CN109281621A - 一种抑振列板旋转发电与防腐装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及抑振列板旋转发电与防腐的装置及方法，装置由套筒组件和电路系统组成。套筒组件在海流带动下，外筒旋转，旋转的类DNA列板扰乱了立管周围的流场，破坏了绕流旋涡的形成，进而抑制了立管的涡激振动。电路系统包括切割磁感应线生电和外加电流防腐两部分。内筒的上、下两端各固定有一个内嵌磁极的磁极密封圈，在装置的周围产生了磁场，类DNA列板旋转时，放射状短板中的导体切割磁感应线产生了电流，电流经过类DNA列板中的导线到导电片，再通过滑动接头输送至蓄电器，蓄电器中的电流通过输出接头分别接至立管和辅助阳极，实现立管的外加电流防腐。类DNA列板旋转同步实现了立管涡激振动的抑制和立管外加电流防腐的功能。

Description

一种抑振列板旋转发电与防腐装置及方法
技术领域
本发明属于海洋举升管铺设技术领域，具体涉及一种抑振列板旋转发电与防腐装置及方法。
背景技术
在经济飞速发展的今天，能源需求不断上涨，而诸如石油、天然气等传统能源属于不可再生资源，其资源储量逐年下降，我国油气对外依存度居高不下，而大力开发海洋油气资源是降低目前油气对外依存度的关键方法之一。
在海洋油气开发时，海洋立管是连接海床井口或海底管道与海面浮式设施的关键纽带，由于海洋环境复杂恶劣，尤其深水环境更加复杂多变，在波、流作用下持续涡激振动，极易发生疲劳损坏，且立管在海水中极易腐蚀，这不仅威胁着开采作业的安全稳定性，还对海洋生态环境构成了极大的威胁。因此，立管防腐及涡激振动的抑制一直是海洋工程作业关注的焦点，也是向深水迈进的技术瓶颈。
现今，涡激振动的被动抑制装置主要通过改变立管表面形状，造成边界层分离点的迁移，从而抑制尾流旋涡的形成或发展，如分离盘、整流罩、整流飘带、螺旋列板等。这些装置大多采用金属材质，增加了立管的负重，需要配备更大的浮力块，且金属材质的抑制装置浸泡在海水中易产生腐蚀，从而失去抑制效果。另外，海流方向不断变化，随流转动的抑制装置才能真正适应流向连续变化的海洋环境。涡激振动的主动抑制装置需要注入外部能量来驱动附属装置转动，能耗较大，不便于现场采用。立管的防腐则一般采用防腐层或者阴极保护法。因电源布置的不便，很少采用外加电流保护法，而海洋中的波浪、海流、潮汐蕴藏着巨大的能量，这是一种无污染的清洁能源。为何不就地取材，让茫茫海洋成为天然的电源呢？
发明内容
为解决背景技术所提出的问题，本发明的目的在于提供一种无污染、性能可靠、能够自动适应任意方向来流的抑振列板旋转发电与防腐的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抑振列板旋转发电与防腐的装置，由一个套筒组件和电路系统构成。套筒组件包括一个内筒、一个滚柱轴承、一个外筒；电路系统包括两个磁极密封圈、一个辅助阳极、一个蓄电器、一个导电旋转滑槽圈、导体及导线。
内筒为一个整体圆筒结构，由轻质金属一次性加工完成。内筒内径等于立管的外径，固定安装在立管外壁。内筒上部壁面开有一小孔，供防腐电路导线通过。内筒中上部开有两个螺纹孔，用于安装固定蓄电器。内筒中部设有与滚柱轴承高度相同的外螺纹，用于与滚柱轴承的内螺纹衔接。
所述的滚柱轴承为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，滚柱轴承内径等于内筒外径，滚柱轴承的内壁设有内螺纹。
