CN106437544B - 一种可旋可拆装s形列板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可拆装S形列板涡激振动抑制装置及方法，装置由可拆装的列板模块以及上、下两个旋转轴承组成。旋转轴承套装在立管外壁，紧固圈套装在旋转轴承外，紧固圈两侧布置横向列板，上、下平行的横向列板间布置轴向列板，横向列板和轴向列板的块数由实际海洋环境决定。装置受到海流冲击后，会绕立管转动，扰乱了立管周围流场，将绕流旋涡破碎成小涡，使立管四周压强分布更均匀，减小了旋涡的产生。同时，轴向列板旋转对海流产生剪切和引流作用，使大部分海流在未抵进立管壁时即被分流至周边，增强了涡激振动抑制效果。
Description
技术领域
本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置及方法。
背景技术
海洋立管是连接水下井口、海底管道与海面平台、浮式设施的关键部件，是海洋油气开采、输送不可缺少的重要组成部分。海洋立管所处的环境十分恶劣，随着海洋油气开采向深海迈进，海洋立管面临的威胁迅速凸显。海洋立管外部受到波浪、海流的冲击，承受着周期性变化的升力、阻力作用，内部则输送着高压油气流，在内外流的共同作用下，其服役稳定性存在极大风险。
当波浪、海流以一定流速流经海洋立管时，由于立管壁周向压力分布的不均匀性，导致绕流边界层脱离管壁，在立管后方形成周期性脱落的旋涡，旋涡的产生与泄放引发了周期性变化的升力和阻力，引发立管产生涡激振动；当海洋立管自振频率与固有频率接近时，振动会迫使其频率固定在结构固有频率附近，发生频率锁定现象，引起管道振动加强，加快立管的疲劳破坏。立管的破坏与失效不仅直接影响生产，造成巨大的经济损失；更会污染海洋环境，造成重大的安全事故，对海洋环境构成灾难性破坏。为了降低涡激振动对海洋立管的破坏，急迫需要研发涡激振动抑制装置及方法。
目前，涡激振动抑制方法主要分为两类：一类是主动抑制法，另一类是被动抑制法。主动抑制法利用声波、击振等主动方式扰乱立管附近的流场，控制旋涡的产生。但是主动抑制法需要消耗额外能量，成本较高，故实际应用存在困难。被动抑制法通过改变立管外部形状，扰乱旋涡，使旋涡分散或破坏。但被动抑制法对实际海洋环境的适应性不好，大多不能适应任意方向来流，且抑制装置无法拆分和组合，不能适时调整以适应实际海洋环境。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对现有海洋立管涡激振动抑制装置存在的不足和缺陷，提供一种可拆装、性能可靠、可以适时调整的可旋可拆装S形列板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：
一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置，由可拆装的列板模块以及上、下两个旋转轴承组成。旋转轴承为中间嵌入圆柱滚子的内中外圈结构，圆柱滚子布置于保持架的矩形孔格中实现限位，保持架位于内圈、外圈之间，内圈、保持架和外圈均由对称的两个半环形构件对接组成。上、下两个旋转轴承间隔一块轴向列板的高度固定套装在立管外壁，外圈可相对内圈自由旋转。
列板模块包括上、下两个紧固圈、横向列板和轴向列板。紧固圈由对称的两个半环形构件组成，从两侧套装在旋转轴承外圈上，使用螺栓连接固定。紧固圈每个半环的外侧壁中部开设有固定横向列板的T形凹槽，T形凹槽外壁开设三个螺栓孔。
横向列板为圆弧状板条，单根横向列板的圆弧边对应的圆心角为45°，横向列板一端为T形插销，另一端为T形凹槽，且T形凹槽外壁开设有三个螺栓孔。紧固圈和横向列板的T形插销和T形凹槽均为相同尺寸规格，T形插销可插入T形凹槽实现对接。横向列板的T形插销插入紧固圈的T形凹槽，通过螺栓穿过T形凹槽外壁的螺栓孔实现紧固，紧固圈两侧的横向列板关于立管管轴反转对称。紧固圈一侧的每两块横向列板之间有同向和背向两种连接方式，通过其中一块横向列板的T形插销插入另一块横向列板的T形凹槽，并由螺栓穿过T形凹槽外壁的螺栓孔实现紧固。安装于上、下两个紧固圈的横向列板相互平行布置。横向列板上、下两端表面均沿圆弧周向均匀开设五个六面体插槽，插槽上开有贯通列板的螺栓孔。
轴向列板为直立长方体板条，其两端各设有一个六面体插销，六面体插销上开有贯通的螺栓孔。轴向列板的两端六面体插销插入上、下两块平行的横向列板对应的六面体插槽内，通过螺栓进行固定，且每块轴向列板所在垂直平面均与两端连接的横向列板对应位置的圆弧切面垂直正交。
