CN106741685A - 一种抑制涡激振动皮肤衣 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抑制涡激振动皮肤衣，该抑制涡激振动皮肤衣是一种表面具有均匀分布的凹点，底层设置磁性层的皮肤衣材料，包括弱磁性内层、中间过渡层和外层三层材料。弱磁性内层为皮肤衣最底层，直接与深海柔性结构接触；中间过渡层包裹弱磁性内层并与外层相连，为弱磁性内层及结构提供缓冲保护，并为外层提供弹性支撑；外层包括在其表面均匀分布的圆形凹点和至少一个隔离凹点的台脊区。当海流作用在穿戴该种皮肤衣的深海柔性结构表面时，可在结构附近产生了一些微小的漩涡。本发明制造工艺简单，工作性能稳定，可有效改善传统立管、张力腿等结构的抗流性能并且具有良好的抑制涡激振动效果，方便穿戴在现有及在建过程中的深海柔性结构物表面。

Description

一种抑制涡激振动皮肤衣

技术领域

本发明属于深海工程装备制造领域，涉及一种抑制涡激振动皮肤衣，该皮肤衣能够穿戴在对涡激振动敏感的立管、张力腿等深海工程柔性结构上面。

背景技术

随着全球能源需求量的不断增加，越来越多的深水以及超深水油气资源被勘探和开发，采用的钻采设备主要是不同类型的浮式平台，其中以张力腿平台、半潜式平台、浮式生产储油轮和柱式平台这四种最为常用，并已经被广泛应用于世界深海油气工程中。其中，作为关键组成结构的立管、张力腿均属于深海柔性结构，存在比较复杂的涡激振动问题。

传统的涡激振动抑制措施主要包括被动式的近场导流装置、包裹型或凸起型装置以及操作复杂、成本较高的主动控制装置(如喷气装置等)。而如何设计工艺简单、性能稳定、造价成本低、便于安装拆卸的抑制涡激振动结构及安装方法，一直是相关从业人员关注的焦点。

发明内容

本发明针对深海柔性结构的上述问题，提供了一种在不改变原有设计条件下，可直接应用于已建或在建结构，制造工艺简单、性能稳定、造价成本低、便于安装拆卸、可有效提高结构使用寿命的轻质皮肤衣结构。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种抑制涡激振动皮肤衣是一种表面具有均匀分布的凹点，底层设置磁性层的皮肤衣材料；所述的抑制涡激振动皮肤衣包括弱磁性内层13、中间过渡层12和外层11三层材料。

所述的弱磁性内层13为皮肤衣最底层，直接与深海柔性结构接触，由生胶、磁性填料与其他助配剂组合形成弱磁性橡胶层，磁感强度在100-600(GS)范围。所述的磁性填料包含铁氧体、稀土和纳米晶磁等材料；所述的弱磁性内层13的厚度为5-20mm。在皮肤衣内层掺加磁性填料和其他助配剂，使抑制涡激振动皮肤衣可以方便的吸附在立管、张力腿等深海柔性结构表面。

所述的中间过渡层12包裹弱磁性内层13并与外层11相连，为弱磁性内层及结构提供一定的缓冲保护，并为外层特种结构提供足够的弹性支撑，使外层特种结构在与流场作用过程中发挥足够的性能优势。所述的中间过渡层12的厚度为5-25mm。

所述的外层11包括在其表面均匀分布的圆形凹点101和至少一个隔离凹点的台脊区102；所述的每个圆形凹点101包括凹点沿材料表面的轮廓线和凹点内的凹坑基部区。所述的外层11厚度15-35mm。所述的每平方米材料外层11表面根据不同的使用对象，设置直径25-70mm，深度15-35mm，500-2500个均布圆形凹点101。

通过穿戴特种材料皮肤衣，改变深海柔性材料整体外部形状，进而使得结构在流场中的特性得到改善。具体来说，当流场作用在结构表面时，在凹点附近产生了一些小的漩涡，由于这些漩涡的吸力，结构表面附近的流体分子被吸附，边界层分离的转捩点就推后许多。这时，虽然新结构的摩擦阻力有所增大，但是，在结构后方形成的漩涡脱落区域比传统结构小很多，从而使得结构前后压差所形成的阻力大为减小(具体可参考高尔夫球效应)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明通过对深海柔性结构表层形状进行改良，制造工艺简单；2)可有效改善传统立管、张力腿等结构的抗流性能，抑制涡激振动；3)于皮肤衣材料具有一定的磁性，可以方便吸附在常规深海柔性结构表面，因此可在不改变原有设计条件下，方便安装在已建或在建结构当中；4)沿结构周向均布的凹点，具有对来流方向不敏感性，从而保证在与流场作用过程中发挥稳定的性能优势。

