專利名稱：深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動(dòng)抑制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種深海立管的渦激振動(dòng)抑制裝置。
背景技術(shù)：
深海立管是海上平臺(tái)(半潛平臺(tái)、Spar平臺(tái)、張力腿式平臺(tái)、FPSO等)與海底井口 的唯一連接結(jié)構(gòu)，主要功能為將海底氣田內(nèi)的油氣輸送到海上生產(chǎn)平臺(tái)，深海立管能否正 常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于海上油氣生產(chǎn)關(guān)系重大。在立管海損事故當(dāng)中，幾種主要的破壞形式(斷裂，泄 露)都與一種現(xiàn)象息息相關(guān)，就是渦激振動(dòng)(VIV)現(xiàn)象。當(dāng)海流經(jīng)過(guò)圓柱形立管結(jié)構(gòu)的物 體時(shí)，會(huì)在立管后部的兩側(cè)出現(xiàn)交替的旋渦，形成一個(gè)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(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，且在與海流方向相垂直方向上的振動(dòng) 最為劇烈。同時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，使旋渦增強(qiáng)，阻力加大。因此立管的渦激 振動(dòng)是一個(gè)典型的流固耦合現(xiàn)象。當(dāng)旋渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近或者相同時(shí)， 就會(huì)引起立管的強(qiáng)烈振動(dòng)，同時(shí)發(fā)生“鎖定”現(xiàn)象，加劇立管的疲勞破壞。深海立管產(chǎn)生渦 激振動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)對(duì)海上平臺(tái)主體造成影響，使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度加大，造成立管節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力 增加，這對(duì)于剛性立管尤為嚴(yán)重。目前國(guó)外對(duì)深海立管渦激振動(dòng)的抑制一般主要采用兩種方式，一種是在立管來(lái)流 方向的后部加裝魚(yú)鰭狀導(dǎo)流板，另一種是加裝多組的螺旋形的導(dǎo)流板，以減少渦激振動(dòng)。但 是以上兩種裝置成本比較高，重量較大，性價(jià)比偏低。國(guó)內(nèi)尚無(wú)深海油田開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，因此 無(wú)深海立管渦激振動(dòng)抑制裝置的具體使用案例。申請(qǐng)?zhí)枮?00810158612. 8，名稱為海洋立管渦激振動(dòng)的抑振方法及其抑振裝置的 專利文件中，公開(kāi)的抑制裝置為固定在導(dǎo)流罩上的擾流裝置，該裝置是有首尾相連的多個(gè) 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(shè)置在導(dǎo)流罩的外表面 上，其螺距為立管外徑的5-15倍。申請(qǐng)?zhí)枮?00710060647. 3，名稱為海底管道渦激振動(dòng)抑制方法的專利文件中，公 開(kāi)的是對(duì)海底管道渦激振動(dòng)抑制方法，采用制作多對(duì)大小、彎曲弧度相同的舌狀導(dǎo)流片，每 片導(dǎo)流片從底邊到頂端漸細(xì)，底邊開(kāi)有方波狀切口，外壁上固定有Z字型激流絲；每一對(duì)導(dǎo) 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(dǎo)流罩，每個(gè)導(dǎo)流罩由兩對(duì)導(dǎo)流片經(jīng)過(guò)拼接和焊接，形成為中部凸起兩頂端連接的對(duì) 稱殼體，將海底管道包覆在中部的部位。申請(qǐng)?zhí)枮?00810225715. 