CN106801582A - 一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置及方法 - Google Patents
一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置及方法。装置轴向伸缩模块、八个支撑架和八个旋转单元组成。支撑框通过拉杆和撑杆分别与轴向伸缩模块的上套环、下套环连接，旋转单元内嵌于支撑框内。在海流的冲击下，流线柱往复摆动，且在与支撑框、拉杆与撑杆干扰的共同作用下，破坏立管绕流流场，抑制了旋涡的形成和发展，从而实现了振动的抑制。另外，螺杆旋转带动上套环在套管滑移，改变流线柱与套管间的距离以及拉杆和撑杆的空间位置，可应对不同流速条件的海流，使抑制效果达到最佳。
Description
技术领域
本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置及方法。
背景技术
海洋油气资源的开发开采已经成为缓解国家能源战略危机的重要举措之一，往深水挺进的步伐已悄然增速。然而，深海油气开发依赖于立管、隔水管等大量管缆，这些管缆的造价常占整个深海开采系统造价的一半以上。因此，管缆的安全服役性能对于深水油气开采具有重要意义。深水立管长细比较大，柔性特征凸显。在复杂随机变化的海洋环境中，立管服役时需要长期承受波浪和海流等多种载荷的叠加作用，特别是当波浪、海流流经立管时，会在立管尾部泄放旋涡，激发立管振动；立管的振动位移反过来对流场也产生影响，形成流固耦合振动，称为涡激振动，长时间的立管振动会引发疲劳。当旋涡的脱落频率接近或等于立管固有频率时，还会引起共振，加速疲劳破坏。深水细长柔性立管一旦发生破坏失效，维修难度极大，费用极高，不仅会导致巨大的经济损失，还会对海洋环境造成严重破坏。
为了减少涡激振动产生的负面影响，需要在立管上安装涡激振动抑制装置，包括直接改变立管表面形状或者安装额外的装置来改变流场，从而消减旋涡的形成和发展。目前已发明的立管涡激振动抑制装置有螺旋列板、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大多不能应对频繁变化的海洋环境，且结构固定，适应性较弱。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种性能可靠，能够应对任意方向来流的一种伞撑式可调距流线柱的立管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：
一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置由轴向伸缩模块、八个支撑架和八个旋转单元组成。轴向伸缩模块由套管、上套环、下套环、两根螺杆和两个电机组成。套管套装于立管外，与立管同轴，且与立管间无相对滑动。套管下端外壁面开有外螺纹，下套环套装于套管下端，其内壁内螺纹与套管下端外螺纹啮合。下套环外壁周向等间距均布有八个铰链，且外壁还对称布置有两个耳座。上套环内壁无螺纹，套装在套管外，与套管间可发生相对滑移。上套环外壁周向也等间距布有八个铰链，且同时外壁对称布置有两个耳座，其耳座中心开有螺孔。上套环与下套环的铰链和耳座在垂向均一一对应。在上套环和下套环的两对应耳座间均布置有下端连接电机的螺杆，两根螺杆与套管轴平行，且电机固定在下套环的耳座上，螺杆上端伸出上套环耳座的螺孔。电机可驱动螺杆旋转，使得螺杆带动上套环在套管外滑移。支撑架由支撑框、撑杆和拉杆组成。支撑框为半口字形，其垂向边框中间外侧安有铰链，与撑杆一端连接。支撑框的上边框和下边框端部均开有轴承孔，且两轴承孔垂向同轴。撑杆中间有一铰链与拉杆一端连接。撑杆另一端与下套环外壁的铰链连接，拉杆另一端与上套环外壁的铰链连接。八个支撑架通过撑杆、拉杆与下套环、上套环的八对铰链衔接。旋转单元由流线柱、内支柱与两个轴承组成，一个旋转单元安装于一个支撑框内。流线柱截面呈流线型，中心开通孔，圆柱形内支柱从流线柱中心通孔穿过，且两端伸出与两个轴承固定，两个轴承布置于支撑框上、下边框的轴承孔中。在轴承的配合下，流线柱可带动内支柱旋转。
