高度与T形滑块入口高度一致，上、下两个旋转滑块位置与摆动孔板转轴上的圆弧滑道平齐。上尾翼板底边开有连接插槽，下尾翼板顶边设有连接插条，连接插条与连接插槽对接，并通过螺栓紧固，使上尾翼板与下尾翼板合为一整块尾翼板。上尾翼板与三板转轴连接一侧边壁设有虎口卡环和旋转滑块，虎口卡环顶面与上尾翼板顶边齐平，其高度与三板转轴顶面至上圆弧滑道顶边的距离相等，上尾翼板的旋转滑块底面与上尾翼板底面齐平，且上尾翼板的旋转滑块位置与三板转轴的中圆弧滑道位置对应。下尾翼板与三板转轴连接一侧边壁设有虎口卡环，虎口卡环底面与下尾翼板底边齐平，其高度与三板转轴底面至下圆弧滑道底边距离相等。
所述的长支撑孔板、短支撑孔板、长摆动孔板、短摆动孔板、摆动孔板转轴、三板转轴高度均等于套筒高度。所述的上尾翼板与下尾翼板组成的整块尾翼板高度与套筒高度相等。
所述的限位弹簧自由状态时的长度为短支撑孔板垂直于套筒壁的边长的1/3～1/2。
所述的长支撑孔板与短支撑孔板之间的夹角θ为90～120°。
利用所述的可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置可以实现一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制方法。安装有可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置的立管处于海流中时，海水绕过立管首先冲击在长支撑孔板与短支撑孔板上，产生水流冲击力，带动套筒单元与摆动单元转动，使它们转至立管背流侧。近立管壁面的绕流海水需从长支撑孔板与短支撑孔板的过流筛孔通过，绕流边界层和尾流剪切层受到影响，旋涡的形成得到了抑制。穿过长支撑孔板与短支撑孔板的尾流对长摆动孔板和短摆动孔板产生冲击，推动它们绕各自的摆动孔板转轴转动，且海水从长摆动孔板与短摆动孔板的过流筛孔穿过，对立管尾迹区产生扰动，破坏了旋涡的脱落。限位弹簧限制了长摆动孔板和短摆动孔板的位移，当海流速度改变时，限位弹簧可以调整长摆动孔板和短摆动孔板的转动幅度。穿过长摆动孔板和短摆动孔板的紊动尾流驱动尾翼板绕三板转轴转动，尾翼板的摆动破坏了旋涡的发展。在支撑孔板、摆动孔板与尾翼板的共同作用下，破坏了旋涡的形成、脱落和发展全过程，进而实现涡激振动的抑制。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1、本发明装置可根据海流方向和大小自适应调节旋转、摆动幅度，增强抑制效果。
附图说明
图1为本发明装置的立体结构示意图
图2为本发明装置中心轴承与套筒单元示意图
图3为本发明装置套筒单元与摆动单元示意图
图4为本发明装置三板转轴与长摆动孔板、短摆动孔板示意图
图5为本发明装置三板转轴与上尾翼板、下尾翼板示意图
其中：1、立管；2、中心轴承；3、套筒；4、长支撑孔板；5、长摆动孔板；6、短支撑孔板；7、短摆动孔板；8下尾翼板；9、上尾翼板；10、摆动孔板转轴；11、三板转轴；12、限位弹簧；13、过流筛孔；14、圆弧滑道；15、滑块入口；16、旋转滑块；17、虎口卡环；18、连接插条；19、连接插槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
如图1所示，一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置由中心轴承2、套筒单元、摆动单元组成。如图2所示，中心轴承2有两个，按间隔一个套筒3高度分别套装在立管1外壁，通过螺栓固定；中心轴承2内圈固定于立管1外壁，中心轴承2外圈可绕内圈旋转，且外圈外壁加工有公螺纹。
