CN110541677A - 一种抑制涡激振动的装置、海洋立管和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制涡激振动的装置、海洋立管和方法，包括壳体，壳体的外侧具有突出于壳体外表面的多个脊部，多个脊部平行；相邻两个脊部之间形成槽部，脊部和槽部之间圆滑过渡；多个脊部呈螺旋状分布于壳体的外表面。本发明中的螺旋状的脊部与主体是一体的，脊部与槽部之间是圆滑的，其更符合生物特征，能够达到更好的抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程建设领域，具体的，涉及一种抑制涡激振动的装置、海洋立管和方法。
背景技术
随着陆上及浅海石油资源的日趋枯竭，许多国家和地区已经把目光转向了油气资源丰富的深海区域。立管是深海油气开发系统中连接海面作业平台和海底钻采设施的关键结构。当海流经过立管时，在立管两侧产生交替脱落的涡旋，从而在结构表面形成周期性的脉动力引起立管振动，当漩涡脱落频率接近立管的某阶自振频率时，漩涡脱落频率和立管振动频率相互锁定导致立管大幅振动，这种振动称为涡激振动。涡激振动是导致海洋立管及其他圆柱形结构物疲劳破坏的重要原因之一。实际工程中为减小或者消除涡激振动的影响，延长海洋立管的使用寿命，往往需要采用涡激振动抑制措施。
现有用于圆柱状结构物涡激振动抑制的技术，包括整流罩、导流板和螺旋列板等抑制装置，其缺点主要有以下几个方面：①这些抑制装置结构相对复杂，安装和储存困难，需要额外的安装费用，且在海流的作用下易发生脱落，不易维护，材料难以回收利用；②导流板需要随着来流方向旋转，设计复杂，限制了其在深水中的应用，且使用寿命较短；③螺旋列板的抑制效果受螺距，螺纹头数目、长度的影响较大，增加了设计难度。
发明内容
针对现有的圆柱状结构涡激振动抑制技术的不足，本发明旨在一种抑制涡激振动的装置和方法，根据富氏天轮柱(Cereus Forbesii Spiralis)的生物学特征的启发，采用注塑或挤出技术制造一种全新的浮体，本发明中的螺旋状的脊部与圆柱状结构主体是一体的，脊部与槽部之间是圆滑的，其更符合生物特征，能够达到更好的涡激振动抑制效果。
本发明的第一目的，是提供一种抑制涡激振动的装置。
本发明的第二目的，是提供一种抑制涡激振动的海洋立管。
本发明的第三目的，是提供一种抑制涡激振动的方法。
本发明的第四目的，是提供一种抑制丛式布置立管群涡激振动的方法。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种抑制涡激振动的装置，包括壳体，壳体的外侧具有突出于壳体外表面的多个脊部，多个脊部平行；多个脊部之间形成多个槽部，脊部和槽部之间圆滑过渡；多个脊部呈螺旋状分布于壳体的外表面。
进一步，所述壳体呈筒状；或者，所述壳体呈弧形面状，多个所述壳体能够拼合成筒状。
进一步，所述脊部的数量为8至24之间的任意数目。
进一步，所述壳体能够套接于立管外部，取槽部最低点所围成圆的直径D，所述脊部高度与装置或浮体直径的比例可在4％D到16％D之间。
进一步，所述壳体脊部的螺距可在2D到16D之间。
进一步，所述壳体和脊部一体成型。
进一步，所述壳体和脊部由非金属复合材料直接注塑或挤出成型，所述非金属复合材料包括密度大于或等于或小于水的多种材料。
其次，本发明还公开了一种抑制涡激振动的海洋立管，立管的外表面具有多个脊部，多个脊部平行；多个脊部之间形成多个槽部，脊部和槽部之间圆滑过渡；多个脊部呈螺旋状分布于立管的外表面。
第三，本发明还公开了一种抑制涡激振动的方法，使用所述的抑制涡激振动的装置，包括以下步骤：
1)根据海洋立管外径的尺寸，制作多对尺寸相同的半圆环形壳体，每对壳体在合成一个环形柱体时，分布在两个壳体外表面的脊部相互吻合形成螺旋结构；
