一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的製作方法
2023-10-23 19:18:22 1
本發明屬於海洋立管的設計領域，具體涉及一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置。
背景技術：
隨著人們對海洋石油、天然氣等資源的不斷開發，海洋平臺得到廣泛地應用。而立管是海洋平臺中海底生產系統與海洋浮式平臺之間的重要連接部分，海洋平臺中的立管系統作為海底油氣資源的運輸通道，因此安全開採海洋資源的根本保障是立管的安全性。由於海洋環境較為複雜，立管在洋流的作用下，會發生旋渦周期性地產生與脫落，不可避免地產生渦激振動現象，最終發生疲勞損壞。如何有效地抑制海洋立管的渦激振動效應一直是學者專家們的關注焦點。
目前已提出的渦激振動抑制方式主要分為兩種：主動控制和被動控制。主動控制是通過對流場和結構受力的實時監測，利用計算機自動控制技術，將外部擾動引入流場從而控制旋渦脫落。被動控制是直接改變結構表面形狀或者附加額外的裝置以改變繞流場，從而控制旋渦的形成和發展過程，抑制渦脫落(吳浩,孫大鵬.深海立管渦激振動被動抑制措施的研究[j].中國海洋平臺,2009,24(4):1-8.)。由於主動控制的難度較大、結構複雜，所以在實際海洋中主動控制方式並不具有實用性和經濟性。被動控制因其結構簡單、易於實現，而在海洋工程領域得到廣泛地應用。trim等(trimad,braatenh,lieh,etal.experimentalinvestigationofvortex-inducedvibrationoflongmarinerisers[j].journaloffluids&structures,2005,21(3):335–361.)研究了螺旋列板裝置對立管渦激振動的影響。高雲等(高雲,付世曉,宋磊建.柔性立管渦激振動抑制裝置試驗研究[j].振動與衝擊,2014,33(14):77-83.)對採用被動抑制方式的柔性立管渦激振動影響進行了一定研究。此外還有很多科研學者在抑制渦激振動方面做出了大量的研究。但至今為止並未出現一種大家一致公認的最優的抑制渦激振動效應的措施。因此，為了不斷尋求各項性能優異的抑制措施，仍需要大量的創新性研究。
20世紀60年代以後,一些學者提出了「卷吸層」(entrainmentlayer)和「匯流點」(confluencepoint)的概念,用以解釋渦脫落機理和相關的現象。卷吸層存在於圓柱繞流形成的分離剪切層中,為除有旋流體之外的漩渦成長提供必要的無旋流體；匯流點標示圓柱體兩側的卷吸層相遇和互相作用的區域。漩渦是由收卷過程形成的,人們認為通過幹涉卷吸層,可能會抑制渦脫落,因此提出了一些影響卷吸層的抑制措施,如開孔或網格管套、控制杆、軸向板條。
隨著研究的進一步深入,人們意識到渦脫落的發生是由匯流點從尾流軸線的一側向另一側轉換來控制的,卷吸層的相互作用對渦脫落的產生具有更重要的作用,於是開始將工作的重點轉向尾流區域,以阻止匯流點轉換為目標,發展了飄帶、分隔板、導向翼、整流罩等近尾流穩定裝置。
開孔管套是一個相對較薄的開孔金屬圓管,用支撐杆固定在主管上。allendw,henningdl在專利號為us6,685,394b1的partialshroudwithperforatingforvivsuppression,andmethodofusing一文中提出了一種新型多孔局部管套發明專利,僅在圓管局部裹覆,從而方便水下安裝並且對渦激振動具有較好的抑制效果。軸向板條是開孔管套的改進形式,它的外徑通常約為1.3d,開敞部分約佔40％。實驗對比了開孔管套、軸向板條和整流罩3種抑制措施的性能。結果表明,軸向板條對主管渦激振動響應振幅的抑制作用最強,且能夠減小主管的拖曳力；開孔管套對振幅的抑制作用最低,但對拖曳力的消減作用最強；而螺旋條紋會顯著增加主管的拖曳力，但是軸向板條缺點是造價昂貴。
分隔板是安裝在圓柱體後方的一個薄平板,它可以阻斷尾流區的匯流點轉換,抑制渦脫落或將其推遲至較遠的下遊區域,以消減圓柱體上的渦激力，分隔板的設計非常簡單,成本較低,但具有明顯的方向依賴性。
申請公布號為cn105257066a的發明公開了一種抗流體渦激振動的柱體結構。將截面設計成螺旋型旋轉結構,目的是讓結構的渦激力相關性儘快衰減。但是由於立管在水中承受的拖曳力要遠大於空氣中,螺旋條紋會顯著增加立管的拖曳力,從而增加水面浮動平臺的漂移幅度和立管的張力負載。其次,表面粗糙度對螺旋條紋抑制性能影響較大,立管上生長的海洋生物會顯著降低條紋的抑制作用,並進一步增加水流的拖曳力。
申請公布號為cn106014275a的發明公開了一種新型抗渦激振動仿生立管。將橫截面設計成周期凸起式的波浪狀,也即在圓柱形立管的基礎上改變其截面形狀。但該發明設計難度較大。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供抑制海洋立管的渦激振動效應，提高海洋立管的疲勞強度和使用壽命的一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置。
本發明的目的通過如下方式實現：
將帶有柔性絲帶的圓柱形橡膠套管套在正在使用中或建造完成的圓柱形海洋立管上，利用不同角度的柔性絲帶幹擾圓柱形水下立管旋渦的形成，將渦量強度較大的旋渦梳理成渦量強度較小的旋渦，進而減小渦激振動的強度。流場可視化實驗表明這種抑制措施能夠有效地抑制尾流場中的渦脫落,並且它可以自動調整形狀以適應來流方向,從而消除了方向敏感性。
本發明的結構特徵主要包括：
