深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置的製作方法

2023-04-27 02:52:41

專利名稱：深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種深海立管的渦激振動抑制裝置。
背景技術：
深海立管是海上平臺(半潛平臺、Spar平臺、張力腿式平臺、FPSO等)與海底井口 的唯一連接結構，主要功能為將海底氣田內的油氣輸送到海上生產平臺，深海立管能否正 常運轉對於海上油氣生產關係重大。在立管海損事故當中，幾種主要的破壞形式(斷裂，洩 露)都與一種現象息息相關，就是渦激振動(VIV)現象。當海流經過圓柱形立管結構的物 體時，會在立管後部的兩側出現交替的旋渦，形成一個周期性的交變力作用在立管上，使立 管在與海流流向一致和垂直的方向上同時產生振動，且在與海流方向相垂直方向上的振動 最為劇烈。同時結構的振動也會對流場產生影響，使旋渦增強，阻力加大。因此立管的渦激 振動是一個典型的流固耦合現象。當旋渦脫落的頻率與結構的固有頻率接近或者相同時， 就會引起立管的強烈振動，同時發生「鎖定」現象，加劇立管的疲勞破壞。深海立管產生渦 激振動的同時，也會對海上平臺主體造成影響，使平臺運動幅度加大，造成立管節點處應力 增加，這對於剛性立管尤為嚴重。目前國外對深海立管渦激振動的抑制一般主要採用兩種方式，一種是在立管來流 方向的後部加裝魚鰭狀導流板，另一種是加裝多組的螺旋形的導流板，以減少渦激振動。但 是以上兩種裝置成本比較高，重量較大，性價比偏低。國內尚無深海油田開發的經驗，因此 無深海立管渦激振動抑制裝置的具體使用案例。申請號為200810158612. 8，名稱為海洋立管渦激振動的抑振方法及其抑振裝置的 專利文件中，公開的抑制裝置為固定在導流罩上的擾流裝置，該裝置是有首尾相連的多個 月牙形擾流肋組成的擾流肋條，而且擾流肋條以螺旋線纏繞的方式設置在導流罩的外表面 上，其螺距為立管外徑的5-15倍。申請號為200710060647. 3，名稱為海底管道渦激振動抑制方法的專利文件中，公 開的是對海底管道渦激振動抑制方法，採用製作多對大小、彎曲弧度相同的舌狀導流片，每 片導流片從底邊到頂端漸細，底邊開有方波狀切口，外壁上固定有Z字型激流絲；每一對導 流片底邊的方波狀切口相配合；在海底管道上按照海底管道外徑1. 5-2. 5倍的間距裝配和 固定導流罩，每個導流罩由兩對導流片經過拼接和焊接，形成為中部凸起兩頂端連接的對 稱殼體，將海底管道包覆在中部的部位。申請號為200810225715. 1，名稱為一種水下管線渦激振動的抑制方法及裝置的專 利文件中，公開的的抑制裝置採用了的是環繞主管周向按120度間隔設置三根控制杆，所 述控制杆與主杆平行。

發明內容
本發明的目的在於提供一種經濟，高效的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦 激振動抑制裝置。本發明的目的是這樣實現的
本發明的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置由多個基本模 塊組合而成，所述基本模塊又由導流罩和擾流葉片組成；導流罩為內徑為立管的外徑的半 圓環狀結構；基本模塊按周向展開後擾流葉片在導流罩上的布置位置為從導流罩右上角 到底邊中點處沿直線布置、且在兩端處各留有一定間隙，從軸向看擾流葉片的首尾分別距 導流罩的縱、橫軸各有一個夾角θ ；左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對稱安裝於立管表 面，形成一個基本擾流單元；各擾流單元沿著立管軸線首尾依次對接，上下兩個擾流單元對 接處繞立管軸線錯開180度，依次串聯排列擾流單元使得擾流葉片呈唇式排列。本發明還可以包括1、導流罩的厚度與內徑D的關係滿足厚度為0.04D，導流罩的軸向長度為 1. 5-2. Om02、所述中夾角θ為10° -15°。3、擾流葉片的橫剖面為等腰三角形。4、所述等腰三角形的底邊長ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在
導流罩的外表面。本發明針對深海立管渦激振動的產生機理，設計出一種能夠有效地改變立管周圍 流場，抑制立管渦激振動的裝置。該裝置主要由附著於立管外的導流罩以及擾流葉片構成。 擾流葉片是由螺旋形排列的首尾相連的彎刀形擾流葉片所組成。該發明的特色在於在立管 的兩側以唇式反向耦合的形式對稱布置兩組擾流葉片，以使擾流效果達到最優化，使渦激 振動對立管的疲勞壽命影響最小。本發明是一種新型、高效的深海立管渦激振動抑制裝置，該裝置的主要構成為基 本模塊，基本模塊的尺寸由立管的實際外徑尺寸確定。基本模塊由導流罩和擾流葉片組成， 將4-8個基本模塊上的擾流葉片按反向耦合雙螺旋的形式排列，並對稱安裝在立管上，形 成一個抑制單元，將多個抑制單元組合在一起，形成本渦激振動抑制裝置。該裝置較國外的螺旋連續式抑制裝置更加先進，可以將渦激振動的抑制效果提高 40%以上，並節省了材料，裝置的重量也降低了 30%左右，另外該裝置的製造、安裝成本也 有顯著下降，更加明顯的優勢是該裝置使立管的受力更加均勻，避免了由於單向螺紋型排 列的擾流葉片所造成的立管扭轉現象。本發明的效果主要包括1、採用分組模塊化生產、分散安裝方法，能有效地減少螺旋葉片上的應力集中現 象；2、採用了唇形耦合螺旋葉片式的布置形式，可以有效地抑制海流所引發的渦激振 動。採用該裝置能使立管的渦激振動幅值減小40% ；3、若採用微毒性塑料作為主要的材料，能有效降低成本，簡化製作工藝，並可有效 抑制海洋生物的生長，也可為立管提供一定的浮力。


