CN107091059A - 一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋立管的设计领域，具体涉及一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，由立管连接装置、扰动装置、固定装置组成，固定装置把扰动装置固定且均匀分布在立管连接装置的外表面。通过将这种柔性抗涡激振动装置安装在海洋平台的圆柱形立管上，均匀布置在水下立管的四周的扰动装置，将干扰圆柱形水下立管后旋涡的形成，将涡量强度较大的旋涡梳理成涡量强度较小的旋涡，有效的抑制水下立管产生的涡激振动。本发明的设计结构较为简单，便于安装与维修，并且能够较为有效地抑制水下立管的涡激振动，拥有良好的经济性与实用性。
Description
技术领域
本发明属于海洋立管的设计领域，具体涉及一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置。
背景技术
随着人们对海洋石油、天然气等资源的不断开发，海洋平台得到广泛地应用。而立管是海洋平台中海底生产系统与海洋浮式平台之间的重要连接部分，海洋平台中的立管系统作为海底油气资源的运输通道，因此安全开采海洋资源的根本保障是立管的安全性。由于海洋环境较为复杂，立管在洋流的作用下，会发生旋涡周期性地产生与脱落，不可避免地产生涡激振动现象，最终发生疲劳损坏。如何有效地抑制海洋立管的涡激振动效应一直是学者专家们的关注焦点。
目前已提出的涡激振动抑制方式主要分为两种：主动控制和被动控制。主动控制是通过对流场和结构受力的实时监测，利用计算机自动控制技术，将外部扰动引入流场从而控制旋涡脱落。被动控制是直接改变结构表面形状或者附加额外的装置以改变绕流场，从而控制旋涡的形成和发展过程，抑制涡脱落(吴浩,孙大鹏.深海立管涡激振动被动抑制措施的研究[J].中国海洋平台,2009,24(4):1-8.)。由于主动控制的难度较大、结构复杂，所以在实际海洋中主动控制方式并不具有实用性和经济性。被动控制因其结构简单、易于实现，而在海洋工程领域得到广泛地应用。Trim等(Trim A D,Braaten H,Lie H,etal.Experimental investigation of vortex-induced vibration of long marinerisers[J].Journal of Fluids&Structures,2005,21(3):335–361.)研究了螺旋列板装置对立管涡激振动的影响。高云等(高云,付世晓,宋磊建.柔性立管涡激振动抑制装置试验研究[J].振动与冲击,2014,33(14):77-83.)对采用被动抑制方式的柔性立管涡激振动影响进行了一定研究。此外还有很多科研学者在抑制涡激振动方面做出了大量的研究。但至今为止并未出现一种大家一致公认的最优的抑制涡激振动效应的措施。因此，为了不断寻求各项性能优异的抑制措施，仍需要大量的创新性研究。
20世纪60年代以后,一些学者提出了“卷吸层”(Entrainment Layer)和“汇流点”(Confluence Point)的概念,用以解释涡脱落机理和相关的现象。卷吸层存在于圆柱绕流形成的分离剪切层中,为除有旋流体之外的漩涡成长提供必要的无旋流体；汇流点标示圆柱体两侧的卷吸层相遇和互相作用的区域。漩涡是由收卷过程形成的,人们认为通过干涉卷吸层,可能会抑制涡脱落,因此提出了一些影响卷吸层的抑制措施,如开孔或网格管套、控制杆、轴向板条。
随着研究的进一步深入,人们意识到涡脱落的发生是由汇流点从尾流轴线的一侧向另一侧转换来控制的,卷吸层的相互作用对涡脱落的产生具有更重要的作用,于是开始将工作的重点转向尾流区域,以阻止汇流点转换为目标,发展了飘带、分隔板、导向翼、整流罩等近尾流稳定装置。
开孔管套是一个相对较薄的开孔金属圆管,用支撑杆固定在主管上。Allen D W,Henning D L在专利号为US 6,685,394 B1的Partial shroud with perforating for VIVsuppression,and method of using一文中提出了一种新型多孔局部管套发明专利,仅在圆管局部裹覆,从而方便水下安装并且对涡激振动具有较好的抑制效果。轴向板条是开孔管套的改进形式,它的外径通常约为1.3D,开敞部分约占40％。实验对比了开孔管套、轴向板条和整流罩3种抑制措施的性能。结果表明,轴向板条对主管涡激振动响应振幅的抑制作用最强,且能够减小主管的拖曳力；开孔管套对振幅的抑制作用最低,但对拖曳力的消减作用最强；而螺旋条纹会显著增加主管的拖曳力，但是轴向板条缺点是造价昂贵。
分隔板是安装在圆柱体后方的一个薄平板,它可以阻断尾流区的汇流点转换,抑制涡脱落或将其推迟至较远的下游区域,以消减圆柱体上的涡激力，分隔板的设计非常简单,成本较低,但具有明显的方向依赖性。
