CN108590540B - 一种利用波浪起伏压差排吸海水的抑振装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置及方法，装置由支架和海水抽吸系统两部分构成。支架用于将海水抽吸系统固定在海洋立管上，海水抽吸系统由八根沿海洋立管周向均布的附属圆管组成，附属圆管上部设有交错分布的海水排吸孔，下部为气体腔室，腔室内充满可压缩气体，腔室上部依次为圆盘形活塞和限位圆环，活塞可以在限位圆环下部空间自由地做上、下运动。本装置利用波浪起伏压差诱使海水不断地从附属圆管吸入和排出，在绕流流量和动量不断调整以及附属圆管干扰流场的共同作用下，海洋立管的边界层分离和旋涡脱落受到了干扰，实现了无能耗的涡激振动抑制。
Description
技术领域
本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置及方法。
背景技术
海洋立管是开发海洋石油与天然气的必要设备，是连接水下井口和海上平台的关键通道，一旦海洋立管受损出现失效，不仅会造成油气资源浪费，还会对环境引起极大的破坏。在引起海洋立管失效的形式中，涡激振动一直是个不可忽略的因素：一方面涡激振动会引发海洋立管疲劳损伤，缩短使用寿命；另一方面海洋油气深水开发所需要的海洋立管长径比越来越大，涡激振动致使海洋立管失效的几率也越来越大。
目前可将抑制涡激振动的方法分为两类：主动控制和被动控制。主动控制措施通过引入外部能量扰动流场，控制管体旋涡脱落，以达到抑制振动的目的。常见的主动控制措施有：抽吸或喷射流体，敲击管体表面、圆柱体的旋转等。被动控制措施指改变柱体截面形状或添加附属绕流物体，控制旋涡的形成和发展过程。然而，面对复杂的海洋环境，现有的控制措施仍存在着一定的局限性，如只针对特定流向、只能在特定流速范围内工作等。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对当前海洋立管涡激振动抑制装置存在的不足，提出一种结合主动与被动控制优点、无能耗的利用波浪起伏压差排吸海水的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：
一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置由支架和海水抽吸系统两部分构成。支架由上、下两个固定模块组成，一个固定模块包括两个半圆环形内套环、两个半圆环形外套环和四根带螺纹的内外套环连接杆。内套环通过螺栓连接固定在海洋立管上；四根内外套环连接杆在内套环上周向均布排列，无螺纹一端焊接在内套环上；外套环表面在内外套环连接杆轴线方向开有四个供内外套环连接杆穿过的螺纹通孔，内外套环连接杆带螺纹一端穿过外套环上的螺纹通孔后由螺母连接固定；外套环周向均匀开设八个供附属圆管上、下两个端部插销穿过的插孔。
海水抽吸系统由八根沿海洋立管周向均布的附属圆管组成。每根附属圆管上、下两端都设有端部插销，端部插销可穿过外套环上的插孔将附属圆管固定；附属圆管上部布置有海水排吸孔，占整个附属圆管高度的3/4；沿附属圆管轴线方向布置有二十四组海水排吸孔，四个在同一水平面上沿附属圆管周向均布的海水排吸孔为一组，相邻两组的海水排吸孔交错分布；附属圆管下部为气体腔室，占整个附属圆管高度的1/4；腔室内充满可压缩气体，气体腔室上部依次为圆盘形的活塞和限位圆环，限位圆环固定在最下侧海水排吸孔的底部，限制活塞向上运动的空间，活塞可以在限位圆环下部空间自由地做上、下运动。
采用所述的利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置提供一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制方法。一方面，波浪起伏直接引起海面水位的升降，进而导致作用于附属圆管内活塞上的静液柱压力发生变化：（1）当海面水位上升Δh时，由于活塞与海面水位的高差增加，作用在活塞上的静液柱压力大于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体被压缩，活塞下行，海水通过海水排吸孔进入附属圆管内部，使得海洋立管绕流流体的流量发生了空间上的重新分配；同时，海水排吸孔附近的海水流向发生了改变，干扰了海洋立管绕流边界层的发展；（2）当海面水位下降Δh时，由于活塞与海面水位的高差减小，作用在活塞上的静液柱压力小于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体膨胀，活塞上行，附属圆管内部的海水通过海水排吸孔排出，从海水排吸孔排出的海水构成了局部射流，不仅给海洋立管的绕流边界层注入了动量，还对绕流流体的流量进行了空间上的再次调配，从而抑制了绕流旋涡的形成。另一方面，八根附属圆管环绕海洋立管四周，干扰了海洋立管的绕流流场，同时附属圆管自身也产生了绕流边界层，在每根附属圆管表面均存在小的旋涡脱落，对海洋立管的绕流边界层分离和旋涡脱落产生了干扰。因此，波浪起伏引起海水不断的从附属圆管吸入和排出，在绕流流量和动量不断调整以及附属圆管干扰流场的共同作用下，海洋立管的边界层分离和旋涡脱落受到了干扰，进而抑制了涡激振动。