利用所述的伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置可以实现一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制方法。将安有本装置的立管放置于海水中，海流冲击流线柱，驱动流线柱旋转至新的平衡位置，且紊动的海流使流线柱在新的平衡位置处摆动，持续破坏立管的绕流流场。沿立管周向均布的支撑框削弱来流对立管的直接冲击，分担了部分原来作用于立管的绕流阻力。拉杆和撑杆除了起到与支撑框相同的作用外，还对立管附近垂向的绕流流场起到破坏作用，干扰绕流旋涡的形成。因而，在流线柱摆动、支撑框、拉杆与撑杆干扰的共同作用下，破坏立管绕流流场，抑制了旋涡的形成和发展，从而实现了振动的抑制。另外，启动电机可使螺杆旋转，带动上套环在套管外滑移，从而改变流线柱与套管间的距离以及拉杆和撑杆的空间位置，以应对不同流速条件的海流，使抑制效果达到最佳。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1.本发明流线柱在水流冲击下能自由旋转，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海洋环境；
2.本发明流线柱和套管之间的间距可根据实际海洋流动环境调节，显著增强了环境适应性。
附图说明
图1为本发明装置立体结构示意图；
图2为本发明装置轴向伸缩模块拆分示意图；
图3为本发明装置支撑架结构示意图；
图4为本发明装置旋转单元与支撑框拆分示意图；
其中：1. 立管；2. 套管；3. 上套环；4. 下套环；5. 耳座；6. 电机；7. 螺杆；8. 撑杆；9. 拉杆；10. 支撑框；11. 流线柱；12. 内支柱；13. 铰链 ；14. 轴承孔；15. 轴承。
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。
如图1所示，一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置由轴向伸缩模块、八个支撑架和八个旋转单元组成。如图2所示，轴向伸缩模块由套管2、上套环3、下套环4、两根螺杆7和两个电机6组成。套管2套装于立管1外，与立管1同轴，且与立管1间无相对滑动。套管2下端外壁面开有外螺纹，下套环4套装于套管2下端，其内壁内螺纹与套管2下端外螺纹啮合。下套环4外壁周向等间距均布有八个铰链13，且外壁还对称布置有两个耳座5。上套环3内壁无螺纹，套装在套管2外，与套管2间可发生相对滑移。上套环3外壁周向也等间距布有八个铰链13，且同时外壁对称布置有两个耳座5，其耳座5中心开有螺孔。上套环3与下套环4的铰链13和耳座5在垂向均一一对应。在上套环3和下套环4的两对应耳座5间均布置有下端连接电机6的螺杆7，两根螺杆7与套管2轴平行，且电机6固定在下套环4的耳座5上，螺杆7上端伸出上套环3耳座5的螺孔。电机6可驱动螺杆7旋转，使得螺杆7带动上套环3在套管2外滑移。如图3所示，支撑架由支撑框10、撑杆8和拉杆9组成。支撑框10为半口字形，其垂向边框中间外侧安有铰链13，与撑杆8一端连接。支撑框10的上边框和下边框端部均开有轴承孔14，且两轴承孔14垂向同轴。撑杆8中间有一铰链13与拉杆9一端连接。撑杆8另一端与下套环4外壁的铰链13连接，拉杆9另一端与上套环3外壁的铰链13连接。八个支撑架通过撑杆8、拉杆9与下套环4、上套环3的八对铰链13衔接。如图4所示，旋转单元由流线柱11、内支柱12与两个轴承15组成，一个旋转单元安装于一个支撑框10内。流线柱11截面呈流线型，中心开通孔，圆柱形内支柱12从流线柱11中心通孔穿过，且两端伸出与两个轴承15固定，两个轴承15布置于支撑框10上、下边框的轴承孔14中。在轴承15的配合下，流线柱11可带动内支柱12旋转。
利用所述的伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置可以实现一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制方法。将安有本装置的立管1放置于海水中，海流冲击流线柱11，驱动流线柱11旋转至新的平衡位置，且紊动的海流使流线柱11在新的平衡位置处摆动，持续破坏立管1周围的绕流流场。沿立管1周向均布的支撑框削弱来流对立管1的直接冲击，分担了部分原来作用于立管1的绕流阻力。拉杆9和撑杆8除了起到与支撑框相同的作用外，还对立管1附近垂向的绕流流场起到破坏作用，干扰绕流旋涡的形成。因而，在流线柱11摆动、支撑框10、拉杆9与撑杆8干扰的共同作用下，破坏立管1绕流流场，抑制了旋涡的形成和发展，从而实现了振动的抑制。另外，启动电机6可使螺杆7旋转，带动上套环3在套管2外滑移，从而改变流线柱11与套管2间的距离以及拉杆9和撑杆8的空间位置，以应对不同流速条件的海流，使抑制效果达到最佳。
实施例：