外筒为一个带有两列螺旋形类DNA列板的圆筒构件。外筒的内径等于滚柱轴承的外径，两列螺旋形类DNA列板的螺旋方向一致。两列类DNA列板的螺旋起始点沿外筒周向相距 180°，螺旋类DNA列板的螺旋直径为外筒直径的1.5倍。类DNA列板两端点通过放射状短板支撑在外筒外壁上，放射状短板垂直于外筒外壁，在两列类DNA列板螺旋起点的放射状短板处均开有与外筒内壁连通的通孔。类DNA列板绕外筒旋转360°，沿类DNA列板每旋转 45°处均设有一根支撑于外筒外壁的放射状短板。放射状短板内部开有圆柱槽，用于放置切割磁感应线的导体。每列类DNA列板处放射状短板中的导体通过导线以串联的方式连接。每列类DNA列板内部开有长方体槽道，作为导线的通道。导线自螺旋起点开始在类DNA列板内部的长方体槽道来回一圈，每列类DNA列板中导线的两端都从类DNA列板螺旋起点处的外筒壁面通孔接出，直至导电旋转滑槽圈的导线进线口。
磁极密封圈由对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接而成。磁极密封圈的内径等于内筒的外径。磁极密封圈内壁周向开有凹槽，凹槽内嵌圆环形磁极。一个磁极密封圈套装在内筒顶端，该磁极密封圈的上、下两个表面分别与内筒上表面齐平、与外筒上表面重合。另一个磁极密封圈套装在内筒的底端，该磁极密封圈的上、下两个表面分别与外筒的下表面重合、与内筒的下表面齐平。
辅助阳极为铅-银阳极，固定在立管外壁上，辅助阳极上有一个导电弹片，用于连接蓄电器输出接头的阳极。立管外壁也设有一个导电弹片，用于连接蓄电器输出接头的阴极。辅助阳极、立管与蓄电器三者通过导线连接形成外加电流防腐电路。
蓄电器为一个立方体结构，顶部有两个输出接头。蓄电器正面有两个螺纹孔，螺纹孔从前至后贯穿整个蓄电器，由螺栓穿过蓄电器与内筒对应的螺栓孔安装固定。蓄电器下端有两个滑动接头，滑动接头可导电，滑动接头一前一后，前短后长，且滑动接头为上小下大的圆柱体，用于扣接在导电旋转滑槽圈的滑槽里。
导电旋转滑槽圈由对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接套装在内筒上。导电旋转滑槽圈的内径比内筒的外径大，使得导电旋转滑槽圈相对于蓄电器自由旋转。导电旋转滑槽圈沿径向由内至外在上表面的周向开了两个与蓄电器的滑动接头相契合的内、外凹槽，凹槽底部嵌有导电片。在每半个导电旋转滑槽圈的中部外壁开有上、下两个导线进线口，上进线口贯穿至外凹槽，下进线口贯穿至内凹槽。外筒类DNA列板中的导线两端由外筒壁面通孔接出至导电旋转滑槽圈上的两个导线进线口，导线两端与导电旋转滑槽圈里的导电片连接。
利用所述的抑振列板旋转发电与防腐的装置可以提供一种抑振列板旋转发电与防腐的方法。海流流经立管时，流动方向与类DNA列板存在攻角，冲击类DNA列板旋转，类DNA列板在海流的作用下产生扭矩后，带动外筒绕内筒旋转，旋转的类DNA列板扰乱了立管周围的流场，破坏了绕流旋涡的形成，进而抑制了立管的涡激振动。同时，由于内筒的上、下两端各固定有一个磁极密封圈，在抑振列板旋转发电与防腐装置的周围产生了磁场，类DNA列板旋转时，放射状短板中的导体切割磁感应线产生了电流，电流经过类DNA列板中的导线输送至导电旋转滑槽圈中的导电片，电流再通过与导电片连接的滑动接头输送至蓄电器，蓄电器中的电流通过输出接头分别接至立管和辅助阳极，实现立管的外加电流防腐。因而，类DNA 列板旋转同步实现了立管涡激振动的抑制和立管外加电流防腐的功能。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明装置在任意方向海流的冲击下均可自由旋转，适用于流向频繁随机变化的海流真实环境；