2)在海洋立管径向上连续设置成对的壳体：两个壳体紧贴在管道表面上，按照两个壳体外表面的脊部或凹槽分别相互吻合形成螺旋结构的方式构成一个套筒，固定连接在海洋立管上。
第四，本发明还公开了一种抑制丛式布置立管群涡激振动的方法，包含了多个套有所述的抑制涡激振动装置的海洋立管或多个所述抑制涡激振动的海洋立管，立管丛式布置，指多个所述的套有抑制涡激振动装置的海洋立管或多个所述的抑制涡激振动的海洋立管按照一定的几何型式进行布置，包括但不限于矩形、菱形或三角形。
本发明的原理是，受到富氏天轮柱(Cereus Forbesii Spiralis)的启发，富氏天轮柱一般生长在常见大风的恶劣环境中，而且能够长得很高，其表面螺旋形状的结构起到了很大的作用，能够对来流施加一定扰动，破坏漩涡的规则形成和脱落，从而降低作用在结构上的流体力。发明人认为表面的螺旋形状能够降低大风速下施加在富氏天伦柱表面的流体力，因此这种形状结构对于抑制涡激振动是有益的。发明人借鉴了这种结构，将这种结构应用于海洋立管中，同样能够起到抑制涡激振动的效果。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
1)相对于传统的使用螺旋列板及螺旋凹槽的组合形式的涡激振动抑制的技术，本发明不仅能够对来流施加一定扰动而改变雷诺数，使得流动状态提前进入湍流状态，破坏漩涡的规则形成与脱落，达到抑制涡激振动的效果，由于本发明中的螺旋状的脊部与主体是一体的，脊部与槽部之间是圆滑的，其更符合生物特征，能够达到更好的抑制效果。
2)由于本发明把脊部与壳体或者海洋立管融为一体，因此实施的过程中不需要另外使用螺旋列板和凹槽构造螺旋形，相对于传统的施工方法更加简单高效。
3)本发明中，套筒的壳体可以通过模具注塑或挤出批量生产，简化制造工艺，降低制造成本，安装工艺简单，可以通过流水线安装，提高工作效率，降低施工成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1中展示了脊部的示意图，
图2为实施例1截面示意图，
图3为实施例1在实验中水流速度v＝0.20米/秒时测得的振动微应变图，
图4为现有的圆形截面海洋立管模型在实验中水流速度v＝0.20米/秒时测得的振动微应变图，
图5为实施例1在实验中水流速度v＝0.24米/秒时测得的振动微应变图，
图6为现有的圆形截面海洋立管模型在实验中水流速度v＝0.24米/秒时测得的振动微应变图，
图7为实施例1在实验中水流速度v＝0.28米/秒时测得的振动微应变图，
图8为现有的圆形截面海洋立管模型在实验中水流速度v＝0.28米/秒时测得的振动微应变图，
图9为实施例1在实验中水流速度v＝0.32米/秒时测得的振动微应变图，
图10为现有的圆形海洋立管模型在实验中水流速度v＝0.32米/秒时测得的振动微应变图，
图11为实施例1在实验中水流速度v＝0.36米/秒时测得的振动微应变图，
图12为现有的圆形海洋立管模型在实验中水流速度v＝0.36米/秒时测得的振动微应变图，
图13为不同水流速度下的振动幅值对比结果图，
图14为实施例3结构示意图，
图15为立管的结构示意图，
图中，1、脊部，2、槽部，3、外层，4、增强层，5、内衬层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，针对现有的圆柱状结构物涡激振动抑制技术的不足，本发明旨在一种抑制涡激振动的浮体，根据富氏天轮柱(Cereus Forbesii Spiralis) 的生物学特征的启发，采用注塑或挤出技术制造一种全新的浮体，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
实施例1公开了一种抑制涡激振动的装置，包括壳体，壳体的外侧具有突出于壳体外表面的多个脊部1，多个脊部1平行；多个脊部1之间形成多个槽部2，脊部1和槽部2之间圆滑过渡；多个脊部1呈螺旋状分布于壳体的外表面。
