一種內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振裝置及方法與流程
2023-11-01 13:33:03 2
本發明屬於海洋立管設施鋪設技術領域，具體涉及一種內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振裝置及方法。
背景技術：
石油、天然氣等不可再生能源仍是目前國民經濟發展中不可替代的戰略資源。陸上油氣資源探明儲量的下降迫切要求人們將目光轉向於面積遼闊、油氣資源豐富的深海區域。在海洋油氣開採中，立管是必不可少的關鍵部件，它負責連接水下井口與海面作業設施，是油氣流舉升的重要通道。立管在深海環境下的安全穩定性極其重要，其幾乎完全浸沒於海水中，疲勞損傷是造成立管失效的主要原因，而疲勞損傷又主要歸因于波浪和海流作用形成的渦激振動。當一定流速的海流或波浪流經立管時，會在立管背部形成交替脫落的旋渦，旋渦的脫落對立管構成了周期性的交替力，致使立管在流向和橫向產生振動。一旦立管因振動發生疲勞失效，不僅會產生重大漏油事故，造成巨大的經濟損失，還會對海洋環境構成災難性破壞。
因此，抑制立管振動是海洋工程領域的熱點問題。目前，有學者提出改變材料固有頻率來避開旋渦脫落頻率以免共振，其可以躲開共振，但無法避免振動。更多的學者從立管表面形狀入手，通過改變立管表面形狀，使邊界層分離點後移，減少旋渦的形成來抑制渦激振動。現有抑制裝置諸如螺旋列板、分離盤、飄帶、擾流板、整流罩等，但分離盤、飄帶、整流罩等只可以實現單一來流方向上的渦激振動抑制，而實際海洋環境中，海流和波浪的方向隨機變化；螺旋列板雖然可以實現任意來流方向上的渦激振動抑制，但其存在增大了立管的拖曳力。因此，設計一種能夠應對任意方向來流且具有明顯渦激振動抑制效果的裝置非常必要。
技術實現要素：
本發明所解決的問題是針對現有立管渦激振動抑制裝置及方法的不足，提供一種現場安裝方便、可以應對任意方向來流的內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振裝置及方法。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振裝置由梭形錐狀體套筒、翅片及軸承組成。梭形錐狀體套筒中部開有與其中軸同軸的圓柱形孔洞，梭形錐狀體套筒通過其圓柱形孔洞套裝於立管外壁，圓柱形孔洞內壁兩端設有內螺紋。梭形錐狀體套筒的外表面是由圓心角為35°弧長為18倍立管直徑的圓弧繞立管軸向旋轉360°所形成的圓弧面，並且表面粗糙。梭形錐狀體套筒內部由上至下關於立管管軸對稱開設有一對交錯的逆時針盤旋上升導流涵洞(逆時針盤旋上升導流涵洞一和逆時針盤旋上升導流涵洞三)、一對交錯的順時針盤旋上升導流涵洞(順時針盤旋上升導流涵洞一和順時針盤旋上升導流涵洞三)、一對交錯的逆時針盤旋上升導流涵洞(逆時針盤旋上升導流涵洞二和逆時針盤旋上升導流涵洞四)、一對交錯的順時針盤旋上升導流涵洞(順時針盤旋上升導流涵洞二和順時針盤旋上升導流涵洞四)，四對交錯導流涵洞所在位置沿立管管軸方向均勻分布。梭形錐狀體套筒的外表面由上至下布設有4個翅片，翅片的長度方向沿立管軸向布置，4個翅片沿梭形錐狀體套筒外表面周向相互間隔90°，且呈螺旋下降布置。軸承為中間設圓柱滾子的內外圈結構，軸承有兩個，按間隔一個梭形錐狀體套筒高度安裝於立管外壁。兩個軸承外圈外壁均設有外螺紋，分別與梭形錐狀體套筒圓柱形孔洞兩端表面內螺紋嚙合，使梭形錐狀體套筒與兩端軸承外圈連接成為一體，從而使梭形錐狀體套筒可繞立管旋轉。
利用所述的內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振裝置可以提供一種內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振方法。任意方向來流流至梭形錐狀體套筒後，由於梭形錐狀體套筒表面有16個導流涵洞洞口，可以從不同方位引導來流，使水流沿導流涵洞流進與流出，形成沿梭形錐狀體套筒外表面的周向剪切流，有效地擾亂立管四周的繞流流場分布，破壞了繞流邊界層，抑制了立管背部的旋渦脫落。且由於導流涵洞呈螺旋上升狀，可以調動不同深度的水流，對垂向不同水深處的流場產生擾動，破壞三維旋渦的形成。同時，梭形錐狀體套筒外表面粗糙，對繞流邊界層構成破壞，削弱了尾流旋渦強度，進一步抑制了渦激振動。另外，水流衝擊在螺旋布置的4個翅片上時，會對翅片產生衝擊力，推動梭形錐狀體套筒繞立管轉動，進一步調整流場分布，更大程度地實現渦激振動的抑制。在導流涵洞導流、翅片帶動梭形錐狀體套筒轉動及粗糙表面的共同作用下，實現了立管渦激振動的抑制。
本發明由於採用以上技術方案，其具有以下優點：
1、本發明適應流向變化的海洋環境，通過導流涵洞導流、翅片帶動梭形錐狀體套筒轉動及粗糙表面的共同作用，使渦激振動抑制效果達到最佳，延長立管的使用壽命；
