CN111306148A - 一种海洋立管涡激振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡激振动抑制装置，所述装置包括筒状旋转部分和尾翼，其中，所述筒状旋转部分适于相对其内部穿过的部件转动，所述尾翼为双尾翼，两个所述尾翼自所述筒状旋转部分沿径向凸起，每个所述尾翼大致为长方形板，两个所述尾翼之间的夹角为30±5度。本发明尾翼可以绕立管自由转动，可以自适应来流方向的改变。旋转双尾翼结构的设置，对单根和多跟立管都能显著提高立管的作业适用范围和抗疲劳能力，节约作业成本，提高了立管的使用寿命和安全性，同时避免了传统涡激振动装置对于单一来流方向的限制，拓宽了来流方向多变等复杂环境条件下的使用范围。

Description

一种海洋立管涡激振动抑制装置

技术领域

本发明涉及油气开采中钻井立管或生产立管的辅助设施技术领域，具体涉及一种海洋立管涡激振动抑制装置。

背景技术

石油天然气是影响我国经济建设和可持续发展的三大战略资源之一，油气资源的短缺已成为制约我国经济发展的瓶颈。深海油气占全球油气资源的三分之一以上，开发深海油气资源事关海洋强国和能源安全等国家重大发展战略。深海油气开发离不开如海洋石油981钻井平台这样的油气开采装备，而立管是连接海上平台和海底井口之间的唯一通道，是海上油气开采的咽喉。立管直接面对恶劣的海洋环境，在一定流速作用下，当旋涡脱落频率和立管的固有频率相等时，就会诱发立管的涡激振动，影响立管的安全作业，大大增加立管疲劳破坏的风险，增加海上油气开采的时间和成本，更为严重的是立管一旦发生疲劳破坏，会带来灾难性的工程和环境事故。因此开展立管涡激振动抑制装置的研发，有效抑制立管的涡激振动，对于深海油气开采至关重要。

当流体流经立管等圆柱结构时，将发生绕流现象。当雷诺数增大到一定数值时，流体旋涡将交替地从圆柱尾部脱落，并在尾迹中形成规则、反向、交替出现的旋涡系列，这一旋涡系列被称为卡门涡街，如图1。若圆柱为弹性支撑，或者柔性管体允许发生弹性变形时，脉动流体力将引发圆柱或者管体周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体-结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”(Vortex-Induced Vibration：VIV)。而对于多圆柱系统，如图2所示，由于相邻圆柱尾流和圆柱本身的耦合作用，产生远比单圆柱的涡激振动更加剧烈的振动。

立管的涡激振动会影响其安全作业，大大增加立管疲劳破坏的风险，增加海上油气开采的时间和成本，更为严重的是立管一旦发生疲劳破坏，会带来灾难性的工程和环境事故。因此开展立管涡激振动抑制装置的研发，有效抑制立管的涡激振动，对于深海油气开采至关重要。

目前涡激振动抑制方法主要分为两大类，第一类是主动控制，第二类是被动控制。主动控制是通过一定的技术手段如射流等，给流场加入外部能量，改变或者消除立管的旋涡脱落，进而抑制立管的涡激振动。主动控制会消耗能量并且相对复杂。而被动控制主要是通过改变立管的形状、粗糙度或者在立管表面增加一些附属装置来抑制旋涡脱落，进而抑制立管的涡激振动，具有设计简单、制作安装容易且成本较低等优点。海洋环境复杂，主动抑制技术应用起来非常困难，所以针对海洋立管的涡激振动抑制问题，大多数研究者更多的是考虑被动抑制方法。