壳体呈筒状；或者，壳体呈弧形面状，多个壳体能够拼合成筒状。
壳体和脊部1一体成型。
壳体和脊部1由非金属复合材料注塑或挤出成型，所述非金属复合材料包括密度大于或等于海水密度的多种材料，如高密度聚乙烯。
具体的，如图1所示，脊部是突出与壳体表面的螺旋状的突出部。
在本实施例的测试中，脊部1的数量可选取8至24的任意数目，由于浮体直径根据实际应用立管的直径确定，因此根据立管直径来确定脊部1的高度，其高度与立管直径的比例可在4％到16％之间，脊部的螺距取为2D至16D之间。
以脊高为直径4％，脊个数为12、16和20的三组模型为例，通过CFD商业软件ANSYSFluent进行数值仿真，并通过3D打印技术制作富氏天轮柱(Cereus ForbesiiSpiralis)截面的模型，开展水槽实验研究。
所述水槽实验是现代海洋工程领域中常用的实验方法，具体不再赘述，在所述水槽实验中，获得的实验结果如图2～图11所示，其中，CF代表垂直于水流速度的方向，IL代表平行于水流速度的方向，X轴方向为时间(单位为秒)， Y方向为微应变值(无量纲)，为应变值的平均值，RMS为应变值的均平方根。
图13展示了不同水流速度下的振动幅值对比结果，其X轴为水流的约化速度(约化速度＝水流速度/(海洋立管水中固有频率×海洋立管特征长度))， Y轴为振动幅值，其中，IL(Circle)为现有的圆形截面海洋立管在平行于水流方向的振动幅值的实验数据，CF(Circle)为现有的圆形截面海洋立管在垂直于水流方向的振动幅值的实验数据，IL(Cactus)为本实施例在平行于水流方向的振动幅值的实验数据，CF(Circle)为本实施例在垂直于水流方向振动幅值的实验数据。
从以上数据中可以得出，相对于传统的圆形截面海洋立管，本实施例所示的海洋立管在抑制涡激振动方面的效果更好。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，用于制作壳体的非金属复合材料为密度小于海水的多种材料，如密度低于水的高分子材料(低密度聚乙烯)，以提供一定的浮力。
实施例3
一种抑制涡激振动的海洋立管，立管的外表面具有突出于壳体外表面的多个脊部，多个脊部平行；多个脊部之间形成多个槽部，脊部和槽部之间圆滑过渡；多个脊部呈螺旋状分布于立管的外表面。本实施例能够破坏漩涡的规则形成和脱落，达到抑制涡激振动的效果。
更为具体的，如图15所示，所述立管采用复合材料制作，立管由外到内分为三层，分别为外层3、增强层4和内衬层5，外层3直接注塑或挤出为螺旋的凹槽部和脊部，从而节省了安装抑制装置的费用；外层3还能作为保护层对内层起到保护作用，还可以起到抑制涡激振动的作用。增强层4为强度较高的材料，如金属网罩或高强度纤维织物或其复合材料，内衬层5为树脂挤出或注塑成型。
在本实施例的测试中，立管直径取槽部最低点所围成圆的直径D(如图2 所示)，立管外层的脊的个数为8至24的任意数目；根据实际应用立管的直径D确定脊高，取立管直径的4％至16％之间；立管外保护层的螺距取2D至 16D之间，通过CFD商业软件ANSYSFluent进行数值仿真，以脊高为直径4％、脊个数为10的模型为例进行对比，结果显示，相对于传统的圆形截面海洋立管，本实施例所示的海洋立管在抑制涡激振动方面的效果均更良好。
实施例4
本实施例公开了一种抑制涡激振动的方法，使用如实施例1中的壳体，包括以下步骤：
1)根据海洋立管外径的尺寸，制作多对尺寸相同的弧度为180°的弧形壳体，每对壳体能够配合形成一个筒形柱体，分布在两个壳体外表面的脊部相互吻合形成螺旋结构；
2)在海洋立管径向上连续设置成对的壳体：两个壳体紧贴在管道表面，按照两个壳体外表面的脊部或凹槽分别相互吻合形成螺旋结构的方式构成一个套筒，固定连接在海洋立管上；
