CN112145857A - 一种用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置 - Google Patents

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陈荣旗
余杨
周雷
王巍巍
尤敏杰
张振兴
傅一钦
张阳
张传杰
吴凡蕾
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Offshore Oil Engineering Co Ltd
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/01—Risers

Abstract

本发明公开了一种用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其包括抑制装置本体和固定件，该抑制装置本体包括套筒，套设于所述海洋柔性立管的外壁且能够绕其旋转；平面分隔板，外表为平面的叶片根部固定于所述套筒的外周面上而顶部向外延伸，其上均布有多个导流孔；S型分隔板，外表是S型的曲面形叶片，根部固定于所述套筒的外周面上外周面上而顶部向外延伸；固定件，环形卡扣，成对对称设置于所述抑制装置本体的两端部，套设于所述海洋柔性立管并阻挡所述平面分隔板和所述S型分隔板脱落。本发明海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，结构简单，适应各角度来流方向的同时破坏海洋流场，有效抑制立管的旋涡脱落，降低阻力系数，达到抑制由旋涡激发的立管的振动。

Description

一种用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置
技术领域
本发明涉及海洋柔性立管涡激振动的试验装置，吸收了现有抑制装置的优点，考虑其不足，可以实现360度来流作用下的无能耗涡激振动抑制。
背景技术
随着社会进步，经济的迅猛发展，人类对化石能源的需求与日俱增。为了满足经济发展的需要和解决近年来陆上常规资源枯竭导致的能源危机，人们在开发新能源的同时，将油气勘探开发延伸向深海。未来，随着我国深海计划的不断完善、资金的不断投入和技术的不断发展，海洋油气探明储量和产量将保持快速增长。海洋勘探开发生产中，立管是不可或缺的部分，它承担着勘探、开采、传输等功能。随着对海洋油气资源开发的不断深入，作业水深也越来越深，对立管的要求也逐步提高。尤其在深水环境中海流复杂，立管将会受到高温、高压的影响，变得尤为脆弱。同时，立管又受到内外流的影响，是开采过程中薄弱易损构件之一。
当流体流过海洋柔性立管外壁面时，会在立管后端产生周期性旋涡，边界层分离引起旋涡脱落，从而立管会受到流向和横向的交变力，这就导致了立管的涡激振动（VIV）。当旋涡的脱落频率与立管自振频率相近时，立管振动会加剧，振幅加大，产生共振现象，也称锁定（lock-in）现象。这会加速立管的疲劳损伤，从而耽误作业周期，造成巨大的经济损失和生态环境破坏。
研究海洋柔性立管在海流作用下的振动机理是为了降低或者抑制立管涡激振动，增加立管的使用寿命和安全性。因此，研究立管涡激振动的抑制方法具有明确的理论和实际意义。防止或抑制涡激振动的方法主要有主动控制和被动控制。主动式的抑制装置是将外表扰动引入流场从而控制旋涡脱落,达到抑制的目的。与主动控制装置不同的是，被动控制装置设计简单、能够标准化制定、安装简单、维护容易和成本低廉，在实际海洋油气开采中，被动控制装置的利用往往占有更大的比重。被动控制一般可以采用两类方法：调整结构的动力特性或改变漩涡发生的条件和尾流状态，以达到减弱流体所产生的振荡力的目的。国内已有的试验装置（如专利申请号：CN107701122A）是一种开窗引流和旋摆结合的抑制装置，可以完美解决传统装置的方向敏感性问题，但因其结构复杂、造价昂贵，并不能有效应用于实际开发和生产。又如试验装置（专利申请号：CN106285511A）是一种有支撑杆的复合扰动式立管涡激振动抑制装置，它利用叶片轴承拖动旋桨转动解决方向适应性问题，但其结构复杂，且支撑杆的强度无法保证，而深海维修又耗资巨大，因此也不能广泛应用于实际生产中。
常见的被动抑制装置有螺旋列板、导向翼、控制杆、分隔板和轴向板条等。现今国内外对立管涡激振动抑制方法存在的不足主要有：
1．主动抑制装置需要额外的动力消耗，安装复杂，工序繁多,尚未达到推广要求。主动控制需要消耗额外的能量来实现涡激振动的抑制，因此在实际海洋环境中使用还存在一定的困难。
2.具有方向敏感性，如分隔板、飘带，如果将波状表面沿流向转动一定角度则其抑制作用会显著降低甚至消失。
3.轴向板条这类虽然对涡激振动响应振幅具有很好的抑制效果，但造价却十分昂贵，不适用于深海管线。
4.安装推力套环的导向翼能够自由转动以适应流向的变化，从而成为全向性装置,其缺点是体积和自重较大，制作和安装成本高，对于深海大尺度立管，采用此抑制措施并不经济。
5.一些抑制装置如短扰流板、螺旋列板等会给结构增加很大的拖曳力，若要使用扰流板抑制措施，结构必须具有更大的机械强度，以承受增大的拖曳力作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，结构简单，适应各角度来流方向的同时破坏海洋流场，有效抑制立管的旋涡脱落，降低阻力系数，达到抑制由旋涡激发的立管的振动。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：一种用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其包括抑制装置本体和固定件，该抑制装置本体具有：
套筒，套设于所述海洋柔性立管的外壁且能够绕其旋转；
平面分隔板，外表为平面的叶片，根部固定于所述套筒的外周面上而顶部向外延伸，其上均布有多个导流孔；
S型分隔板，外表是S型的曲面形叶片，根部固定于所述套筒的外周面上外周面上而顶部向外延伸；
固定件，环形卡扣，成对对称设置于所述抑制装置本体的两端部，套设于所述海洋柔性立管并阻挡所述平面分隔板和所述S型分隔板脱落。