本发明由于采取以上方案，从而具有以下优点：
1. 本发明结构对称性强，可适应于不同方向的来流；
2. 本发明利用波浪起伏实现海水抽吸，无能耗；
3. 本发明作为一个基本单元，可根据实际需要在海洋立管上串列布置。
附图说明
图1为本发明整体结构拆分示意图
图2为本发明内外套环示意图
图3为本发明附属圆管局部放大示意图
图4为本发明吸入海水时附属圆管工作示意图
图5为本发明吸入海水时平面工作原理示意图
图6为本发明排出海水附属圆管工作示意图
图7为本发明排出海水时平面工作原理示意图
其中：1、海洋立管；2、内套环；3、外套环；4、附属圆管；5、海水排吸孔；6、限位圆环；7、活塞；8、内外套环连接杆；9、插孔；10、螺纹通孔；11、端部插销；12、螺母。
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，一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置由支架和海水抽吸系统两部分构成。支架由上、下两个固定模块组成，如图2所示，一个固定模块包括两个半圆环形内套环2、两个半圆环形外套环3和四根带螺纹的内外套环连接杆8。内套环2通过螺栓连接固定在海洋立管1上；四根内外套环连接杆8在内套环2上周向均布排列，无螺纹一端焊接在内套环2上；外套环3表面在内外套环连接杆8轴线方向开有四个供内外套环连接杆8穿过的螺纹通孔10，内外套环连接杆8带螺纹一端穿过外套环3上的螺纹通孔10后由螺母12连接固定；外套环3周向均匀开设八个供附属圆管4上、下两个端部插销11穿过的插孔9。
如图3所示，海水抽吸系统由八根沿海洋立管1周向均布的附属圆管4组成。每根附属圆管4上、下两端都设有端部插销11，端部插销11可穿过外套环3上的插孔9将附属圆管4固定；附属圆管4上部布置有海水排吸孔5，占整个附属圆管4高度的3/4；沿附属圆管4轴线方向布置有二十四组海水排吸孔5，四个在同一水平面上沿附属圆管4周向均布的海水排吸孔5为一组，相邻两组的海水排吸孔5交错分布；附属圆管4下部为气体腔室，占整个附属圆管4高度的1/4；腔室内充满可压缩气体，气体腔室上部依次为圆盘形的活塞7和限位圆环6，限位圆环6固定在最下侧海水排吸孔5的底部，限制活塞7向上运动的空间，活塞7可以在限位圆环6下部空间自由地做上、下运动。
如图4、图5、图6、图7所示，采用所述的利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置提供一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制方法。一方面，波浪起伏直接引起海面水位的升降，进而导致作用于附属圆管4内活塞7上的静液柱压力发生变化：（1）当海面水位上升Δh时，由于活塞7与海面水位的高差增加，作用在活塞7上的静液柱压力大于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体被压缩，活塞7下行，海水通过海水排吸孔5进入附属圆管4内部，使得海洋立管1绕流流体的流量发生了空间上的重新分配；同时，海水排吸孔5附近的海水流向发生了改变，干扰了海洋立管1绕流边界层的发展；（2）当海面水位下降Δh时，由于活塞7与海面水位的高差减小，作用在活塞7上的静液柱压力小于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体膨胀，活塞7上行，附属圆管4内部的海水通过海水排吸孔5排出，从海水排吸孔5排出的海水构成了局部射流，不仅给海洋立管1的绕流边界层注入了动量，还对绕流流体的流量进行了空间上的再次调配，从而抑制了绕流旋涡的形成。另一方面，八根附属圆管4环绕海洋立管1四周，干扰了海洋立管1的绕流流场，同时附属圆管4自身也产生了绕流边界层，在每根附属圆管4表面均存在小的旋涡脱落，对海洋立管1的绕流边界层分离和旋涡脱落产生了干扰。因此，波浪起伏引起海水不断的从附属圆管4吸入和排出，在绕流流量和动量不断调整以及附属圆管4干扰流场的共同作用下，海洋立管1的边界层分离和旋涡脱落受到了干扰，进而抑制了涡激振动。
实施例：
如图1所示，安装本发明装置时，首先安装支架，使用螺栓连接将内套环2固定在海洋立管1上；然后安装海水抽吸系统，将八根附属圆管4两端的端部插销11穿过外套环3上的插孔9，排布有海水排吸孔5一侧位于上部，气体腔室一侧位于下部；将内外套环连接杆8穿过外套环3上的螺纹通孔10并在带有螺纹一侧装上螺母12进行固定。