2、本发明装置在实现了自给发电用于立管外加电流防腐的同时抑制了立管的涡激振动，充分利用了海流能。
附图说明
图1为本发明装置总体拆装结构示意图；
图2为本发明装置整体结构示意图；
图3为本发明装置内筒组装示意图；
图4为本发明装置蓄电器及导电旋转滑槽圈拆装示意图；
图5为本发明装置磁极密封圈结构示意图；
图6为本发明装置防腐机理示意图；
图7为本发明装置导体切割磁感应线机理示意图；
其中：1、立管；2、内筒；3、蓄电器；4、导电旋转滑槽圈；5、滚柱轴承；6、外筒；7、磁极密封圈；8、类DNA列板；9、放射状短板；10、导电弹片；11、辅助阳极；12、输出接头；13、滑动接头；14、导电片；15、导线进线口；16、滑槽；17、磁极；18、导体。
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，一种抑振列板旋转发电与防腐的装置，由立管1、内筒2、蓄电器3、导电旋转滑槽圈4、滚柱轴承5、外筒6、两个磁极密封圈7、外筒6外壁上的类DNA列板8和放射状短板9、立管1和辅助阳极11上的导电弹片10、一个辅助阳极11，共同组装而成。
内筒2为一个整体圆筒结构，由轻质金属一次性加工完成，如图3所示。内筒2内径等于立管1的外径，固定安装在立管1外壁。内筒2上部壁面开有一小孔，供防腐电路导线通过。内筒2中上部开有两个螺纹孔，用于安装固定蓄电器3。内筒2中部设有与滚柱轴承5高度相同的外螺纹，用于与滚柱轴承5的内螺纹衔接。
所述的滚柱轴承5为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，滚柱轴承5内径等于内筒2外径，滚柱轴承5的内壁设有内螺纹。
如图2所示，外筒6为一个带有两列螺旋形类DNA列板8的圆筒构件。外筒6的内径等于滚柱轴承5的外径。两列螺旋形类DNA列板8的螺旋方向一致。两列类DNA列板8的螺旋起始点沿外筒周向相距180°，螺旋类DNA列板8的螺旋直径为外筒6直径的1.5倍。类 DNA列板8两端点通过放射状短板9支撑在外筒6外壁上，放射状短板9垂直于外筒6外壁，在两列类DNA列板8螺旋起点的放射状短板9处均开有与外筒2内壁连通的通孔。类 DNA列板8绕外筒6旋转360°，沿类DNA列板8每旋转45°处均设有一根支撑于外筒6外壁的放射状短板9。放射状短板9内部开有圆柱槽，用于放置切割磁感应线的导体18。每列类DNA列板8处放射状短板9中的导体18通过导线以串联的方式连接。每列类DNA列板 8内部开有长方体槽道，作为导线的通道。导线自螺旋起点开始在类DNA列板8内部的长方体槽道来回一圈，每列类DNA列板8中导线两端都从类DNA列板8螺旋起点处的外筒6壁面的通孔接出，直至导电旋转滑槽圈4的导线进线口15。