1，名稱為一種水下管線渦激振動(dòng)的抑制方法及裝置的專 利文件中，公開(kāi)的的抑制裝置采用了的是環(huán)繞主管周向按120度間隔設(shè)置三根控制桿，所 述控制桿與主桿平行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)，高效的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦 激振動(dòng)抑制裝置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動(dòng)抑制裝置由多個(gè)基本模 塊組合而成，所述基本模塊又由導(dǎo)流罩和擾流葉片組成；導(dǎo)流罩為內(nèi)徑為立管的外徑的半 圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)；基本模塊按周向展開(kāi)后擾流葉片在導(dǎo)流罩上的布置位置為從導(dǎo)流罩右上角 到底邊中點(diǎn)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(dǎo)流罩的縱、橫軸各有一個(gè)夾角θ ；左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對(duì)稱安裝于立管表 面，形成一個(gè)基本擾流單元；各擾流單元沿著立管軸線首尾依次對(duì)接，上下兩個(gè)擾流單元對(duì) 接處繞立管軸線錯(cuò)開(kāi)180度，依次串聯(lián)排列擾流單元使得擾流葉片呈唇式排列。本發(fā)明還可以包括1、導(dǎo)流罩的厚度與內(nèi)徑D的關(guān)系滿足厚度為0.04D，導(dǎo)流罩的軸向長(zhǎng)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(zhǎng)ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在
導(dǎo)流罩的外表面。本發(fā)明針對(duì)深海立管渦激振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)出一種能夠有效地改變立管周?chē)?流場(chǎng)，抑制立管渦激振動(dòng)的裝置。該裝置主要由附著于立管外的導(dǎo)流罩以及擾流葉片構(gòu)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(fā)明的特色在于在立管 的兩側(cè)以唇式反向耦合的形式對(duì)稱布置兩組擾流葉片，以使擾流效果達(dá)到最優(yōu)化，使渦激 振動(dòng)對(duì)立管的疲勞壽命影響最小。本發(fā)明是一種新型、高效的深海立管渦激振動(dòng)抑制裝置，該裝置的主要構(gòu)成為基 本模塊，基本模塊的尺寸由立管的實(shí)際外徑尺寸確定?；灸K由導(dǎo)流罩和擾流葉片組成， 將4-8個(gè)基本模塊上的擾流葉片按反向耦合雙螺旋的形式排列，并對(duì)稱安裝在立管上，形 成一個(gè)抑制單元，將多個(gè)抑制單元組合在一起，形成本渦激振動(dòng)抑制裝置。該裝置較國(guó)外的螺旋連續(xù)式抑制裝置更加先進(jìn)，可以將渦激振動(dòng)的抑制效果提高 40%以上，并節(jié)省了材料，裝置的重量也降低了 30%左右，另外該裝置的制造、安裝成本也 有顯著下降，更加明顯的優(yōu)勢(shì)是該裝置使立管的受力更加均勻，避免了由于單向螺紋型排 列的擾流葉片所造成的立管扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。本發(fā)明的效果主要包括1、采用分組模塊化生產(chǎn)、分散安裝方法，能有效地減少螺旋葉片上的應(yīng)力集中現(xiàn) 象；2、采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(fā)的渦激振 動(dòng)。采用該裝置能使立管的渦激振動(dòng)幅值減小40% ；3、若采用微毒性塑料作為主要的材料，能有效降低成本，簡(jiǎn)化制作工藝，并可有效 抑制海洋生物的生長(zhǎng)，也可為立管提供一定的浮力。


圖1基本模塊側(cè)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(kāi)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(gè)擾流單元串聯(lián)裝配后的立體圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的深海立管唇式反向耦合雙螺旋葉片式渦激振動(dòng)抑制裝置主要由多個(gè)基 本模塊組合而成，基本模塊又由導(dǎo)流罩1和擾流葉片2組成。由于該裝置從側(cè)向上看，其擾 流葉片的組成形式像一個(gè)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(dòng)抑制裝置。每個(gè)基本模塊由導(dǎo)流罩和擾流葉片組成；基本模塊根據(jù)擾流葉片方向又分為左旋 和右旋兩種，兩種基本模塊關(guān)于軸向截面對(duì)稱。導(dǎo)流罩為半圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為立管的外徑 D，厚度為0.04D，軸向長(zhǎng)度可根據(jù)需要調(diào)整，以1.5-2. Om為宜。將基本模塊按周向展開(kāi)，擾 流葉片在導(dǎo)流罩上的布置位置為從導(dǎo)流罩右上角到底邊中點(diǎn)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(dǎo)流罩的縱、橫軸各有一個(gè)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(zhǎng)ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在導(dǎo)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(méi)有畫(huà)出。)將左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對(duì)稱安裝于立管表面，形成一個(gè)基本擾流單 元。然后將擾流單元沿著立管軸線首尾依次對(duì)接，上下兩個(gè)擾流單元對(duì)接時(shí)繞立管軸線錯(cuò) 開(kāi)180度。依次串聯(lián)排列擾流單元，使得擾流葉片呈唇式排列。