如图2所示，套筒单元由套筒3、长支撑孔板4、短支撑孔板6、摆动孔板转轴10、三板转轴11、限位弹簧12组成。套筒3为圆筒形，套装在两个中心轴承2外侧，套筒3内壁对应中心轴承2的位置处加工有母螺纹，套筒3与中心轴承2通过螺纹衔接固定。长支撑孔板4与短支撑孔板6为矩形孔板，均匀开有圆形过流筛孔13；长支撑孔板4、短支撑孔板6的一侧边壁沿平行于套筒3轴向焊接在套筒3外壁，且与套筒3壁面垂直，长支撑孔板4、短支撑孔板6垂直于套筒3壁的边界延长线过套筒3圆心。长支撑孔板4、短支撑孔板6远离套筒3的另一侧边壁均焊接有圆柱形摆动孔板转轴10，摆动孔板转轴10轴线与套筒3轴线平行，摆动孔板转轴10壁上、下开有两个圆弧滑道14，圆弧滑道14为圆弧状，圆弧滑道14一端开有T形滑块入口15。在套筒3外壁长支撑孔板4与短支撑孔板6之间的中分线由上而下焊接有三根等间距限位弹簧12，限位弹簧12轴线垂直于套筒3壁，三根限位弹簧12另一端焊接有圆柱形三板转轴11。三板转轴11轴线与套筒3轴线平行，三板转轴11壁上开有上、中、下三个圆弧滑道14，其中上、下两个圆弧滑道14与摆动孔板转轴10的上、下两个圆弧滑道14处于同一高度。
如图3、4、5所示，摆动单元由长摆动孔板5、短摆动孔板7、上尾翼板9、下尾翼板8组成。如图4所示，长摆动孔板5、短摆动孔板7亦为均匀开有圆形过流筛孔13的矩形孔板，其两侧边壁均设有上、下两个T形旋转滑块16，T形旋转滑块16端头高度与T形滑块入口15高度一致，上、下两个旋转滑块16位置与摆动孔板转轴10上的圆弧滑道14平齐。如图5所示，上尾翼板9底边开有连接插槽19，下尾翼板8顶边设有连接插条18，连接插条18与连接插槽19对接，并通过螺栓紧固，使上尾翼板9与下尾翼板8合为一整块尾翼板。上尾翼板9与三板转轴11连接一侧边壁设有虎口卡环17和旋转滑块16，虎口卡环17顶面与上尾翼板9顶边齐平，其高度与三板转轴11顶面至上圆弧滑道14顶边的距离相等，上尾翼板9的旋转滑块16底面与上尾翼板9底面齐平，且上尾翼板9的旋转滑块16位置与三板转轴11的中圆弧滑道14位置对应。下尾翼板8与三板转轴11连接一侧边壁设有虎口卡环17，虎口卡环17底面与下尾翼板8底边齐平，其高度与三板转轴11底面至下圆弧滑道14底边距离相等。
所述的长支撑孔板4、短支撑孔板6、长摆动孔板5、短摆动孔板7、摆动孔板转轴10、三板转轴11高度均等于套筒3高度。所述的上尾翼板9与下尾翼板8组成的整块尾翼板高度与套筒3高度相等。
所述的限位弹簧12自由状态时的长度为短支撑孔板6垂直于套筒3壁的边长的1/3～1/2。
所述的长支撑孔板4与短支撑孔板6之间的夹角θ为90～120°。
利用所述的可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置可以实现一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制方法。安装有可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置的立管1处于海流中时，海水绕过立管1首先冲击在长支撑孔板4与短支撑孔板6上，产生水流冲击力，带动套筒单元与摆动单元转动，使它们转至立管1背流侧。近立管1壁面的绕流海水需从长支撑孔板4与短支撑孔板6的过流筛孔13通过，绕流边界层和尾流剪切层受到影响，旋涡的形成得到了抑制。穿过长支撑孔板4与短支撑孔板6的尾流对长摆动孔板5和短摆动孔板7产生冲击，推动它们绕各自的摆动孔板转轴10转动，且海水从长摆动孔板5与短摆动孔板7的过流筛孔13穿过，对立管1尾迹区产生扰动，破坏了旋涡的脱落。限位弹簧12限制了长摆动孔板5和短摆动孔板7的位移，当海流速度改变时，限位弹簧12可以调整长摆动孔板5和短摆动孔板7的转动幅度。穿过长摆动孔板5和短摆动孔板7的紊动尾流驱动尾翼板绕三板转轴11转动，尾翼板的摆动破坏了旋涡的发展。在支撑孔板、摆动孔板与尾翼板的共同作用下，破坏了旋涡的形成、脱落和发展全过程，进而实现涡激振动的抑制。