如图5所示，磁极密封圈7由对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接而成。磁极密封圈 7的内径等于内筒2的外径，磁极密封圈7内壁周向开有凹槽，凹槽内嵌圆环形磁极17。一个磁极密封圈7套装在内筒2顶端，该磁极密封圈7的上、下两个表面分别与内筒2上表面齐平、与外筒6上表面重合。另一个磁极密封圈7套装在内筒2的底端，该磁极密封圈7的上、下两个表面分别与外筒6的下表面重合、与内筒2的下表面齐平。
如图6所示，辅助阳极11为铅-银阳极，固定在立管1外壁上。辅助阳极11上有一个导电弹片10，用于连接蓄电器3上输出接头12的阳极。立管1外壁也设有一个导电弹片10，用于连接蓄电器3上输出接头12的阴极。辅助阳极11、立管1与蓄电器3三者通过导线连接形成外加电流防腐电路。
如图4所示，蓄电器3为一个立方体结构，顶部有两个输出接头12。蓄电器3正面有两个螺纹孔，螺纹孔从前至后贯穿整个蓄电器3，由螺栓穿过蓄电器3与内筒2对应的螺栓孔安装固定。蓄电器3下端有两个滑动接头13，滑动接头13可导电，滑动接头13一前一后，前短后长，且滑动接头13为上小下大的圆柱体，用于扣接在导电旋转滑槽圈4的滑槽16里。
如图4所示，导电旋转滑槽圈4由对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接而成。导电旋转滑槽圈4的内径比内筒2的外径大，使得导电旋转滑槽圈4相对于蓄电器3自由旋转。导电旋转滑槽圈4沿径向由内至外在上表面的周向开了两个与蓄电器3的滑动接头13相契合的内、外凹槽，凹槽底部嵌有导电片14。在每半个导电旋转滑槽圈4的中部外壁开有上、下两个导线进线口15，上进线口贯穿至外凹槽，下进线口贯穿至内凹槽。外筒2类DNA列板 8中的导线两端由外筒2壁面通孔接出至导电旋转滑槽圈4上的两个导线进线口15，与导电旋转滑槽圈4里的导电片14连接。
如图7所示，利用所述的抑振列板旋转发电与防腐的装置可以提供一种抑振列板旋转发电与防腐的方法。海流流经立管1时，流动方向与类DNA列板8存在攻角，冲击类DNA列板8旋转，类DNA列板8在海流的作用下产生扭矩后，带动外筒6绕内筒2旋转，旋转的类DNA列板8扰乱了立管1周围的流场，破坏了绕流旋涡的形成，进而抑制了立管1的涡激振动。同时，由于内筒2的上、下两端各固定有一个磁极密封圈7，在抑振列板旋转发电与防腐装置的周围产生了磁场，类DNA列板8旋转时，放射状短板9中的导体18切割磁感应线产生了电流，电流经过类DNA列板8中的导线输送至导电旋转滑槽圈4中的导电片14，电流再通过与导电片14连接的滑动接头13输送至蓄电器3，蓄电器3中的电流通过输出接头12分别接至立管1和辅助阳极11，实现立管1的外加电流防腐。因而，类DNA列板旋转同步实现了立管1涡激振动的抑制和立管1外加电流防腐的功能。
实施例：
安装本发明装置时，首先将内筒2固定安装在立管1上。
其次将一个导电弹片10固定粘合在立管1外壁，并将辅助阳极11也固定在立管1外壁，另一个导电弹片10固定粘合在辅助阳极11上。将蓄电器3上的螺栓孔与内筒2上的螺栓孔轴向对齐，通过螺栓将蓄电器3安装固定在内筒2上。将蓄电器3上输出接头12的阳极通过导线固定连接在辅助阳极11上的导电弹片10上，将蓄电器3上输出接头12的阴极通过导线固定连接在立管1外壁的导电弹片10上。
接着，将滚柱轴承5内壁的内螺纹与内筒2外壁的外螺纹拧合。
随后，将导电片14固定安装在导电旋转滑槽圈4的滑槽16里，将蓄电器3下方的滑动接头13扣接在导电旋转滑槽圈4的滑槽16里，之后将导电旋转滑槽圈4通过螺栓对接套装在内筒2上。