所述的横向列板圆弧边半径为立管外径D的2～3倍，轴向列板长度为4D～6D，轴向列板和横向列板的厚度为0.05D～0.09D。所述的紧固圈一侧的横向列板块数为1～3块，上、下两块平行的横向列板间插装的轴向列板块数为1～5块。
横向列板和轴向列板的块数由实际海洋环境决定，通过同向、背向或混合向的横向列板组合装配以及轴向列板合理密度的布置，实现最佳的涡激振动抑制效果。
利用所述的可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置可以实现一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制方法。由于每块轴向列板所在垂直平面均与两端连接的横向列板对应位置的圆弧切面垂直正交，上、下两块平行的横向列板间的轴向列板之间存在一定的夹角，受到海流冲击后，海水将推动轴向列板绕立管转动。另外，由于紧固圈两侧的横向列板关于立管管轴反转对称，海流冲击在横向列板上亦会推动其绕立管旋转。旋转的横向列板和轴向列板对立管周围流场产生了扰动，破坏了立管绕流边界层的分离，并将绕流旋涡破碎成小涡，有效抑制了涡激振动。不停旋转的横向列板和轴向列板还改变了立管四周的压力场，使立管四周压强分布更均匀，减小了旋涡的产生，进而抑制涡激振动。同时，轴向列板的旋转可以对海流产生剪切和引流作用，使大部分海流在未抵进立管壁面时即被有效分流至立管周边，减少了立管近壁面海水绕流的比重，进一步增强了涡激振动抑制效果。实际使用时，可根据实际海洋环境决定横向列板和轴向列板的块数，实现最佳的涡激振动抑制效果。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
1、根据具体海流流速、流向等实际情况，本发明装置的横向列板和轴向列板可以作适应性拆装调整，包括横向列板之间同向、背向或混合向的连接方式以及选用的横向列板和轴向列板的数目，以达到最佳的抑制效果。
2、本发明装置在海流冲击下可以自由旋转，对立管绕流流场进行有效干扰，适应流向频繁随机变化的海洋现实环境；
3、本发明装置的横向列板和轴向列板由塑料制成，成本低，耐腐蚀，可重复使用，还可为立管提供一定的浮力。
附图说明
图1为本发明装置紧固圈一侧安装单块横向列板的结构示意图；
图2为本发明装置旋转轴承示意图；
图3为本发明装置紧固圈与横向列板装配示意图；
图4为本发明装置两块横向列板同向装配示意图；
图5为本发明装置两块横向列板背向装配示意图；
图6为本发明装置横向列板与轴向列板装配示意图；
图7为本发明装置七种横向列板安装形式示意图；
其中：1、立管；2、内圈；3、保持架；4、圆柱滚子；5、外圈；6、紧固圈；7、横向列板、8轴向列板。
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，一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置，由可拆装的列板模块以及上、下两个旋转轴承组成。如图2所示，旋转轴承为中间嵌入圆柱滚子4的内中外圈结构，圆柱滚子4布置于保持架3的矩形孔格中实现限位，保持架3位于内圈2、外圈5之间，内圈2、保持架3和外圈5均由对称的两个半环形构件对接组成。上、下两个旋转轴承间隔一块轴向列板8的高度固定套装在立管1外壁，外圈5可相对内圈2自由旋转。
如图1所示，列板模块包括上、下两个紧固圈6、横向列板7和轴向列板8。紧固圈6由对称的两个半环形构件组成，从两侧套装在旋转轴承外圈5上，使用螺栓连接固定。紧固圈6每个半环的外侧壁中部开设有固定横向列板7的T形凹槽，T形凹槽外壁开设三个螺栓孔。
如图3、图4、图5所示，横向列板7为圆弧状板条，单根横向列板7的圆弧边对应的圆心角为45°，横向列板7一端为T形插销，另一端为T形凹槽，且T形凹槽外壁开设有三个螺栓孔。紧固圈6和横向列板7的T形插销和T形凹槽均为相同尺寸规格，T形插销可插入T形凹槽实现对接。如图3所示，横向列板7的T形插销插入紧固圈6的T形凹槽，通过螺栓穿过T形凹槽外壁的螺栓孔实现紧固，如图1、图7所示，紧固圈6两侧的横向列板7关于立管1管轴反转对称。如图4、图5所示，紧固圈6一侧的每两块横向列板7之间有同向和背向两种连接方式，通过其中一块横向列板7的T形插销插入另一块横向列板7的T形凹槽，并由螺栓穿过T形凹槽外壁的螺栓孔实现紧固。安装于上、下两个紧固圈6的横向列板7相互平行布置。横向列板7上、下两端表面均沿圆弧周向均匀开设五个六面体插槽，插槽上开有贯通列板的螺栓孔。