考慮不同的來流方向，在圓柱形套管的周向均勻布置有四根柔性帶，相鄰柔性帶之間的夾角為90°。柔性絲帶沿圓柱形套管軸向均勻布置，在軸向上相鄰柔性絲帶之間的距離不大於圓柱形套管的外徑。柔性絲帶成矩形條狀，柔性絲帶越大其抑制渦激振動效果越好，但其阻力性能會急劇提升，所以其寬度不小於圓柱形套管外徑的十分之一，其長度與圓柱形套管外徑的比值不低於2:3。為保證結構強度與柔性絲帶的固定強度，橡膠套管的厚度與橡膠套管的內徑比值不低於1:10。柔性絲帶的根部通過固定裝置與橡膠套管進行連接，固定裝置為圓弧形凸臺，通過螺母與套管連接，實現柔性絲帶與固定裝置的可替換功能。
本發明的有益效果：
與現有的各項海洋立管渦激振動抑制技術相比，本發明應用柔性絲帶的梳理作用，在水流經過海洋立管時，柔性絲帶一直存在於圓柱體表面的剪切層與圓柱體後面的湍流層，在剪切層中即旋渦形成的初期過程中起到降低旋渦的渦量強度的作用，在湍流層中即旋渦擴大、傳遞以及脫落過程中起阻礙作用。此外，還考慮在海洋中多種角度的來流影響，在圓柱形套管的周向均勻布置有四根柔性絲帶，也可以布置有六根、八根等，使抑制渦激振動的效果穩定。本發明依據傳統海洋立管的圓柱體形狀進行設計，可以安裝於正在使用中或建造完成的圓柱形海洋立管上，有極大地實用性。本發明的設計結構較為簡單，便於安裝與維修，並且能夠較為有效地抑制水下立管的渦激振動，擁有良好的經濟性與實用性。
附圖說明
圖1為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的整體結構示意圖；
圖2(a)為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的主視圖；
圖2(b)為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的左視圖；
圖2(c)為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的俯視圖；
圖3為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的絲帶根部固定裝置細節圖；
圖4為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的在正向來流角工況下工作效果圖；
圖5為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的在正向來流角工況下工作的繞流機制示意圖；
圖6為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的在45°斜向來流角工況下工作效果圖；
圖7為一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置的在45°斜向來流角工況下工作的繞流機制示意圖；
圖8為普通圓形截面水下立管的繞流機制示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明做進一步的描述。
一種用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置，由立管連接裝置1、擾動裝置2、固定裝置3組成，固定裝置3把擾動裝置2固定分布在立管連接裝置1的外表面。立管連接裝置1為帶有貫穿上下底面空腔的圓柱體套筒，製作材料是橡膠、金屬、塑料。立管連接裝置1的厚度與內徑的比值不小於1:10。
所述的擾動裝置2為立管連接裝置1外表面相同高度上沿周向均勻分布的4-8個柔性條，所述的柔性條是具有兩條平行邊的條狀絲帶，或者圓柱體的條狀柔性繩，或者條狀的柔性橡膠條，分布在立管連接裝置1外表面的不同高度上。柔性條寬度與立管連接裝置1的外徑比值不小於1:10，所述的柔性條長度與立管連接裝置1的外徑比值不小於2:3。
固定裝置3為帶有圓弧側面的凸臺4，凸臺上有通孔與立管連接裝置1相連，凸臺上有凹槽與螺母5契合。擾動裝置2與立管連接裝置1通過柔性條與凸臺相連，連接方式為可拆卸連接，或者機械連接，或者通過中介媒介相連接。
顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
參照圖1和圖2，除非另有明確的規定和限定，用於水下立管的柔性抗渦激振動裝置中的柔性部分應被廣義地理解，圖1中展示的僅為柔性絲帶，可以是柔性繩，也可以是柔性橡膠；圖1中的圓形橡膠套管，可以是金屬制套管；也可以是塑料制套管；圖1中在圓柱形套管的周向均勻布置有4根柔性絲帶，可以布置為6根，也可以布置為8根，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
參照圖3，柔性絲帶通過圓弧形凸臺，應用螺母將柔性絲帶連接在橡膠套管上，術語「連接」應做廣義理解，可以是可拆卸連接，也可以是機械連接，也可以通過中介媒介相連接，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
參照圖4、圖5、圖6、圖7和圖8，本發明在不同來流角度情況下對海洋立管的渦激振動效應有一定的抑制作用，減小了立管周圍渦的形成與脫落所產生的脈動壓力，提高了提高海洋立管的疲勞強度和使用壽命。本發明抑制海洋立管渦激振動效應的機理在於：柔性絲帶根部固定裝置的圓弧形凸臺布置在圓柱形套管的表面，作用與柱體表面的剪切層，在旋渦形成初期的傳遞過程中，降低旋渦形成初期的渦量強度。在旋渦的擴大、傳遞以及脫落過程中，柔性絲帶與旋渦相互幹擾，柔性絲帶吸收旋渦的能量同時反作用於旋渦，從而抑制旋渦在湍流層中發展、傳遞與脫落，最終達到抑制海洋立管的渦激振動效應。本發明的設計結構較為簡單，便於安裝與維修，並且能夠較為有效地抑制水下立管的渦激振動，擁有良好的經濟性與實用性。