然后，将外筒6的每列类DNA列板8中导线两端经外筒6外壁的通孔接出至导电旋转滑槽圈4的导线进线口15，导线两端通过导线进口15固定安装在导电片14上。
然后，如图2所示，将外筒6套装在滚柱轴承5外部，将外筒6的内壁与滚柱轴承5的外壁贴合固定连接。
最后，将一个磁极密封圈7套装在内筒2顶端，该磁极密封圈7的上、下两个表面分别与内筒2上表面齐平、与外筒6上表面重合。另一个磁极密封圈7套装在内筒2的底端，该磁极密封圈7的上、下两个表面分别与外筒6的下表面重合、与内筒2的下表面齐平。
安装完毕之后，海流流经立管1时，流动方向与类DNA列板8存在攻角，冲击类DNA列板8旋转，类DNA列板8在海流的作用下产生扭矩后，带动外筒6绕内筒2旋转，旋转的类DNA列板8扰乱了立管1周围的流场，破坏了绕流旋涡的形成，进而抑制了立管1的涡激振动。同时，由于内筒2的上、下各固定有一个磁极密封圈7，在抑振列板旋转发电与防腐装置的周围产生了由上至下的磁场，类DNA列板8旋转时，放射状短板9中的导体18切割磁感线产生了电流，电流经过类DNA列板8中的导线输送至导电旋转滑槽圈4中的导电片14，电流再通过与导电片14连接的滑动接头13输送至蓄电器3，蓄电器3中的电流通过输出接头12分别接至立管1和辅助阳极11，实现立管1的外加电流防腐。因而，类DNA列板旋转同步实现了立管涡激振动的抑制和立管外加电流防腐的功能。

Claims (3)

1.一种抑振列板旋转发电与防腐的装置，由一个套筒组件和电路系统构成；套筒组件包括一个内筒(2)、一个滚柱轴承(5)、一个外筒(6)；电路系统包括两个磁极密封圈(7)、一个辅助阳极(11)、一个蓄电器(3)、一个导电旋转滑槽圈(4)、导体(18)及导线；内筒(2)为一个整体圆筒结构，由轻质金属一次性加工完成；内筒(2)内径等于立管(1)的外径，固定安装在立管(1)外壁；滚柱轴承(5)为内嵌圆柱滚子的内外圈结构，滚柱轴承(5)内径等于内筒(2)外径，滚柱轴承(5)的内壁设有内螺纹；外筒(6)为一个带有两列螺旋形类DNA列板(8)的圆筒构件；外筒6的内径等于滚柱轴承(5)的外径，两列螺旋形类DNA列板(8)的螺旋方向一致；磁极密封圈(7)由对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接而成；磁极密封圈(7)的内径等于内筒(2)的外径；一个磁极密封圈(7)套装在内筒(2)顶端，该磁极密封圈(7)的上、下两个表面分别与内筒(2)上表面齐平、与外筒(6)上表面重合；另一个磁极密封圈(7)套装在内筒(2)的底端，该磁极密封圈(7)的上、下两个表面分别与外筒(6)的下表面重合、与内筒(2)的下表面齐平；辅助阳极(11)为铅-银阳极，固定在立管(1)外壁上，辅助阳极(11)上有一个导电弹片(10)，用于连接蓄电器(3)输出接头(12)的阳极；立管(1)外壁也设有一个导电弹片(10)，用于连接蓄电器(3)输出接头(12)的阴极；辅助阳极(11)、立管(1)与蓄电器(3)三者通过导线连接形成外加电流防腐电路；蓄电器(3)为一个立方体结构，顶部有两个输出接头(12)；蓄电器(3)正面有两个螺纹孔，螺纹孔从前至后贯穿整个蓄电器(3)，由螺栓穿过蓄电器(3)与内筒(2)对应的螺栓孔安装固定；导电旋转滑槽圈(4)由对称的两个半圆环形构件通过螺栓连接套装在内筒(2)上；导电旋转滑槽圈(4)的内径比内筒(2)的外径大，使得