经过几十年的研究，已提出如附加整流罩、分离盘、螺旋导板、附属管等多种形式的被动抑制装置。但是在实验研究或者实际工程中发现，一些传统的涡激振动抑制装置如整流罩、分离盘等，在一定条件下，会产生比不附加这些装置的立管更加剧烈的振动，甚至会发生驰振现象，产生的危害比立管涡激振动更加严重；而且固定在立管上的抑制装置，仅会对特定来流方向上涡激振动有抑制效果，但是海洋环境十分复杂，流向多变，所以固定的抑制装置具有很大的局限性，不能有效地在实际海洋工程中使用。此外，一些传统的抑制装置只对单根立管有抑制作用，而对于多根立管的涡激振动抑制效果则会失效。海洋工程中立管往往不止一根，所以亟需发展既能针对单根还能够针对多根立管的涡激振动具有抑制效果的装置。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种涡激振动抑制装置，不但能够有效地抑制立管的涡激振动，还具有复杂来流方向适应性，同时对于多根立管的涡激振动也有很好的抑制效果。

本发明提出一种涡激振动抑制装置，所述装置包括筒状旋转部分和尾翼，其中，

所述筒状旋转部分适于相对其内部穿过的部件转动，

所述尾翼为双尾翼，两个所述尾翼自所述筒状旋转部分沿径向凸起，每个所述尾翼大致为长方形板，两个所述尾翼之间的夹角为30±5度。

根据本发明的一种实施方式，所述筒状旋转部分包括套筒和旋转轴承，所述旋转轴承的内圈以与其内部穿过的部件固定连接，所述旋转轴承的外圈相对所述内圈转动设置，所述套筒与所述旋转轴承的外圈固定连接。

根据本发明的一种实施方式，所述装置还包括连接件，所述连接件呈长条形，沿所述套筒的长度方向设置，所述尾翼通过所述连接件与所述筒状旋转部分连接。

根据本发明的一种实施方式，所述连接件与所述套筒为一体件，所述连接件通过螺栓与所述尾翼连接；所述套筒通过螺栓与所述旋转轴承的外圈连接。

根据本发明的一种实施方式，每个所述尾翼沿所述套筒的长度方向与所述套筒等长，所述尾翼的宽度为0.5D至1D，其中，D是所述套筒的外径。

根据本发明的一种实施方式，所述尾翼的厚度为0.02D-0.05D。

根据本发明的一种实施方式，所述涡激振动抑制装置的材质为树脂材料。

根据本发明的一种实施方式，所述涡激振动抑制装置装设于钻井立管或生产立管外，所述立管穿过所述涡激振动抑制装置的内部。

根据本发明的一种实施方式，每根所述立管外间隔设置若干所述涡激振动抑制装置，每个所述涡激振动抑制装置的长度为所述筒状旋转部分外径的8倍至10倍。

根据本发明的一种实施方式，所述立管设有若干，相邻所述立管外均设置所述涡激振动抑制装置。

本发明装置中双尾翼可以绕立管自由转动，可以自适应来流方向的改变。旋转双尾翼结构的设置，经实验验证本发明可有效地抑制单立管和多根立管的涡激振动，效率可达90％以上，所以可显著提高立管的作业适用范围和抗疲劳能力，节约作业成本，提高了立管的适用寿命和安全性，同时避免了传统涡激振动装置对于单一来流方向的限制，拓宽了来流方向多变等复杂环境条件下的使用范围。

附图说明

图1为涡流尾迹中形成旋涡系列示意图；

图2为相邻圆柱立管的尾流示意图；

图3为本发明一实施例涡激振动抑制装置安装于立管的结构示意图；

图4为图3本发明一实施例涡激振动抑制装置安装于立管的俯视结构示意图；

图5为本发明一实施例套筒与连接件的结构示意图；

图6为本发明一实施例尾翼结构示意图；

图7为本发明一实施例单根立柱试验结果示意图；

图8为本发明一实施例双根立柱试验结果示意图；

附图标号：

1.立管；2.转动轴承；3.套筒；4.连接件；5.尾翼；6.螺栓；7.内圈；8.转动滚子；9.外圈。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