申请公布号为CN105257066A的发明公开了一种抗流体涡激振动的柱体结构。将截面设计成螺旋型旋转结构,目的是让结构的涡激力相关性尽快衰减。但是由于立管在水中承受的拖曳力要远大于空气中,螺旋条纹会显著增加立管的拖曳力,从而增加水面浮动平台的漂移幅度和立管的张力负载。其次,表面粗糙度对螺旋条纹抑制性能影响较大,立管上生长的海洋生物会显著降低条纹的抑制作用,并进一步增加水流的拖曳力。
申请公布号为CN106014275A的发明公开了一种新型抗涡激振动仿生立管。将横截面设计成周期凸起式的波浪状,也即在圆柱形立管的基础上改变其截面形状。但该发明设计难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供抑制海洋立管的涡激振动效应，提高海洋立管的疲劳强度和使用寿命的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置。
本发明的目的通过如下方式实现：
将带有柔性丝带的圆柱形橡胶套管套在正在使用中或建造完成的圆柱形海洋立管上，利用不同角度的柔性丝带干扰圆柱形水下立管旋涡的形成，将涡量强度较大的旋涡梳理成涡量强度较小的旋涡，进而减小涡激振动的强度。流场可视化实验表明这种抑制措施能够有效地抑制尾流场中的涡脱落,并且它可以自动调整形状以适应来流方向,从而消除了方向敏感性。
本发明的结构特征主要包括：
考虑不同的来流方向，在圆柱形套管的周向均匀布置有四根柔性带，相邻柔性带之间的夹角为90°。柔性丝带沿圆柱形套管轴向均匀布置，在轴向上相邻柔性丝带之间的距离不大于圆柱形套管的外径。柔性丝带成矩形条状，柔性丝带越大其抑制涡激振动效果越好，但其阻力性能会急剧提升，所以其宽度不小于圆柱形套管外径的十分之一，其长度与圆柱形套管外径的比值不低于2:3。为保证结构强度与柔性丝带的固定强度，橡胶套管的厚度与橡胶套管的内径比值不低于1:10。柔性丝带的根部通过固定装置与橡胶套管进行连接，固定装置为圆弧形凸台，通过螺母与套管连接，实现柔性丝带与固定装置的可替换功能。
本发明的有益效果：
与现有的各项海洋立管涡激振动抑制技术相比，本发明应用柔性丝带的梳理作用，在水流经过海洋立管时，柔性丝带一直存在于圆柱体表面的剪切层与圆柱体后面的湍流层，在剪切层中即旋涡形成的初期过程中起到降低旋涡的涡量强度的作用，在湍流层中即旋涡扩大、传递以及脱落过程中起阻碍作用。此外，还考虑在海洋中多种角度的来流影响，在圆柱形套管的周向均匀布置有四根柔性丝带，也可以布置有六根、八根等，使抑制涡激振动的效果稳定。本发明依据传统海洋立管的圆柱体形状进行设计，可以安装于正在使用中或建造完成的圆柱形海洋立管上，有极大地实用性。本发明的设计结构较为简单，便于安装与维修，并且能够较为有效地抑制水下立管的涡激振动，拥有良好的经济性与实用性。
附图说明
图1为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的整体结构示意图；
图2(a)为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的主视图；
图2(b)为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的左视图；
图2(c)为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的俯视图；
图3为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的丝带根部固定装置细节图；
图4为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的在正向来流角工况下工作效果图；
图5为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的在正向来流角工况下工作的绕流机制示意图；
图6为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的在45°斜向来流角工况下工作效果图；
图7为一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置的在45°斜向来流角工况下工作的绕流机制示意图；
图8为普通圆形截面水下立管的绕流机制示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的描述。