附图说明

图1是本发明的皮肤衣在深海柔性结构表面应用示意图；

图2是本发明的皮肤衣断面示意图；

图3是传统结构扰流示意图；

图4是本发明的穿戴皮肤衣后结构扰流示意图；

图中：10深海柔性结构；11外层；12中间过渡层；13弱磁性内层；101凹点；102台脊区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

一种抑制涡激振动皮肤衣，所述的抑制涡激振动皮肤衣是一种表面具有均匀分布的凹点，底层设置磁性层的皮肤衣材料，包括弱磁性内层13、中间过渡层12和外层11三层材料。弱磁性内层13为皮肤衣最底层，直接与深海柔性结构接触；中间过渡层12包裹弱磁性内层13并与外层11相连，为弱磁性内层及结构提供一定的缓冲保护，并为外层特种结构提供足够的弹性支撑；外层11包括在其表面均匀分布的圆形凹点101和至少一个隔离凹点的台脊区102。

安装过程中，首先将皮肤衣按照深海柔性结构需要的尺度进行剪裁，利用皮肤衣的弱磁性内层13的磁力与柔性结构进行包裹连接；该磁力应保证结构在缓慢入水过程中不会因为受到浮力等外力影响而滑落；结构在深海正常服役期间，静水压力可作为有效荷载保障皮肤衣的工作状态。

图3为传统结构扰流示意图，图4为本发明的穿戴皮肤衣后结构扰流示意图。总体上，本发明涉及深海柔性结构10的涡激振动问题，皮肤衣表层11的凹点101中至少有一个凹点101影响结构周围的流场分布。具体地，至少一个凹点101可以产生微小漩涡并吸附周围的流场分子，从而使边界层分离的转捩点向后推移。由此，可以实现抑制涡激振动的效果，同时减小结构所受到的海流力作用。

图1以圆型凹点皮肤衣表示了包裹本单位长度的柔性结构10发明的实施例。圆形凹点皮肤衣包括了多个的凹点101和其隔离其表面上的凹点的台脊区102。尽管在图1表示了皮肤衣表层11的圆形凹点101形态，但皮肤衣表层11的凹点形状也可包括其他没有表示的形状。这样的其他形状可以包括：六边形，椭球形及其他不规则多边形。除以下另外讨论，圆形凹点皮肤衣总体上可以是本领域已知的任何不同参数圆形凹点与橡胶的组合材料。即，除非本发明指出相反情况，不同尺度、不同形状的凹点总体上可以与不同种类橡胶组合制造任何一种该类皮肤衣。

图2表示了皮肤衣的断面视图。在图2中表示了圆形凹点皮肤衣的三个不同部分。内层13是皮肤衣的最底层，为磁性填料与其他助配剂组合成的弱磁性橡胶层；中间层12为内层13与外层11的连接层，外层11如图2所示覆盖中间层12。尽管在图2中仅表示了皮肤衣这三个组成部分，但皮肤衣也可包括其他没有标记的层。这样的其他层可包括，例如在内层13和中间层12之间的一个和多个其他过度层，或者中间层12与外层11之间的一个或者多个辅助功能层。功能层可包括，例如发光涂层，装饰层或者其他层。

尽管已经描述了本发明的各种不同的实施例，但是说明书旨在作为范例，而不是限制，而且对于本领域普通的技术人员来说，本发明范围内还可以有更多的实施例和实施方式是显而易见的。因此，本发明仅受权利要求的限制。另外，在权利要求范围内可以作出各种更改和变换。

Claims (8)

1.一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的抑制涡激振动皮肤衣包括弱磁性内层(13)、中间过渡层(12)和外层(11)三层材料；

所述的弱磁性内层(13)为皮肤衣最底层，直接与深海柔性结构接触，由生胶、磁性填料与其他助配剂组合形成弱磁性橡胶层，磁感强度在100-600GS范围；所述的磁性填料包括铁氧体、稀土、纳米晶磁材料；

所述的中间过渡层(12)包裹弱磁性内层(13)并与外层(11)相连，为弱磁性内层(13)及结构提供缓冲保护，并为外层(11)提供弹性支撑；

所述的外层(11)包括在其表面均匀分布的圆形凹点(101)和至少一个隔离凹点的台脊区(102)；所述的每个圆形凹点(101)包括凹点沿材料表面的轮廓线和凹点内的凹坑基部区。

2.根据权利要求1所述的一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的每平方米材料外层(11)表面根据不同的使用对象，设置直径25-70mm，深度15-35mm，500-2500个均布圆形凹点(101)。

3.根据权利要求1所述的一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的弱磁性内层(13)的厚度为5-20mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的中间过渡层(12)的厚度为5-25mm。

5.根据权利要求3所述的一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的中间过渡层(12)的厚度为5-25mm。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的外层(11)厚度15-35mm。

7.根据权利要求3所述的一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的外层(11)厚度15-35mm。

8.根据权利要求4所述的一种抑制涡激振动皮肤衣，其特征在于，所述的外层(11)厚度15-35mm。