实施例：
实际安装时，先在立管1外壁间隔一个套筒3高度的位置安装上、下两个中心轴承2，然后将套筒3套装在中心轴承2外侧，通过螺纹紧固于中心轴承2外圈。接着，将长摆动孔板5和短摆动孔板7一端的上、下旋转滑块16分别从长支撑孔板4和短支撑孔板6连接的摆动孔板转轴10的上、下圆弧滑道14的滑块入口15嵌入，使得长摆动孔板5和短摆动孔板7都可以绕相应的摆动孔板转轴10转动。然后，将下尾翼板8顶边的连接插条18插入上尾翼板9的连接插槽19，并通过螺栓紧固，使上尾翼板9与下尾翼板8合为一整块尾翼板。将上尾翼板9的旋转滑块16从三板转轴11的中圆弧滑道14的滑块入口15嵌入，并使上尾翼板9的虎口卡环17和下尾翼板8的虎口卡环17卡套于三板转轴11。最后，将长摆动孔板5和短摆动孔板7另一端的上、下旋转滑块16从三板转轴11的上、下圆弧滑道14的滑块入口15嵌入。
安装完成后，将装置至于海流中，海水首先冲击在长支撑孔板4与短支撑孔板6上，产生水流冲击力，带动套筒单元与摆动单元转动，使它们转至立管1背流侧。近立管1壁面的绕流海水需从长支撑孔板4与短支撑孔板6的过流筛孔13通过，绕流边界层和尾流剪切层受到影响，旋涡的形成得到了抑制。穿过长支撑孔板4与短支撑孔板6的尾流对长摆动孔板5和短摆动孔板7产生冲击，推动它们绕各自的摆动孔板转轴10转动，且海水从长摆动孔板5与短摆动孔板7的过流筛孔13穿过，对立管1尾迹区产生扰动，破坏了旋涡的脱落。限位弹簧12限制了长摆动孔板5和短摆动孔板7的位移，当海流速度改变时，限位弹簧12可以调整长摆动孔板5和短摆动孔板7的转动幅度。穿过长摆动孔板5和短摆动孔板7的紊动尾流驱动尾翼板绕三板转轴11转动，尾翼板的摆动破坏了旋涡的发展。在支撑孔板、摆动孔板与尾翼板的共同作用下，破坏了旋涡的形成、脱落和发展全过程，进而实现涡激振动的抑制。
Claims (5)
1.一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置，其特征在于：由中心轴承(2)、套筒单元、摆动单元组成；中心轴承(2)有两个，按间隔一个套筒(3)高度分别套装在立管(1)外壁，通过螺栓固定，中心轴承(2)内圈固定于立管(1)外壁，中心轴承(2)外圈可绕内圈旋转，且外圈外壁加工有公螺纹；套筒单元由套筒(3)、长支撑孔板(4)、短支撑孔板(6)、摆动孔板转轴(10)、三板转轴(11)、限位弹簧(12)组成；套筒(3)为圆筒形，套装在两个中心轴承(2)外侧，套筒(3)内壁对应中心轴承(2)的位置处加工有母螺纹，套筒(3)与中心轴承(2)通过螺纹衔接固定；长支撑孔板(4)与短支撑孔板(6)为矩形孔板，均匀开有圆形过流筛孔(13)，长支撑孔板(4)、短支撑孔板(6)的一侧边壁沿平行于套筒(3)轴向焊接在套筒(3)外壁，且与套筒(3)壁面垂直，长支撑孔板(4)、短支撑孔板(6)垂直于套筒(3)壁的边界延长线过套筒(3)圆心；长支撑孔板(4)、短支撑孔板(6)远离套筒(3)的另一侧边壁均焊接有圆柱形摆动孔板转轴(10)，摆动孔板转轴(10)轴线与套筒(3)轴线平行，摆动孔板转轴(10)壁上、下开有两个圆弧滑道(14)，圆弧滑道(14)为圆弧状，圆弧滑道(14)一端开有T形滑块入口(15)；在套筒(3)外壁长支撑孔板(4)与短支撑孔板(6)之间的中分线由上而下焊接有三根等间距限位弹簧(12)，限位弹簧(12)轴线垂直于套筒(3)壁，三根限位弹簧(12)另一端焊接有圆柱形三板转轴(11)；三板转轴(11)轴线与套筒(3)轴线平行，三板转轴(11)壁上开有上、中、下三个圆弧滑道(14)，其中上、下两个圆弧滑道(14)与摆动孔板转轴(10)的上、下两个圆弧滑道(14