实施例5
本实施例公开了一种抑制丛式布置立管群涡激振动的方法，套有实施例1 中装置的海洋立管，或实施例2中的海洋立管，多根立管呈丛状布置时，表面的螺旋状结构能够对来流施加一定的扰动，破坏漩涡的规则形成和脱落，从而降低作用在结构上的流体力，达到抑制涡激振动的效果。丛状布置的意思是，多个所述的抑制涡激振动的装置或多个所述的抑制涡激振动的海洋立管呈菱形或三角形布置。
本实施例的原理是，受到富氏天轮柱(CereusForbesii Spiralis)的启发，富氏天轮柱通常生长在常见大风的恶劣环境中，而且能够生长得很高，其表面螺旋形状的结构起到了很大的作用，能够对来流施加一定的扰动，破坏漩涡的规则形成和脱落，从而降低作用在结构上的流体力。发明人认为表面的螺旋形状能够降低大风速下施加在富氏天轮柱表面的流体力，因此这种形状结构对于抑制涡激振动是有益的。实施例人借鉴了这种结构，将这种结构应用于海洋立管中，同样能够起到抑制涡激振动的效果。
与现有技术相比，本实施例取得了以下有益效果：
1)相对于传统的使用螺旋列板及螺旋凹槽的组合形式的涡激振动抑制的技术，本实施例能够对来流施加一定扰动，使得流动状态提前进入湍流状态，破坏漩涡的规则形成与脱落，达到抑制涡激振动的效果，由于本实施例中的螺旋状的脊部与主体是一体的，脊部与槽部之间是圆滑的，其更符合生物特征，能够达到更好的抑制效果。
以上仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抑制涡激振动的装置，其特征在于，包括壳体，壳体的外侧具有突出于壳体外表面的多个脊部，多个脊部平行；相邻两个脊部之间形成槽部，脊部和槽部之间圆滑过渡；多个脊部呈螺旋状分布于壳体的外表面。
2.如权利要求1所述的抑制涡激振动的装置，其特征在于，所述壳体呈筒状；或者，所述壳体呈弧形面状，多个所述壳体能够拼合成筒状。
3.如权利要求1所述的抑制涡激振动的装置，其特征在于，所述脊部的数量为为8至24的任意数目。
4.如权利要求1所述的抑制涡激振动的装置，其特征在于，所述壳体能够套接于立管外部，所述脊部的高度与装置直径的比例可在4％到16％之间。
5.如权利要求1所述的抑制涡激振动的装置，其特征在于，所述脊部的螺距为2D到16D之间。
6.如权利要求1所述的抑制涡激振动的装置，其特征在于，所述壳体和脊部一体成型。
7.如权利要求1所述的抑制涡激振动的装置，其特征在于，所述壳体和脊部由非金属复合材料直接注塑或挤出成型，所述非金属复合材料包括密度大于或等于或小于海水的多种材料。
8.一种抑制涡激振动的方法，使用如权利要求1～7任意一项所述的抑制涡激振动的装置，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据海洋立管外径的尺寸，制作多对尺寸相同的半圆环形壳体，每对壳体在合成一个环形柱体时，分布在两个壳体外表面的脊部相互吻合形成螺旋结构；
2)在海洋立管径向上连续设置成对的壳体：两个壳体紧贴在管道表面上，按照两个壳体外表面的脊部或凹槽分别相互吻合形成螺旋结构的方式构成一个套筒，固定连接在海洋立管上。
9.一种抑制涡激振动的海洋立管，其特征在于，立管的外表面具有突出于壳体外表面的多个脊部，多个脊部平行；多个脊部之间形成多个槽部，脊部和槽部之间圆滑过渡；多个脊部呈螺旋状分布于立管的外表面。
10.一种抑制丛式布置立管群涡激振动的方法，使用多个套接如权利要求1～7所述的抑制涡激振动的装置的海洋立管，或如权利要求9所述的抑制涡激振动的海洋立管，其特征在于，使用多个如权利要求1～7所述的抑制涡激振动的装置的海洋立管，或多个如权利要求9所述的抑制涡激振动的海洋立管，将其呈丛状布置。
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