一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，由立管连接装置1、扰动装置2、固定装置3组成，固定装置3把扰动装置2固定分布在立管连接装置1的外表面。立管连接装置1为带有贯穿上下底面空腔的圆柱体套筒，制作材料是橡胶、金属、塑料。立管连接装置1的厚度与内径的比值不小于1:10。
所述的扰动装置2为立管连接装置1外表面相同高度上沿周向均匀分布的4-8个柔性条，所述的柔性条是具有两条平行边的条状丝带，或者圆柱体的条状柔性绳，或者条状的柔性橡胶条，分布在立管连接装置1外表面的不同高度上。柔性条宽度与立管连接装置1的外径比值不小于1:10，所述的柔性条长度与立管连接装置1的外径比值不小于2:3。
固定装置3为带有圆弧侧面的凸台4，凸台上有通孔与立管连接装置1相连，凸台上有凹槽与螺母5契合。扰动装置2与立管连接装置1通过柔性条与凸台相连，连接方式为可拆卸连接，或者机械连接，或者通过中介媒介相连接。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2，除非另有明确的规定和限定，用于水下立管的柔性抗涡激振动装置中的柔性部分应被广义地理解，图1中展示的仅为柔性丝带，可以是柔性绳，也可以是柔性橡胶；图1中的圆形橡胶套管，可以是金属制套管；也可以是塑料制套管；图1中在圆柱形套管的周向均匀布置有4根柔性丝带，可以布置为6根，也可以布置为8根，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图3，柔性丝带通过圆弧形凸台，应用螺母将柔性丝带连接在橡胶套管上，术语“连接”应做广义理解，可以是可拆卸连接，也可以是机械连接，也可以通过中介媒介相连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图4、图5、图6、图7和图8，本发明在不同来流角度情况下对海洋立管的涡激振动效应有一定的抑制作用，减小了立管周围涡的形成与脱落所产生的脉动压力，提高了提高海洋立管的疲劳强度和使用寿命。本发明抑制海洋立管涡激振动效应的机理在于：柔性丝带根部固定装置的圆弧形凸台布置在圆柱形套管的表面，作用与柱体表面的剪切层，在旋涡形成初期的传递过程中，降低旋涡形成初期的涡量强度。在旋涡的扩大、传递以及脱落过程中，柔性丝带与旋涡相互干扰，柔性丝带吸收旋涡的能量同时反作用于旋涡，从而抑制旋涡在湍流层中发展、传递与脱落，最终达到抑制海洋立管的涡激振动效应。本发明的设计结构较为简单，便于安装与维修，并且能够较为有效地抑制水下立管的涡激振动，拥有良好的经济性与实用性。
Claims (8)
1.一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：由立管连接装置(1)、扰动装置(2)、固定装置(3)组成，固定装置(3)把扰动装置(2)固定分布在立管连接装置(1)的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：所述的立管连接装置(1)为带有贯穿上下底面空腔的圆柱体套筒，所述的立管连接装置(1)的制作材料是橡胶、或者金属、或者塑料。
3.根据权利要求2所述的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：所述的立管连接装置(1)的厚度与内径的比值不小于1:10。
4.根据权利要求1所述的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：所述的扰动装置(2)为立管连接装置(1)外表面相同高度上沿周向均匀分布的4-8个柔性条，所述的柔性条是具有两条平行边的条状丝带，或者圆柱体的条状柔性绳，或者条状的柔性橡胶条。
5.根据权利要求1所述的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：所述的扰动装置(2)分布在立管连接装置(1)外表面的不同高度上。
6.根据权利要求4,5所述的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：所述的柔性条宽度与立管连接装置(1)的外径比值不小于1:10，所述的柔性条长度与立管连接装置(1)的外径比值不小于2:3。
7.根据权利要求1所述的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：所述的固定装置(3)为带有圆弧侧面的凸台(4)，凸台上有通孔与立管连接装置(1)相连，凸台上有凹槽与螺母(5)契合。
8.根据权利要求1,4,7所述的一种用于水下立管的柔性抗涡激振动装置，其特征在于：扰动装置(2)与立管连接装置(1)通过柔性条与凸台相连，连接方式为可拆卸连接，或者机械连接，或者通过中介媒介相连接。
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