针对现有立管涡激振动抑制装置的不足和缺陷，本发明提出了一种可旋转的双尾翼式立管涡激振动抑制装置，该装置不但能够有效地抑制立管的涡激振动，还具有复杂来流方向适应性，同时对于多根立管的涡激振动也有很好的抑制效果。

本发明可通过以下技术方案实现：如图3所示，一种可旋转的双尾翼式立管涡激振动抑制装置，所述装置主要包括筒状旋转部分A和尾翼B，其中，

所述筒状旋转部分A适于相对其内部穿过的部件如图中件1转动，

所述尾翼B为双尾翼，两个所述尾翼5自所述筒状旋转部分A沿径向凸起，每个所述尾翼5大致为长方形板，如图3、图6所示，两个所述尾翼5之间的夹角为30±5度。

双尾翼的设置，是为了抑制旋涡的脱落，进而抑制立管的涡激振动。

本发明将带有双尾翼的筒状转动部分旋转设置于立管上，其上的尾翼可将来流的漩涡打散，具有抑制涡激振动的作用，而且设置为自由转动，可以根据不同方向的来流进行自适应转动，从而阻碍漩涡的形成，因此适用范围更广；因尾翼旋转后，将漩涡自周向逐渐阻断使其消失，因而不会对相邻其他立管形成冲击，因此在多跟立管的场合也同样具有抑制涡激振动的效果。

如果双尾翼之间的夹角过大，会增大结构的阻力，选取30度左右的夹角，目的是为了尽可能减小阻力。而且根据实验证实，该角度范围能够取得较优的效果。

如图4所示，根据本发明的一种实施方式，所述筒状旋转部分包括套筒3和旋转轴承2，所述旋转轴承2的内圈7以与其内部穿过的部件立管1固定连接，所述旋转轴承2的外圈9相对所述内圈7转动设置，所述套筒3与所述旋转轴承的外圈9固定连接。

当来流方向复杂，随着时间变化时，在双尾翼表面两侧压差的作用下，双尾翼5会带动套筒3通过旋转轴承2绕立管1自由转动，达到流向自适应性的效果。同时由于双尾翼5的存在，打乱了流过立管1的脱落的旋涡，改变了立管1的涡脱模式，进而抑制立管1的涡激振动。

筒状旋转部分可不局限于上述方式，能达到上述目的的方式都可进行替换。

根据本发明的一种实施方式，所述装置还包括连接件，所述连接件呈长条形，沿所述套筒的长度方向设置，所述尾翼通过所述连接件与所述筒状旋转部分连接。

根据本发明的一种实施方式，所述连接件与所述套筒为一体件，所述连接件通过螺栓与所述尾翼连接；所述套筒通过螺栓与所述旋转轴承的外圈连接。

根据本发明的一种实施方式，每个所述尾翼沿所述套筒的长度方向与所述套筒等长，所述尾翼的宽度为0.5D至1D，其中，D是所述套筒的外径。

根据本发明的一种实施方式，所述尾翼的厚度为0.02D-0.05D。

根据本发明的一种实施方式，所述涡激振动抑制装置整体的材质为树脂类材料，比如聚甲醛树脂。

根据本发明的一种实施方式，所述涡激振动抑制装置装设于钻井立管或生产立管外，所述立管穿过所述涡激振动抑制装置的内部。

如图3、图5所示，根据本发明的一种实施方式，所述的套筒3呈圆柱形，由聚甲醛树脂POM材料制成，表面光滑，和立管1同轴，在端部预留螺栓孔，以便于和旋转轴承2相连接；其背流面一体化刚性附着两个宽度为0.1D左右，厚度为0.04D左右，夹角为30度左右的长方形连接件4，用于连接套筒3和双尾翼5。套筒和尾翼的连接件4上预留有螺栓孔，便于用螺栓将双尾翼5固定在连接件4上，也即固定在套筒3上，其中：D是套筒的外径。