如图1、图6所示，轴向列板8为直立长方体板条，其两端各设有一个六面体插销，六面体插销上开有贯通的螺栓孔。轴向列板8的两端六面体插销插入上、下两块平行的横向列板7对应的六面体插槽内，通过螺栓进行固定，且每块轴向列板8所在垂直平面均与两端连接的横向列板7对应位置的圆弧切面垂直正交。
所述的横向列板7圆弧边半径为立管1外径D的2～3倍，轴向列板8长度为4D～6D，轴向列板8和横向列板7的厚度为0.05D～0.09D。所述的紧固圈6一侧的横向列板7块数为1～3块，上、下两块平行的横向列板7间插装的轴向列板8块数为1～5块。
横向列板7和轴向列板8的块数由实际海洋环境决定，通过同向、背向或混合向的横向列板7组合装配以及轴向列板8合理密度的布置，实现最佳的涡激振动抑制效果。
利用所述的可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置可以实现一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制方法。由于每块轴向列板8所在垂直平面均与两端连接的横向列板7对应位置的圆弧切面垂直正交，上、下两块平行的横向列板7间的轴向列板8之间存在一定的夹角，受到海流冲击后，海水将推动轴向列板8绕立管1转动。另外，由于紧固圈6两侧的横向列板7关于立管1管轴反转对称，海流冲击在横向列板7上亦会推动其绕立管1旋转。旋转的横向列板7和轴向列板8对立管1周围流场产生了扰动，破坏了立管1绕流边界层的分离，并将绕流旋涡破碎成小涡，有效抑制了涡激振动。不停旋转的横向列板7和轴向列板8还改变了立管1四周的压力场，使立管1四周压强分布更均匀，减小了旋涡的产生，进而抑制涡激振动。同时，轴向列板8的旋转可以对海流产生剪切和引流作用，使大部分海流在未抵进立管1壁面时即被有效分流至立管1周边，减少了立管1近壁面海水绕流的比重，进一步增强了涡激振动抑制效果。实际使用时，可根据实际海洋环境决定横向列板7和轴向列板8的块数，实现最佳的涡激振动抑制效果。
实施例：
装置安装时，首先在立管1外壁安装一个旋转轴承，即将旋转轴承的内圈2套装在立管1外，通过螺栓连接固定；将圆柱滚子4放置于保持架3的矩形孔格中实现限位，再将保持架3套装在内圈2外，通过螺栓连接固定；接着，将旋转轴承的外圈5套装在保持架3外，通过螺栓连接固定。在立管1外壁间隔一块轴向列板8的高度固定套装另外一个旋转轴承。旋转轴承安装好后，在每个旋转轴承外套装一个紧固圈6使用螺栓连接固定。
然后，在紧固圈6两侧分别安装一块横向列板7，并使这两块横向列板7关于立管1管轴反转对称。如图7所示，根据实际海洋环境决定横向列板7的块数和布置方式，紧固圈6一侧的横向列板7块数为1～3块，因此紧固圈6一侧有1块横向列板7的布置方式只有1种；紧固圈6一侧有2块横向列板7的布置方式只有2种，分别对应同向布置和背向布置；紧固圈6一侧有3块横向列板7的布置方式只有4种，包括同向、背向和混合向3种布置方式。横向列板7布置时，保持紧固圈6两侧的横向列板7关于立管1管轴反转对称，且安装于上、下两个紧固圈6的横向列板7相互平行布置。
横向列板7布置好后，在上、下平行的横向列板7间布置轴向列板8。同样，轴向列板8的块数和间距根据实际海洋环境决定。上、下两块平行的横向列板7间插装的轴向列板8块数为1～5块，安装5块时，即为无间隔稠密布置；安装1～4块时，轴向列板8之间的间距可视实际情况设置。
装置安装完毕后，放置于实际海流环境中。由于上、下两块平行的横向列板7间的轴向列板8之间存在一定的夹角，受到海流冲击后，海水将推动轴向列板8绕立管1转动。由于紧固圈6两侧的横向列板7关于立管1管轴反转对称，海流冲击在横向列板7上亦会推动其绕立管1旋转。旋转的横向列板7和轴向列板8对立管1周围流场产生了扰动，破坏了立管1绕流边界层的分离，并将绕流旋涡破碎成小涡。同时，不停旋转的横向列板7和轴向列板8还改变了立管1四周的压力场，使立管1四周压强分布更均匀，减小了旋涡的产生，进而抑制涡激振动。另外，轴向列板8的旋转可以对海流产生剪切和引流作用，使大部分海流在未抵进立管1壁面时即被有效分流至立管1周边，减少了立管1近壁面海水绕流的比重，进一步增强了涡激振动抑制效果。
Claims (4)
