專利名稱：仿魚尾式整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水下立管渦激振動抑制裝置，特別是一種采用仿魚尾式整流罩的 水下立管渦激振動抑制裝置，屬于海洋立管設施鋪設技術領域。
背景技術：
石油供應的日益短缺使得深海油氣開采受到了世界各國高度重視。深海開采系統(tǒng) 中有眾多的細長圓柱形結構物，如鉆井隔水管、采油立管和懸跨輸液管線等，它們的總造價 超過整個深海采油系統(tǒng)的百分之五十。當波浪、海流流經(jīng)這些管線時，在一定的流速下會使 得管線尾跡產生周期性的旋渦脫落，當管線的固有頻率與旋渦脫落頻率接近時，就產生了 渦激共振現(xiàn)象，從而導致立管的疲勞破壞。管線在持續(xù)的渦激共振的作用下，最終可能產生 疲勞破環(huán)，從而嚴重影響海洋作業(yè)，甚至帶來嚴重的工程和環(huán)境事故。因此，深海開采系統(tǒng) 管線渦激振動抑制問題的研究已顯得至關重要。為減少和防止渦激振動造成的破壞作用，增加海洋管線的使用壽命，通常在作業(yè) 中使用渦激振動抑制裝置。現(xiàn)有的渦激振動抑制裝置主要可分為主動抑制和被動抑制兩 類。主動抑制技術是近期發(fā)展起來的，其原理是給流場加入外部能量從而達到抑制漩渦脫 落的目的。而被動抑制技術是指通過改變管線外部形狀或者安裝附加裝置來抑制管線尾跡 漩渦脫落?？紤]到深海流場的復雜性，海洋管線的渦激振動抑制很難應用主動抑制技術，更 多的應該考慮被動抑制方法。被動抑制方法中，控制桿、螺旋狀條紋、0型圈、表面突起、分 離盤和固定整流罩等方法已經(jīng)在一些工程場合中用來抑制渦激振動?，F(xiàn)有技術中，專利號 為US2007/0104542A1名稱為hiring for a riser的發(fā)明專利是使用流線型結構的固定 整流罩來抑制渦激振動。通過將整流罩圓弧部分正對來流方向，其尾部背對來流方向，可 以得到比較好的渦激振動抑制效果。當整流罩橫截面尾流方向形狀夾角θ在一定范圍內 時，其抑制性能主要受整流罩長徑方向與來流方向之間的來流角α的影響。在來流角α 不同時，裝置的抑制效果可能會急劇降低，甚至會增加管線的流體力，這說明整流罩對來流 方向非常敏感，僅對特定來流方向上產生的渦激振動具有較好的抑制效果。因此，對于海洋 河流等水流方向時常變化的作業(yè)環(huán)境，固定整流罩的應用具有很大的局限性。而申請?zhí)枮?201010571612. 8名稱為“采用可旋轉整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置”的專利是利用 整流罩的旋轉達到流向適應的效果，部分消除了整流罩抑制渦激振動效果對來流方向敏感 的缺點，但是由于受來流角α不夠小的影響，其降低水下立管升阻力和渦激振動的效果受 到了限制。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術的不足和缺陷，本發(fā)明提供一種設計制造簡單、安裝方便的來 流方向自適應的仿魚尾式整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明是通過旋轉模塊將仿魚尾式整流罩與立管連接起來，仿魚尾式整流罩包括旋轉模塊、整流罩固定墊、整流罩和魚尾柔性板。其中旋轉模塊包括旋轉模塊固定件、旋轉 模塊轉動件、滾子和軸向止動片。旋轉模塊固定件由對稱的兩半環(huán)鋼質構件組成，旋轉模塊 固定件的內徑等于立管外徑D，內外徑厚度取0. 12D至0. 14D，在其頂面均勻加工有滾子槽。 旋轉模塊固定件從兩側套在立管上，并使用螺栓連接固定。球型滾子放置于旋轉模塊固定 件的滾子槽內。旋轉模塊轉動件也由對稱的兩半環(huán)鋼質構件組成，旋轉模塊轉動件的內徑 略大于立管外徑，內外徑厚度為0. 15D至0. 2D，在其底面上加工滾子環(huán)槽。直角結構的軸向 止動片，分別安裝在旋轉模塊轉動件的兩半環(huán)上，保證旋轉模塊安裝好后旋轉模塊轉動件 不會沿軸向移動，軸向止動片與旋轉模塊固定件底面留有一定的空隙，以保證旋轉不受摩 擦。旋轉模塊轉動件套在旋轉模塊固定件上面，其滾子環(huán)槽8正好放置在滾子上面，兩半環(huán) 之間使用螺栓連接，連接好后旋轉模塊轉動件可繞立管的軸線自由轉動。整流罩的外形前圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀。其橫截面迎流方向部分為圓 弧，尾流方向部分沿圓弧切線光滑過渡直至相交，相交后延伸出一段用于安裝和拆卸的尾 部。