进一步，两个所述平面分隔板和一个所述S型分隔板沿120度角均匀分布。
进一步，所述平面分隔板、所述S型分隔板以及所述套筒的高度相同。
进一步，所述平面分隔板和所述S型分隔的宽度均小于高度。
进一步，所述平面分隔板和所述S型分隔板分隔为扁平形的薄板。
进一步，所述导流孔为等径导流孔。
本发明的技术效果在于：本发明用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，抑制装置本体立管的外壁且能够绕其沿圆周方向旋转，当来流方向改变时，由于分隔板的对称性，套筒可以绕轴自由旋转以调整分隔板的分布位置适应各个角度的来流。
2.本涡激振动抑制装置的分隔板，质轻、耐腐蚀且强度高。在板开设导流孔，有效降低了自身质量。开设的导流孔不仅可以通过干涉卷吸层抑制旋涡脱落，又可以减小拖曳力，降低拖曳力对装置的损伤。分隔板可以阻断尾流区的汇流点转换，从而抑制旋涡脱落或将其推迟至较远的下游区域。
3.板面开孔减小了表面积，可以降低海洋生物附着在板表面对抑制涡激振动效果的不利影响。S型小振幅波状分隔板的存在弥补了开孔分隔板抑制效果的削弱，并不会很大程度影响总体的抑制效果。
4.安装方便。套筒从立管头部或尾部穿入，然后用环形卡扣将其固定在相应位置即可，并且可以根据需求随时调整装置到不同的位置。
附图说明
图1是本发明海洋柔性立管的涡激振动抑制装置固定于立管上的结构示意图；
图2是海洋柔性立管的涡激振动抑制装置的环形卡扣的结构视图；
图3是本发明海洋柔性立管的涡激振动抑制装置的抑制装置本体的结构示意图。
图中标号说明：1-立管；2-环形卡扣；3-抑制装置；3-1-平面分隔板；3-1-1-导流孔；3-2-S型分隔板；3-3-套筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，具有抑制装置本体3和固定件，抑制装置本体3包括开孔的平面分隔板3-1、S型分隔板3-2、套筒3-3组成。套筒3-3套设于所述海洋柔性立管1的外壁且能够绕其旋转；其中，平面分隔板3-1，其外表为平面的叶片，根部固定于套筒3-3的外周面上而顶部向外延伸，其上均布有多个导流孔。S型分隔板3-2，其外表是S型的曲面形叶片，根部固定于所述套筒3-3的外周面上外周面上而顶部向外延伸。固定件为环形卡扣2，成对对称设置于套筒3-3的两端部，且套设于海洋柔性立管1的外表上挡住平面分隔板3-1和S型分隔板3-2。平面分隔板3-1和S型分隔板3-2的宽度均小于高度，平面分隔板和S型分隔为扁平形的薄板。
套筒3-3和平面分隔板3-1、S型分隔板3-2高度相等，可以套装成图3所示的结构。实际应用时，可以用环形卡扣2将套筒3-3固定在海洋柔性立管1上，套筒3-3和海洋柔性立管1之间可以滑移，使得套筒3-3可以在海洋环境中根据不同的来流方向绕立管1旋转达到最佳抑制效果。
海流经过套筒3-3和分隔板3-1、S型分隔板3-2表面时，开导流孔3-1-1的平面分隔板3-1和S型分隔板3-2会将立管两侧脱落尾流旋涡隔开后改变其运动路径，可以阻断尾流区的汇流点转换，从而起到抑制旋涡脱落或将其推迟至较远的下游区域的作用，以消减海洋柔性立管上1的涡激力。
在复杂的海洋环境下，若来流方向发生改变，由于分隔板3-1和3-2的受力对称性，整个抑制装置本体3可以绕海洋柔性立管1旋转，在适应各角度来流方向的同时破坏海洋流场，有效抑制立管的旋涡脱落，降低阻力系数，达到抑制旋涡生成的目的。套筒3-3在海流的流体力作用下的旋转和自我矫正，使其对方向的适应性能大大提高。在等径导流孔3-1-1的作用下，绕流由于发生空间不同高度层流体的调配而变得更加紊乱，进一步破坏了流场和绕流边界层，改变边界层的分离点，增强了抑制涡激振动的效果。同时有研究发现，当分隔板放置在立管下游某一位置时，可以减少海洋柔性立管1上的拖曳力和脉动升力。在分隔板和导流孔的双重作用下，抑制由旋涡激发的立管1的振动。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，其包括抑制装置本体和固定件，该抑制装置本体具有：
套筒，套设于所述海洋柔性立管的外壁且能够绕其旋转；
平面分隔板，外表为平面的叶片，根部固定于所述套筒的外周面上而顶部向外延伸，其上均布有多个导流孔；
S型分隔板，外表是S型的曲面形叶片，根部固定于所述套筒的外周面上外周面上而顶部向外延伸；
固定件，环形卡扣，成对对称设置于所述抑制装置本体的两端部，套设于所述海洋柔性立管并阻挡所述平面分隔板和所述S型分隔板脱落。
2.根据权利要求1所述的用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，两个所述平面分隔板和一个所述S型分隔板沿120度角均匀分布。
3.根据权利要求1所述的用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述平面分隔板、所述S型分隔板以及所述套筒的高度相同。
4.根据权利要求1所述的用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述平面分隔板和所述S型分隔的宽度均小于高度。
5.根据权利要求1所述的用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述平面分隔板和所述S型分隔板分隔为扁平形的薄板。
6.根据权利要求1所述的用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述导流孔为等径导流孔。
7.根据权利要求1所述的用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述平面分隔板和所述S型分隔板的材质为质轻、耐腐蚀材料。
8.根据权利要求6所述的用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述导流孔布满整个所述平面分隔板。
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