圖1基本模塊側視圖(右旋)；圖2基本模塊軸向視圖(右旋)；圖3a基本模塊周向展開圖(右旋)，圖3b為圖3a的A-A截面圖4擾流單元立體圖；圖5四個擾流單元串聯裝配後的立體圖。
具體實施例方式本發明的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置主要由多個基 本模塊組合而成，基本模塊又由導流罩1和擾流葉片2組成。由於該裝置從側向上看，其擾 流葉片的組成形式像一個附在立管上的嘴唇，因此稱為唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振 動抑制裝置。每個基本模塊由導流罩和擾流葉片組成；基本模塊根據擾流葉片方向又分為左旋 和右旋兩種，兩種基本模塊關於軸向截面對稱。導流罩為半圓環狀結構，內徑為立管的外徑 D，厚度為0.04D，軸向長度可根據需要調整，以1.5-2. Om為宜。將基本模塊按周向展開，擾 流葉片在導流罩上的布置位置為從導流罩右上角到底邊中點處，沿直線布置，且在兩端處 各留有一定間隙。從軸向看，擾流葉片的首尾分別距導流罩的縱、橫軸各有一個夾角Θ，如 圖2所示，其中夾角θ為10° -15°。擾流葉片的橫剖面為等腰三角形，等腰三角形的底 邊長ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在導流罩的外表面。(注基本模塊 (左旋)與基本模塊(右旋)完全一樣，只是方向不同，故沒有畫出。)將左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對稱安裝於立管表面，形成一個基本擾流單 元。然後將擾流單元沿著立管軸線首尾依次對接，上下兩個擾流單元對接時繞立管軸線錯 開180度。依次串聯排列擾流單元，使得擾流葉片呈唇式排列。
權利要求
1.一種深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置，其特徵是由多個基 本模塊組合而成，所述基本模塊又由導流罩和擾流葉片組成；導流罩為內徑為立管的外徑 的半圓環狀結構；基本模塊按周向展開後擾流葉片在導流罩上的布置位置為從導流罩右 上角到底邊中點處沿直線布置、且在兩端處各留有一定間隙，從軸向看擾流葉片的首尾分 別距導流罩的縱、橫軸各有一個夾角θ ；左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對稱安裝於立 管表面，形成一個基本擾流單元；各擾流單元沿著立管軸線首尾依次對接，上下兩個擾流單 元對接處繞立管軸線錯開180度，依次串聯排列擾流單元使得擾流葉片呈唇式排列。
2.根據權利要求1所述的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置，其 特徵是導流罩的厚度與內徑D的關係滿足厚度為0. 04D，導流罩的軸向長度為1. 5-2. Om。
3.根據權利要求1或2所述的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝 置，其特徵是所述中夾角θ為10° -15°。
4.根據權利要求1或2所述的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝 置，其特徵是擾流葉片的橫剖面為等腰三角形。
5.根據權利要求3所述的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置，其 特徵是擾流葉片的橫剖面為等腰三角形。
6.根據權利要求4所述的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置，其 特徵是所述等腰三角形的底邊長ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在導流 罩的外表面。
7.根據權利要求5所述的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置，其 特徵是所述等腰三角形的底邊長ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在導流罩的外表面。
全文摘要
本發明提供的是一種深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動抑制裝置。由多個基本模塊組合而成，基本模塊由導流罩和擾流葉片組成；導流罩為內徑為立管的外徑的半圓環狀結構；基本模塊按周向展開後擾流葉片從導流罩右上角到底邊中點處沿直線布置、且在兩端處各留有一定間隙，從軸向看擾流葉片的首尾分別距導流罩的縱、橫軸各有一個夾角θ；左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對稱安裝於立管表面，形成一個基本擾流單元；各擾流單元沿著立管軸線首尾依次對接，上下兩個擾流單元對接處繞立管軸線錯開180度。本發明在立管的兩側以唇式反向耦合的形式對稱布置兩組擾流葉片，以使擾流效果達到最優化，使渦激振動對立管的疲勞壽命影響最小。
文檔編號E21B15/02GK102003152SQ20101051320
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者孫麗萍, 康莊, 王大明, 艾尚茂, 裡程 申請人:哈爾濱工程大學