)处于同一高度；摆动单元由长摆动孔板(5)、短摆动孔板(7)、上尾翼板(9)、下尾翼板(8)组成；长摆动孔板(5)、短摆动孔板(7)亦为均匀开有圆形过流筛孔(13)的矩形孔板，其两侧边壁均设有上、下两个T形旋转滑块(16)，T形旋转滑块(16)端头高度与T形滑块入口(15)高度一致，上、下两个旋转滑块(16)位置与摆动孔板转轴(10)上的圆弧滑道(14)平齐；上尾翼板(9)底边开有连接插槽(19)，下尾翼板(8)顶边设有连接插条(18)，连接插条(18)与连接插槽(19)对接，并通过螺栓紧固，使上尾翼板(9)与下尾翼板(8)合为一整块尾翼板；上尾翼板(9)与三板转轴(11)连接一侧边壁设有虎口卡环(17)和旋转滑块(16)，虎口卡环(17)顶面与上尾翼板(9)顶边齐平，虎口卡环(17)高度与三板转轴(11)顶面至上圆弧滑道(14)顶边的距离相等，上尾翼板(9)的旋转滑块(16)底面与上尾翼板(9)底面齐平，且上尾翼板(9)的旋转滑块(16)位置与三板转轴(11)的中圆弧滑道(14)位置对应；下尾翼板(8)与三板转轴(11)连接一侧边壁设有虎口卡环(17)，虎口卡环(17)底面与下尾翼板(8)底边齐平，虎口卡环(17)高度与三板转轴(11)底面至下圆弧滑道(14)底边距离相等。
2.如权利要求1所述的可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置，其特征在于：长支撑孔板(4)、短支撑孔板(6)、长摆动孔板(5)、短摆动孔板(7)、摆动孔板转轴(10)、三板转轴(11)高度均等于套筒(3)高度；上尾翼板(9)与下尾翼板(8)组成的整块尾翼板高度与套筒(3)高度相等。
3.如权利要求1所述的可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置，其特征在于：限位弹簧(12)自由状态时的长度为短支撑孔板(6)垂直于套筒(3)壁的边长的1/3～1/2。
4.如权利要求1所述的可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置，其特征在于：长支撑孔板(4)与短支撑孔板(6)之间的夹角θ为90～120°。
5.一种可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制方法，采用如权利要求1所述的可旋伸缩尾摆式立管涡激振动抑制装置，其特征在于：海水首先冲击在长支撑孔板(4)与短支撑孔板(6)上，产生水流冲击力，带动套筒单元与摆动单元转动，使它们转至立管(1)背流侧；近立管(1)壁面的绕流海水需从长支撑孔板(4)与短支撑孔板(6)的过流筛孔(13)通过，绕流边界层和尾流剪切层受到影响，旋涡的形成得到了抑制；穿过长支撑孔板(4)与短支撑孔板(6)的尾流对长摆动孔板(5)和短摆动孔板(7)产生冲击，推动它们绕各自的摆动孔板转轴(10)转动，且海水从长摆动孔板(5)与短摆动孔板(7)的过流筛孔(13)穿过，对立管(1)尾迹区产生扰动，破坏了旋涡的脱落；限位弹簧(12)限制了长摆动孔板(5)和短摆动孔板(7)的位移，当海流速度改变时，限位弹簧(12)可以调整长摆动孔板(5)和短摆动孔板(7)的转动幅度；穿过长摆动孔板(5)和短摆动孔板(7)的紊动尾流驱动尾翼板绕三板转轴(11)转动，尾翼板的摆动破坏了旋涡的发展；在支撑孔板、摆动孔板与尾翼板的共同作用下，破坏了旋涡的形成、脱落和发展全过程，实现了涡激振动的抑制。
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Patent Citations (4)
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