安装本装置时，将套管2套装于立管1外，与立管1同轴，且与立管1间无相对滑动。下套环4套装于套管2下端，其内壁内螺纹与套管2下端外螺纹啮合。上套环3套装在套管2上端，与套管2间可发生相对滑移，并使上套环3与下套环4的铰链13和耳座5在垂向均一一对应。在上套环3和下套环4的两对应耳座5间均布置下端连接电机6的螺杆7，使两根螺杆7与套管2轴平行，且电机6固定在下套环4的耳座5上，螺杆7上端伸出上套环3耳座5的螺孔。将撑杆8中间的铰链13与拉杆9一端连接。撑杆8另一端与下套环4外壁的铰链13连接，拉杆9另一端与上套环3外壁的铰链13连接。八个支撑架通过撑杆8、拉杆9与下套环4、上套环3的八对铰链13衔接。支撑框10垂向边框中间外侧的铰链13，与撑杆8另一端连接。一个旋转单元安装于一个支撑框10内，两个轴承15布置于支撑框10上、下边框的轴承孔14中，圆柱形内支柱12从流线柱11中心通孔穿过，且两端伸出与两个轴承15固定，使流线柱11可带动内支柱12旋转。
装置安装完毕后，将安有本装置的立管1放置于海水中，海流冲击流线柱11，驱动流线柱11旋转至新的平衡位置，且紊动的海流使流线柱11在新的平衡位置处摆动，持续破坏立管1周围的绕流流场。沿立管1周向均布的支撑框削弱来流对立管1的直接冲击，分担了部分原来作用于立管1的绕流阻力。拉杆9和撑杆8除了起到与支撑框10相同的作用外，还对立管1附近的绕流流场起到破坏作用，干扰绕流旋涡的形成。因而，在流线柱11摆动、支撑框10、拉杆9与撑杆8干扰的共同作用下，破坏立管1绕流流场，抑制了旋涡的形成和发展，从而实现了振动的抑制。另外，启动电机6可使螺杆7旋转，带动上套环3在套管2外滑移，从而改变流线柱11与套管2间的距离以及拉杆9和撑杆8的空间位置，以应对不同流速条件的海流，使抑制效果达到最佳。
Claims (2)
1.一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置，其特征是：由轴向伸缩模块、八个支撑架和八个旋转单元组成；轴向伸缩模块由套管（1）、上套环（3）、下套环（4）、两根螺杆（7）和两个电机（6）组成；套管（2）套装于立管（1）外，与立管（1）同轴，且与立管（1）间无相对滑动；套管（2）下端外壁面开有外螺纹，下套环（4）套装于套管（2）下端，其内壁内螺纹与套管（2）下端外螺纹啮合；下套环（4）外壁周向等间距均布有八个铰链（13），且外壁还对称布置有两个耳座（5）；上套环（3）内壁无螺纹，套装在套管（2）外，与套管（2）间可发生相对滑移；上套环（3）外壁周向也等间距布有八个铰链（13），且同时外壁对称布置有两个耳座（5），其耳座（5）中心开有螺孔；上套环（3）与下套环（4）的铰链（13）和耳座（5）在垂向上均一一对应；在上套环（3）和下套环（4）的两对应耳座（5）间均布置有下端连接电机（6）的螺杆（7），两根螺杆（7）与套管（2）轴平行，且电机（6）固定在下套环（4）的耳座（5）上，螺杆（7）上端伸出上套环（3）耳座（5）的螺孔；电机（6）可驱动螺杆（7）旋转，使得螺杆（7）带动上套环（3）在套管（2）外滑移；支撑架由支撑框（10）、撑杆（8）和拉杆（9）组成；支撑框（10）为半口字形，其垂向边框中间外侧安有铰链（13），与撑杆（8）一端连接；支撑框（10）的上边框和下边框端部均开有轴承孔（14），且两轴承孔（14）垂向同轴；撑杆（8）中间有一铰链（13）与拉杆（9）一端连接；撑杆（8）另一端与下套环（4）外壁的铰链（13）连接，拉杆（9）另一端与上套环（3）外壁的铰链（13）连接；八个支撑架通过撑杆（8）、拉杆（9）与下套环（4）、上套环（3）的八对铰链（13）衔接；旋转单元由流线柱（11）、内支柱（12）与两个轴承（15）组成，一个旋转单元安装于一个支撑框（10）内；流线柱（11）截面呈流线型，中心开通孔，圆柱形内支柱（12）从流线柱（11）中心通孔穿过，且两端伸出与两个轴承（15）固定，两个轴承（15）布置于支撑框（10）上、下边框的轴承孔（14）中；在轴承（15）的配合下，流线柱（11）可带动内支柱（12）旋转。
2.一种伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制方法，利用如权利要求1所述的伞撑式可调距流线柱的立管涡激振动抑制装置，其特征是：海流冲击流线柱（11），驱动流线柱（11）旋转至新的平衡位置，且紊动的海流使流线柱（11）在新的平衡位置处摆动，持续破坏立管（1）的绕流流场；沿立管（1）周向均布的支撑框（10）削弱来流对立管（1）的直接冲击，分担了部分原来作用于立管（1）的绕流阻力；拉杆（9）和撑杆（8）除了起到与支撑框（10）相同的作用外，还对立管（1）附近垂向的绕流流场起到破坏作用，干扰绕流旋涡的形成；因而，在流线柱（11）摆动、支撑框（10）、拉杆（9）与撑杆（8）干扰的共同作用下，破坏立管（1）绕流流场，抑制了旋涡的形成和发展，从而实现了振动的抑制；另外，启动电机（6）可使螺杆（7）旋转，带动上套环（3）在套管（2）外滑移，从而改变流线柱（11）与套管（2）间的距离以及拉杆（9）和撑杆（8）的空间位置，以应对不同流速条件的海流，使抑制效果达到最佳。
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