导电旋转滑槽圈(4)相对于蓄电器(3)自由旋转；其特征在于：所述内筒(2)上部壁面开有一小孔，供防腐电路导线通过；内筒(2)中上部开有两个螺纹孔，用于安装固定蓄电器(3)；内筒(2)中部设有与滚柱轴承(5)高度相同的外螺纹，用于与滚柱轴承(5)的内螺纹衔接；所述类DNA列板(8)两端点通过放射状短板(9)支撑在外筒(6)外壁上，放射状短板(9)垂直于外筒(6)外壁，在两列类DNA列板(8)螺旋起点的放射状短板(9)处均开有与外筒(6)内壁连通的通孔；放射状短板(9)内部开有圆柱槽，用于放置切割磁感应线的导体(18)；每列类DNA列板(8)处放射状短板(9)中的导体(18)通过导线以串联的方式连接；每列类DNA列板(8)内部开有长方体槽道，作为导线的通道；导线自螺旋起点开始在类DNA列板(8)内部的长方体槽道来回一圈，每列类DNA列板(8)中导线的两端都从类DNA列板(8)螺旋起点处的外筒(6)壁面通孔接出，直至导电旋转滑槽圈(4)的导线进线口；所述磁极密封圈(7)内壁周向开有凹槽，凹槽内嵌圆环形磁极(17)；所述蓄电器(3)下端有两个滑动接头(13)，滑动接头(13)可导电，滑动接头(13)一前一后，前短后长，且滑动接头(13)为上小下大的圆柱体，用于扣接在导电旋转滑槽圈(4)的滑槽(16)里；所述导电旋转滑槽圈(4)沿径向由内至外在上表面的周向开了两个与蓄电器(3)的滑动接头(13)相契合的内、外凹槽，凹槽底部嵌有导电片(14)，在每半个导电旋转滑槽圈(4)的中部外壁开有上、下两个导线进线口(15)，上进线口贯穿至外凹槽，下进线口贯穿至内凹槽，外筒(6)类DNA列板(8)中的导线两端由外筒(6)壁面通孔接出至导电旋转滑槽圈(4)上的两个导线进线口(15)，导线两端与导电旋转滑槽圈(4)里的导电片(14)连接。
2.如权利要求1所述的抑振列板旋转发电与防腐的装置，其特征在于：所述两列类DNA列板(8)的螺旋起始点沿外筒(6)周向相距180°，螺旋类DNA列板(8)的螺旋直径为外筒(6)直径的1.5倍；所述类DNA列板(8)绕外筒(6)旋转360°，沿类DNA列板(8)每旋转45°处均设有一根支撑于外筒(6)外壁的放射状短板(9)。
3.利用如权利要求1所述的利用抑振列板旋转发电与防腐的装置可以提供一种抑振列板旋转发电与防腐的方法，其特征在于：海流流经立管(1)时，流动方向与类DNA列板(8)存在攻角，冲击类DNA列板(8)旋转，类DNA列板(8)在海流的作用下产生扭矩后，带动外筒(6)绕内筒(2)旋转，旋转的类DNA列板(8)扰乱了立管(1)周围的流场，破坏了绕流旋涡的形成，进而抑制了立管(1)的涡激振动，同时，由于内筒(2)的上、下两端各固定有一个磁极密封圈(7)，在抑振列板旋转发电与防腐装置的周围产生了磁场，类DNA列板(8)旋转时，放射状短板(9)中的导体(18)切割磁感应线产生了电流，电流经过类DNA列板(8)中的导线输送至导电旋转滑槽圈(4)中的导电片(14)，电流再通过与导电片(14)连接的滑动接头(13)输送至蓄电器(3)，蓄电器(3)中的电流通过输出接头(12)分别接至立管(1)和辅助阳极(11)，实现立管(1)的外加电流防腐，因而，类DNA列板(8)旋转同步实现了立管(1)涡激振动的抑制和立管(1)外加电流防腐的功能。
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