權(quán)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(dòng)抑制裝置，其特征是由多個(gè)基 本模塊組合而成，所述基本模塊又由導(dǎo)流罩和擾流葉片組成；導(dǎo)流罩為內(nèi)徑為立管的外徑 的半圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)；基本模塊按周向展開(kāi)后擾流葉片在導(dǎo)流罩上的布置位置為從導(dǎo)流罩右 上角到底邊中點(diǎn)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(dǎo)流罩的縱、橫軸各有一個(gè)夾角θ ；左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對(duì)稱安裝于立 管表面，形成一個(gè)基本擾流單元；各擾流單元沿著立管軸線首尾依次對(duì)接，上下兩個(gè)擾流單 元對(duì)接處繞立管軸線錯(cuò)開(kāi)180度，依次串聯(lián)排列擾流單元使得擾流葉片呈唇式排列。
2.根據(jù)權(quán)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(dòng)抑制裝置，其 特征是導(dǎo)流罩的厚度與內(nèi)徑D的關(guān)系滿足厚度為0. 04D，導(dǎo)流罩的軸向長(zhǎng)度為1. 5-2. Om。
3.根據(jù)權(quán)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(dòng)抑制裝 置，其特征是所述中夾角θ為10° -15°。
4.根據(jù)權(quán)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(dòng)抑制裝 置，其特征是擾流葉片的橫剖面為等腰三角形。
5.根據(jù)權(quán)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(dòng)抑制裝置，其 特征是擾流葉片的橫剖面為等腰三角形。
6.根據(jù)權(quán)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(dòng)抑制裝置，其 特征是所述等腰三角形的底邊長(zhǎng)ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在導(dǎo)流 罩的外表面。
7.根據(jù)權(quán)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(dòng)抑制裝置，其 特征是所述等腰三角形的底邊長(zhǎng)ζ = 0. 05D-0. 2D，高d = 0. 25D-0. 5D，且底邊連接在導(dǎo)流罩的外表面。
全文摘要
本發(fā)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(dòng)抑制裝置。由多個(gè)基本模塊組合而成，基本模塊由導(dǎo)流罩和擾流葉片組成；導(dǎo)流罩為內(nèi)徑為立管的外徑的半圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)；基本模塊按周向展開(kāi)后擾流葉片從導(dǎo)流罩右上角到底邊中點(diǎn)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(dǎo)流罩的縱、橫軸各有一個(gè)夾角θ；左旋和右旋基本模塊按照軸向截面對(duì)稱安裝于立管表面，形成一個(gè)基本擾流單元；各擾流單元沿著立管軸線首尾依次對(duì)接，上下兩個(gè)擾流單元對(duì)接處繞立管軸線錯(cuò)開(kāi)180度。本發(fā)明在立管的兩側(cè)以唇式反向耦合的形式對(duì)稱布置兩組擾流葉片，以使擾流效果達(dá)到最優(yōu)化，使渦激振動(dòng)對(duì)立管的疲勞壽命影響最小。
文檔編號(hào)E21B15/02GK102003152SQ20101051320
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者孫麗萍, 康莊, 王大明, 艾尚茂, 里程 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)