安装完毕后，将安有该装置的海洋立管1垂直放置于海流中。一方面，波浪起伏直接引起海面水位的升降，进而导致作用于附属圆管4内活塞7上的静液柱压力发生变化：（1）当海面水位上升Δh时，由于活塞7与海面水位的高差增加，作用在活塞7上的静液柱压力大于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体被压缩，活塞7下行，海水通过海水排吸孔5进入附属圆管4内部，使得海洋立管1绕流流体的流量发生了空间上的重新分配；同时，海水排吸孔5附近的海水流向发生了改变，干扰了海洋立管1绕流边界层的发展；（2）当海面水位下降Δh时，由于活塞7与海面水位的高差减小，作用在活塞7上的静液柱压力小于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体膨胀，活塞7上行，附属圆管4内部的海水通过海水排吸孔5排出，从海水排吸孔5排出的海水构成了局部射流，不仅给海洋立管1的绕流边界层注入了动量，还对绕流流体的流量进行了空间上的再次调配，从而抑制了绕流旋涡的形成。另一方面，八根附属圆管4环绕海洋立管1四周，干扰了海洋立管1的绕流流场，同时附属圆管4自身也产生了绕流边界层，在每根附属圆管4表面均存在小的旋涡脱落，对海洋立管1的绕流边界层分离和旋涡脱落产生了干扰。因此，波浪起伏引起海水不断的从附属圆管4吸入和排出，在绕流流量和动量不断调整以及附属圆管4干扰流场的共同作用下，海洋立管1的边界层分离和旋涡脱落受到了干扰，进而抑制了涡激振动。
Claims (2)
1.一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置，由支架和海水抽吸系统两部分构成，支架由上、下两个固定模块组成，一个固定模块包括两个半圆环形内套环(2)、两个半圆环形外套环(3)和四根带螺纹的内外套环连接杆(8)；内套环(2)通过螺栓连接固定在海洋立管(1)上；四根内外套环连接杆(8)在内套环(2)上周向均布排列，无螺纹一端焊接在内套环(2)上；外套环(3)表面在内外套环连接杆(8)轴线方向开有四个供内外套环连接杆(8)穿过的螺纹通孔(10)，内外套环连接杆(8)带螺纹一端穿过外套环(3)上的螺纹通孔(10)后由螺母(12)连接固定；海水抽吸系统由八根沿海洋立管(1)周向均布的附属圆管(4)组成；其特征在于：所述的外套环(3)周向均匀开设八个供附属圆管(4)上、下两个端部插销(11)穿过的插孔(9)；附属圆管(4)上、下两端都设有端部插销(11)，端部插销(11)可穿过外套环(3)上的插孔(9)将附属圆管(4)固定；附属圆管(4)上部布置有海水排吸孔(5)，占整个附属圆管(4)高度的3/4；沿附属圆管(4)轴线方向布置有二十四组海水排吸孔(5)，四个在同一水平面上沿附属圆管(4)周向均布的海水排吸孔(5)为一组，相邻两组的海水排吸孔(5)交错分布；附属圆管(4)下部为气体腔室，占整个附属圆管(4)高度的1/4；腔室内充满可压缩气体，气体腔室上部依次为圆盘形的活塞(7)和限位圆环(6)，限位圆环(6)固定在最下侧海水排吸孔(5)的底部，限制活塞(7)向上运动的空间。
2.一种利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制方法，采用如权利要求1所述的利用波浪起伏压差排吸海水的涡激振动抑制装置；其特征在于：一方面，波浪起伏直接引起海面水位的升降，进而导致作用于附属圆管(4)内活塞(7)上的静液柱压力发生变化；当海面水位上升Δh时，由于活塞(7)与海面水位的高差增加，作用在活塞(7)上的静液柱压力大于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体被压缩，活塞(7)下行，海水通过海水排吸孔(5)进入附属圆管(4)内部，使得海洋立管(1)绕流流体的流量发生了空间上的重新分配；同时，海水排吸孔(5)附近的海水流向发生了改变，干扰了海洋立管(1)绕流边界层的发展；当海面水位下降Δh时，由于活塞(7)与海面水位的高差减小，作用在活塞(7)上的静液柱压力小于气体腔室内的压力，导致气体腔室内的气体膨胀，活塞(7)上行，附属圆管(4)内部的海水通过海水排吸孔(5)排出，从海水排吸孔(5)排出的海水构成了局部射流，不仅给海洋立管(1)的绕流边界层注入了动量，还对绕流流体的流量进行了空间上的再次调配，从而抑制了绕流旋涡的形成；另一方面，八根附属圆管(4)环绕海洋立管(1)四周，干扰了海洋立管(1)的绕流流场，同时附属圆管(4)自身也产生了绕流边界层，在每根附属圆管(4)表面均存在小的旋涡脱落，对海洋立管(1)的绕流边界层分离和旋涡脱落产生了干扰；因此，波浪起伏引起海水不断的从附属圆管(4)吸入和排出，在绕流流量和动量不断调整以及附属圆管(4)干扰流场的共同作用下，海洋立管(1)的边界层分离和旋涡脱落受到了干扰，进而抑制了涡激振动。
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Granted publication date: 20190716 Termination date: 20200504 |