整流罩尾部安裝魚尾柔性板，沿立管軸向的長度與整流罩長度相等，為4D至8D，魚尾柔 性板的厚度為0. 05至0. 2D，寬度L2為0. 5至1. 0D。材料采用抗彎曲強度較低的尼龍板或 者四氟板，且具有較高的抗壓強度、穩(wěn)定的化學性質以及廣泛的耐寒耐熱性。安裝好魚尾柔 性板的整流罩和整流罩固定墊均安裝在旋轉模塊外面，每個整流罩上下兩端分別安裝兩個 旋轉模塊。兩端的旋轉模塊和整流罩之間分別用螺栓緊固連接，整流罩圓弧部分與立管同 軸ο如果水下立管長徑比很大，可在其上每隔一段距離安裝多段所述渦激振動抑制裝 置，每段所述整流罩的長度取4D至8D。本發(fā)明有益效果1、本發(fā)明由于在可旋轉整流罩的基礎上增加了魚尾柔性板，同 樣具有流向自適應性，有效解決很多附加裝置抑制渦激振動效果受來流方向限制的缺陷。 2、實驗結果表明，該裝置相比沒有魚尾柔性板的可旋轉整流罩能使來流夾角α減小5至 10°，而立管時均阻力和脈動升力在可旋轉整流罩的基礎再次減少10%和50%，并有效減 小渦激振動幅度。3、本發(fā)明裝置只需在立管上每隔一定距離安裝一對旋轉模塊，再套上仿 魚尾式整流罩，結構簡單，制造安裝方便。


圖1為本發(fā)明裝置立體結構示意2為本發(fā)明裝置仿魚尾式整流罩剖面示意3為本發(fā)明裝置旋轉模塊立體結構示意4為本發(fā)明裝置旋轉模塊固定件頂面示意5為本發(fā)明裝置旋轉模塊轉動件底面示意中1.立管；2.旋轉模塊固定件；3.旋轉模塊轉動件；4.軸向止動片；5.整流罩固定 墊；6.整流罩；7.固定件滾子槽；8.轉動件滾子環(huán)槽；9.螺栓；10.滾子；11.魚尾柔性板。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步描述。
如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本發(fā)明包括旋轉模塊、整流罩固定墊5、整流罩 6和魚尾柔性板11。其中旋轉模塊包括旋轉模塊固定件2、旋轉模塊轉動件3、滾子10和軸向止動片 4。旋轉模塊固定件2由對稱的兩半環(huán)鋼質構件組成，旋轉模塊固定件2的內徑等于立管1 外徑D，其內外徑厚度取0. 12D至0. 14D，在其頂面均勻加工有滾子槽7。旋轉模塊固定件2 從兩側套在立管1上，并使用螺栓9連接固定。滾子10直徑為旋轉模塊固定件2內外徑厚 度的0. 5至0. 8倍，滾子10放置于旋轉模塊固定件2的每個滾子槽7里。旋轉模塊轉動件 3也由對稱的兩半環(huán)鋼質構件組成，旋轉模塊轉動件3內徑略大于立管1外徑，以保證轉動 不受摩擦，內外徑厚度為0. 15D至0. 2D，其底面上加工滾子環(huán)槽8。直角結構的軸向止動片 4，分別安裝在旋轉模塊轉動件3的兩半環(huán)上，其可以保證旋轉模塊安裝好后旋轉模塊轉動 件3不會沿軸向移動，但軸向止動片4與旋轉模塊固定件2底面留有一定的空隙，以保證旋 轉不受摩擦。旋轉模塊轉動件3套在旋轉模塊固定件2上面，其滾子環(huán)槽8正好放置在滾 子10上面，兩半環(huán)之間使用螺栓9連接，連接好后旋轉模塊轉動件3可繞立管1的軸線自 由轉動。旋轉模塊固定件2和旋轉模塊轉動件3均采用分開兩個半環(huán)的設計優(yōu)點在于，相 比于整體環(huán)狀結構的模塊，它可以保證不受立管1長度以及不同地方直徑差異帶來的安裝 困難。整個旋轉模塊采用類似推力軸承結構設計，可以減小因整流罩6不對稱重力帶來的 結構變形以及轉動摩擦阻力，另外在整流罩6空心部分可添加小密度浮力材料，甚至可以 完全消除這種不利因素。整流罩6的外形前圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀。其橫截面迎流方向部分為 圓弧，尾流方向部分沿圓弧切線光滑過波直至相交，相交后延伸出一段用于安裝和拆卸的 尾部。魚尾柔性板11為長方形薄板，采用抗彎曲強度較低的尼龍板或者四氟板加工，具有 較高的抗壓強度、穩(wěn)定的化學性質以及廣泛的耐寒耐熱性。魚尾柔性板11沿立管軸向的長 度與整流罩6長度相等，為4D至8D，魚尾柔性板11的厚度為0. 05至0. 2D，寬度L2為0. 5 至1. 0D。魚尾柔性板11通過螺栓安裝在整流罩6尾部。安裝好魚尾柔性板11的整流罩6 和整流罩固定墊5均安裝在旋轉模塊外面，每個整流罩6上下兩端分別安裝兩個旋轉模塊。 兩端的旋轉模塊和整流罩6之間分別用螺栓9緊固連接。整流罩6的圓弧部分與立管1同 軸，并通過旋轉模塊繞立管1軸線自由轉動。