如图4所示，所述的旋转轴承由聚甲醛树脂POM材料制成，包含内固定圈7，外转动圈9和中间转动滚子7；内固定圈7的直径稍大于立管1的直径，采用过盈配合和立管1紧密相连接，固定在立管1上；外转动圈9可绕立管1自由转动；在外转动圈9的表面预留有和套筒3匹配一致的螺栓孔，用于和套筒3连接，使套筒3可以和外转动圈9一起随着来流方向的改变而绕着立管1自由旋转，以达到良好的来流方向适应性。

如图6所示，所述双尾翼5是两块由聚甲醛树脂POM材料制成的长方形薄板，表面光滑，长度与套筒3相同，宽度为0.5D至1D，厚度为0.02D左右，双尾翼5上预留有和套筒尾翼连接件4相匹配的螺栓孔，以便使用螺栓6进行固定，双尾翼5之间的夹角和套筒尾翼连接件一致，为30度左右，其中：D是套筒3的外径。

根据本发明的一种实施方式，每根所述立管1外间隔设置若干所述涡激振动抑制装置，每个所述涡激振动抑制装置的长度为所述筒状旋转部分外径的8倍至10倍。

根据本发明的一种实施方式，所述立管设有若干，相邻所述立管外均设置所述涡激振动抑制装置。

由于实际工程中深水立管的长达几千米，为了节约成本，在立管上面每隔一段距离安装一个所述的涡激振动抑制装置，间距可根据工程需要来调节，无具体要求。每个抑制装置中套筒和双尾翼长度可取8D到10D，其中：D是套筒的外径，8D到10D为实验所选取的长度，为保证实验中的二维效应。

本发明可旋转的双尾翼式立管涡激振动抑制装置，该装置不但能够有效地抑制立管的涡激振动，还具有复杂来流方向适应性，克服了很多被动控制中立管附加装置涡激振动抑制效果受来流方向限制的缺陷。实验结果显示，本装置的涡激振动抑制效果在90％以上。本发明装置中双尾翼仅需要螺栓便可与圆柱套筒相连接，安装拆卸方便，维护更换方便，提高了装置的使用效率。该装置也可用于多根立管涡激振动的抑制，拓宽了适用范围。

实施例

图3-6展示出了一种可旋转的双尾翼式立管涡激振动抑制装置的详细结构图。图中该抑制装置包括旋转轴承2、套筒3、套筒尾翼连接件4及双尾翼5。

其中套筒1呈圆柱形，表面光滑，由聚甲醛树脂POM组成，和立管同轴，在端部预留螺栓孔，以便于和旋转轴承2相连接；其背流面刚性附着两个宽度为0.1D，厚度为0.04D，夹角为30度的长方形套筒尾翼连接件4，用于连接套筒3和双尾翼5，如果夹角过大，会增大结构的阻力，优选30度夹角的目的是为了尽可能减小阻力。套筒尾翼连接件4和套筒3一体化生产；套筒尾翼连接件4上预留有螺栓孔，便于用螺栓6将双尾翼5固定在套筒尾翼连接件4上，也即固定在套筒3上，共同绕着立管1自由转动，其中：D是套筒3的外径。

双尾翼5是每块由聚甲醛树脂POM材料制成的长方形薄板，表面光滑，长度与套筒3相同，宽度为0.5D至1D，厚度为0.02D，双尾翼5上预留有和套筒尾翼连接件4相匹配的螺栓孔，双尾翼5之间的夹角和套筒尾翼连接件4一致，为30度，其中：D是套筒3的外径。