2、本發明的梭形錐狀體套筒由塑料製成，耐腐蝕、成本低。
附圖說明
圖1為本發明裝置的立體結構示意圖
圖2為本發明裝置導流涵洞空間布位示意圖
圖3為本發明裝置導流涵洞剖去一半表面的示意圖
圖4為本發明裝置軸承結構示意圖
圖5為本發明裝置軸承內、外圈及單個圓柱滾子示意圖
圖6為本發明裝置翅片空間布位示意圖
圖7為本發明裝置翅片俯視圖
圖8為本發明裝置梭形錐狀體套筒端部示意圖
其中：1.立管；2.梭形錐狀體套筒；3.翅片；4.軸承外圈；51.逆時針盤旋上升導流涵洞一；52.逆時針盤旋上升導流涵洞二；53.逆時針盤旋上升導流涵洞三；54.逆時針盤旋上升導流涵洞四；61.順時針盤旋上升導流涵洞一；62.順時針盤旋上升導流涵洞二；63.順時針盤旋上升導流涵洞三；64.順時針盤旋上升導流涵洞四；7.軸承內圈；8.圓柱滾子。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例，對本發明的具體實施作進一步描述：
如圖1所示，一種內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振裝置由梭形錐狀體套筒2、翅片3及軸承組成。梭形錐狀體套筒2中部開有與其中軸同軸的圓柱形孔洞，梭形錐狀體套筒2通過其圓柱形孔洞套裝於立管1外壁，圓柱形孔洞內壁兩端設有內螺紋，如圖8所示。梭形錐狀體套筒2的外表面是由圓心角為35°弧長為18倍立管1直徑的圓弧繞立管1軸向旋轉360°所形成的圓弧面，並且表面粗糙。如圖2、圖3所示，梭形錐狀體套筒2內部由上至下關於立管1管軸對稱開設有一對交錯的逆時針盤旋上升導流涵洞(逆時針盤旋上升導流涵洞一51和逆時針盤旋上升導流涵洞三53)、一對交錯的順時針盤旋上升導流涵洞(順時針盤旋上升導流涵洞一61和順時針盤旋上升導流涵洞三63)、一對交錯的逆時針盤旋上升導流涵洞(逆時針盤旋上升導流涵洞二52和逆時針盤旋上升導流涵洞四54)、一對交錯的順時針盤旋上升導流涵洞(順時針盤旋上升導流涵洞二62和順時針盤旋上升導流涵洞四64)，四對交錯導流涵洞所在位置沿立管1管軸方向均勻分布。如圖6、圖7所示，梭形錐狀體套筒2的外表面由上至下布設有4個翅片3，翅片3的長度方向沿立管1軸向布置，4個翅片3沿梭形錐狀體套筒2外表面周向相互間隔90°，且呈螺旋下降布置。如圖4、圖5所示，軸承為中間設圓柱滾子8的內外圈結構，軸承有兩個，按間隔一個梭形錐狀體套筒2高度安裝於立管1外壁。兩個軸承外圈4外壁均設有外螺紋，分別與梭形錐狀體套筒2圓柱形孔洞兩端表面內螺紋嚙合，使梭形錐狀體套筒2與兩端軸承外圈4連接成為一體，從而使梭形錐狀體套筒2可繞立管1旋轉。
利用所述的內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振裝置可以提供一種內設導流涵洞的梭形錐狀體抑振方法。任意方向來流流至梭形錐狀體套筒2後，由於梭形錐狀體套筒2表面有16個導流涵洞洞口，可以從不同方位引導來流，使水流沿導流涵洞流進與流出，形成沿梭形錐狀體套筒2外表面的周向剪切流，有效地擾亂立管1四周的繞流流場分布，破壞了繞流邊界層，抑制了立管1背部的旋渦脫落。且由於導流涵洞呈螺旋上升狀，可以調動不同深度的水流，對垂向不同水深處的流場產生擾動，破壞三維旋渦的形成。同時，梭形錐狀體套筒2外表面粗糙，對繞流邊界層構成破壞，削弱了尾流旋渦強度，進一步抑制了渦激振動。另外，水流衝擊在螺旋布置的4個翅片3上時，會對翅片3產生衝擊力，推動梭形錐狀體套筒2繞立管1轉動，進一步調整流場分布，更大程度地實現渦激振動的抑制。在導流涵洞導流、翅片3帶動梭形錐狀體套筒2轉動及粗糙表面的共同作用下，實現了立管1渦激振動的抑制。
實施例：
裝置安裝時，首先將兩個軸承按間隔一個梭形錐狀體套筒2高度安裝於立管1外壁，然後將梭形錐狀體套筒2套裝於立管1外壁，並使梭形錐狀體套筒2圓柱形孔洞兩端表面內螺紋分別與上、下兩個軸承外圈4外壁的外螺紋嚙合，使梭形錐狀體套筒2可繞立管1旋轉。
安裝完畢後，將立管1置於海水中。任意方向來流流至梭形錐狀體套筒2後，由於梭形錐狀體套筒2表面有16個導流涵洞洞口，可以從不同方位引導來流，使水流沿導流涵洞流進與流出，形成沿梭形錐狀體套筒2外表面的周向剪切流，有效地擾亂立管1四周的繞流流場分布，破壞了繞流邊界層，抑制了立管1背部的旋渦脫落。且由於導流涵洞呈螺旋上升狀，可以調動不同深度的水流，對垂向不同水深處的流場產生擾動，破壞三維旋渦的形成。同時，梭形錐狀體套筒2外表面粗糙，對繞流邊界層構成破壞，削弱了尾流旋渦強度，進一步抑制了渦激振動。另外，水流衝擊在螺旋布置的4個翅片3上時，會對翅片3產生衝擊力，推動梭形錐狀體套筒2繞立管1轉動，進一步調整流場分布，更大程度地實現渦激振動的抑制。在導流涵洞導流、翅片3帶動梭形錐狀體套筒2轉動及粗糙表面的共同作用下，實現了立管1渦激振動的抑制。