整流罩6橫截面圓弧部分內徑等于旋轉模塊 轉動件3外徑，厚度為0.02D至0.05D，橫截面尾流方向形狀夾角θ為75°至30°，尾部長 度 L 為 0. 2D 至 0. 4D。當來流方向改變時，在表面兩側壓力差的作用下，通過旋轉模塊的轉動，整流罩6 將自動穩(wěn)定于相對于來流方向對稱的兩個平衡位置。因此改變了來流夾角α，達到流向自 適應的效果。同時，由于魚尾柔性板11的存在，它受到兩側壓力的作用，產生彎曲后帶動整 流罩6尾部向θ =180°方向轉動，從而使得整流罩6流線型更貼近流向。相比沒有魚尾 柔性板11的可旋轉整流罩，增加魚尾柔性板11可獲得更小的來流夾角α，從而更大程度 上降低升阻力系數(shù)和渦激振動幅度。另外，仿魚尾式整流罩達到平衡時，來流夾角α很大 程度上取決于形狀夾角θ，形狀夾角θ越小，來流夾角α也越小。實驗結果表明，當形狀 夾角θ保證在75°至30°范圍內時，該裝置相比沒有魚尾柔性板11的可旋轉整流罩能使 來流夾角α減小5至10°，而立管時均阻力和脈動升力在可旋轉整流罩的基礎再次減少
5CN 102134972 A_說 明 書_4/4 頁10%和50%，并有效減小渦激振動幅度。 如果水下立管1長徑比很大，可在其上每隔一段距離安裝多段所述渦激振動抑制 裝置，每段所述整流罩6的長度取4D至8D。
權利要求
1.一種仿魚尾式整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置，包括旋轉模塊、整流罩固定 墊(5)、整流罩(6)，其中旋轉模塊包括旋轉模塊固定件( 、旋轉模塊轉動件C3)、滾子(10) 和軸向止動片(4)；旋轉模塊固定件O)由對稱的兩半環(huán)鋼質構件組成，在其頂面均勻加工 有滾子槽(7)；旋轉模塊固定件( 從兩側套在立管(1)上，并使用螺栓(9)連接固定；滾 子(10)放置于旋轉模塊固定件(2)的滾子槽(7)內；旋轉模塊轉動件(3)也由對稱的兩半 環(huán)鋼質構件組成，在其底面上加工滾子環(huán)槽(8)；直角結構的軸向止動片G)，分別安裝在 旋轉模塊轉動件C3)的兩半環(huán)上；旋轉模塊轉動件C3)套在旋轉模塊固定件( 上面，其滾 子環(huán)槽(8)正好放置在滾子(10)上面，兩半環(huán)之間使用螺栓(9)連接；整流罩(6)外形前 圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀；橫截面迎流方向部分為圓弧，尾流方向部分沿圓弧切 線光滑過渡直至相交，相交后延伸出一段尾部；其特征在于還包括魚尾柔性板(11)，魚尾 柔性板(11)通過螺栓(9)安裝在整流罩(6)尾部；安裝好魚尾柔性板(11)的整流罩(6) 和整流罩固定墊(5)均安裝在旋轉模塊外面，每個整流罩(6)上下兩端分別安裝兩個旋轉 模塊；兩端的旋轉模塊和整流罩(6)之間分別用螺栓(9)緊固連接，整流罩(6)圓弧部分與 立管同軸；魚尾柔性板(11)為長方形薄板，采用抗彎曲強度低的尼龍板或者四氟板。
2.根據(jù)權利要求1所述的仿魚尾式整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置，其特征是所 述的魚尾柔性板(11)沿立管(1)軸向的長度與整流罩(6)長度相等，為4D至8D，魚尾柔性 板(11)的厚度為0. 05至0. 2D，寬度L2為0. 5至1. 0D。
全文摘要
仿魚尾式整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置，屬于海洋立管設施鋪設技術領域。本發(fā)明是為水下立管安裝可隨水流流向改變方向的仿魚尾式整流罩，包括旋轉模塊、整流罩固定墊、整流罩和魚尾柔性板。整流罩外形前圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀。整流罩圓弧部分與立管同軸，其與主管之間采用方便安裝和拆卸的旋轉模塊連接，使其可以繞立管自由轉動。整流罩空心部分添加小密度浮力材料。整流罩尾部安裝魚尾柔性板，能夠減小整流罩的來流夾角，從而達到更好的減少升阻力和抑制渦激振動的效果。本發(fā)明因有效抑制渦激振動，故可提高水下立管的抗疲勞強度，從而大大降低工程造價。同時克服不少渦激振動抑制裝置對于來流方向的限制，在海洋河流水流方向時常變化的環(huán)境中具有很高的應用價值。
文檔編號E21B17/10GK102134972SQ20101061950
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者王嘉松, 谷斐 申請人:上海交通大學