旋转轴承2包括旋转轴承内固定圈7，旋转轴承外转动圈9和中间的转动滚子8；旋转轴承内固定圈7由聚甲醛树脂POM材料组成，具有很好的耐腐蚀性、耐磨性和韧性，其内径稍大于立管1的外径D，，采用过盈配合和立管1紧密相连接，固定在立管1上；转动滚子8放置在旋转轴承内固定圈7和旋转轴承外转动圈9之间。旋转轴承外转动圈9也是由聚甲醛树脂POM材料组成，可绕立管1自由转动；在旋转轴承外转动圈9的表面预留有和套筒3相匹配的螺栓孔，可用螺栓6将其与套筒3连接，使套筒3可以和旋转轴承外转动圈9一起随着来流方向的改变而绕着立管1自由旋转，以达到良好的来流方向适应性。

当来流方向复杂，随着时间的变化时，在表面两侧压差作用下，双尾翼5会带动套筒3通过旋转轴承2绕立管1自由转动，达到流向自适应性的效果。同时由于双尾翼5的存在，打乱了流过立管1的脱落的旋涡，改变了立管1的涡脱模式，进而抑制立管1的涡激振动。经实验验证，结果如图7所示，横坐标为约化速度Ur，纵坐标为无量纲振动幅值A/D，双尾翼宽度在0.5D-1D之间时，抑制效果最佳，如果不加双尾翼，最大无量纲振动幅值A/D＝0.53，而附加上该装置后尾翼宽度在在0.5D-1D之间时，最大无量纲振动幅值仅为A/D＝0.04，故涡激振动抑制效率可达90％以上。

可旋转的双尾翼式立管涡激振动抑制装置不仅可以抑制单根立管1的涡激振动，对于更加复杂的多根立管1流致振动也有很好的抑制效果，经实验验证，结果如图6所示，横坐标为约化速度Ur，纵坐标为无量纲振动幅值A/D，如果不加双尾翼，最大无量纲振动幅值A/D＝0.78，而附加上该装置后，双尾翼宽度在0.5D-1D之间时，最大无量纲振动幅值仅为A/D＝0.03，故涡激振动抑制效率可达90％以上。拓展了本装置的适用范围。

如果立管1的长径比很大，可以在立管1上面每隔一段距离安装一个所述的涡激振动抑制装置，每个抑制装置中套筒3和双尾翼5长度可取8D到10D。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种涡激振动抑制装置，其特征在于，所述装置包括筒状旋转部分和尾翼，其中，

所述筒状旋转部分适于相对其内部穿过的部件转动，

所述尾翼为双尾翼，两个所述尾翼自所述筒状旋转部分沿径向凸起，每个所述尾翼大致为长方形板，两个所述尾翼之间的夹角为30±5度。

2.根据权利要求1所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述筒状旋转部分包括套筒和旋转轴承，所述旋转轴承的内圈以与其内部穿过的部件固定连接，所述旋转轴承的外圈相对所述内圈转动设置，所述套筒与所述旋转轴承的外圈固定连接。

3.根据权利要求2所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述装置还包括连接件，所述连接件呈长条形，沿所述套筒的长度方向设置，所述尾翼通过所述连接件与所述筒状旋转部分连接。

4.根据权利要求3所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述连接件与所述套筒为一体件，所述连接件通过螺栓与所述尾翼连接；所述套筒通过螺栓与所述旋转轴承的外圈连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，每个所述尾翼沿所述套筒的长度方向与所述套筒等长，所述尾翼的宽度为0.5D至1D，其中，D是所述套筒的外径。

6.根据权利要求5所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述尾翼的厚度为0.02D-0.05D。

7.根据权利要求1至4或6任一项所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述涡激振动抑制装置的材质为聚甲醛树脂。

8.根据权利要求1至4或6任一项所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述涡激振动抑制装置装设于钻井立管或生产立管外，所述立管穿过所述涡激振动抑制装置的内部。

9.根据权利要求8所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，每根所述立管外间隔设置若干所述涡激振动抑制装置，每个所述涡激振动抑制装置的长度为所述筒状旋转部分外径的8倍至10倍。

10.根据权利要求8所述的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述立管设有若干，相邻所述立管外均设置所述涡激振动抑制装置。

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