1.一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置，由可拆装的列板模块以及上、下两个旋转轴承组成；旋转轴承为中间嵌入圆柱滚子(4)的内中外圈结构，圆柱滚子(4)布置于保持架(3)的矩形孔格中实现限位，保持架(3)位于内圈(2)、外圈(5)之间，内圈(2)、保持架(3)和外圈(5)均由对称的两个半环形构件对接组成；上、下两个旋转轴承间隔一块轴向列板(8)的高度固定套装在立管(1)外壁，外圈(5)可相对内圈(2)自由旋转；其特征在于：所述的列板模块包括上、下两个紧固圈(6)、横向列板(7)和轴向列板(8)；紧固圈(6)由对称的两个半环形构件组成，从两侧套装在旋转轴承外圈(5)上，使用螺栓连接固定；紧固圈(6)每个半环的外侧壁中部开设有固定横向列板(7)的T形凹槽，T形凹槽外壁开设三个螺栓孔；横向列板(7)为圆弧状板条，单根横向列板(7)的圆弧边对应的圆心角为45°，横向列板(7)一端为T形插销，另一端为T形凹槽，且T形凹槽外壁开设有三个螺栓孔；紧固圈(6)和横向列板(7)的T形插销和T形凹槽均为相同尺寸规格，T形插销可插入T形凹槽实现对接；横向列板(7)的T形插销插入紧固圈(6)的T形凹槽，通过螺栓穿过T形凹槽外壁的螺栓孔实现紧固，紧固圈(6)两侧的横向列板(7)关于立管(1)管轴反转对称；紧固圈(6)一侧的每两块横向列板(7)之间有同向和背向两种连接方式，通过其中一块横向列板(7)的T形插销插入另一块横向列板(7)的T形凹槽，并由螺栓穿过T形凹槽外壁的螺栓孔实现紧固；安装于上、下两个紧固圈(6)的横向列板(7)相互平行布置；横向列板(7)上、下两端表面均沿圆弧周向均匀开设五个六面体插槽，插槽上开有贯通列板的螺栓孔；轴向列板(8)为直立长方体板条，其两端各设有一个六面体插销，六面体插销上开有贯通的螺栓孔；轴向列板(8)的两端六面体插销插入上、下两块平行的横向列板(7)对应的六面体插槽内，通过螺栓进行固定，且每块轴向列板(8)所在垂直平面均与两端连接的横向列板(7)对应位置的圆弧切面垂直正交。
2.如权利要求1所述的可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置，其特征在于：横向列板(7)圆弧边半径为立管(1)外径D的2～3倍，轴向列板(8)长度为4D～6D，轴向列板(8)和横向列板(7)的厚度为0.05D～0.09D。
3.如权利要求1所述的可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置，其特征在于：紧固圈(6)一侧的横向列板(7)块数为1～3块，上、下两块平行的横向列板(7)间插装的轴向列板(8)块数为1～5块。
4.一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制方法，采用如权利要求1所述的一种可旋可拆装S形列板涡激振动抑制装置，其特征在于：由于每块轴向列板(8)所在垂直平面均与两端连接的横向列板(7)对应位置的圆弧切面垂直正交，上、下两块平行的横向列板(7)间的轴向列板(8)之间存在一定的夹角，受到海流冲击后，海水将推动轴向列板(8)绕立管(1)转动；另外，由于紧固圈(6)两侧的横向列板(7)关于立管(1)管轴反转对称，海流冲击在横向列板(7)上亦会推动其绕立管(1)旋转；旋转的横向列板(7)和轴向列板(8)对立管(1)周围流场产生了扰动，破坏了立管(1)绕流边界层的分离，并将绕流旋涡破碎成小涡，有效抑制了涡激振动；不停旋转的横向列板(7)和轴向列板(8)还改变了立管(1)四周的压力场，使立管(1)四周压强分布更均匀，减小了旋涡的产生，进而抑制涡激振动；同时，轴向列板(8)的旋转可以对海流产生剪切和引流作用，使大部分海流在未抵进立管(1)壁面时即被有效分流至立管(1)周边，减少了立管(1)近壁面海水绕流的比重，进一步增强了涡激振动抑制效果；实际使用时，可根据实际海洋环境决定横向列板(7)和轴向列板(8)的块数，实现最佳的涡激振动抑制效果。
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2016
- 2016-09-23 CN CN201610844252.1A patent/CN106437544B/zh not_active Expired - Fee Related
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