本發(fā)明屬于海洋立管的設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置。

背景技術(shù)：

隨著人們對海洋石油、天然氣等資源的不斷開發(fā)，海洋平臺得到廣泛地應(yīng)用。而立管是海洋平臺中海底生產(chǎn)系統(tǒng)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(tǒng)作為海底油氣資源的運(yùn)輸通道，因此安全開采海洋資源的根本保障是立管的安全性。由于海洋環(huán)境較為復(fù)雜，立管在洋流的作用下，會發(fā)生旋渦周期性地產(chǎn)生與脫落，不可避免地產(chǎn)生渦激振動現(xiàn)象，最終發(fā)生疲勞損壞。如何有效地抑制海洋立管的渦激振動效應(yīng)一直是學(xué)者專家們的關(guān)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(jié)構(gòu)受力的實時監(jiān)測，利用計算機(jī)自動控制技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(fā)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.)。由于主動控制的難度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在實際海洋中主動控制方式并不具有實用性和經(jīng)濟(jì)性。被動控制因其結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，而在海洋工程領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)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。高云等(高云,付世曉,宋磊建.柔性立管渦激振動抑制裝置試驗研究[j].振動與沖擊,2014,33(14):77-83.)對采用被動抑制方式的柔性立管渦激振動影響進(jìn)行了一定研究。此外還有很多科研學(xué)者在抑制渦激振動方面做出了大量的研究。但至今為止并未出現(xiàn)一種大家一致公認(rèn)的最優(yōu)的抑制渦激振動效應(yīng)的措施。因此，為了不斷尋求各項性能優(yōu)異的抑制措施，仍需要大量的創(chuàng)新性研究。

20世紀(jì)60年代以后,一些學(xué)者提出了“卷吸層”(entrainmentlayer)和“匯流點”(confluencepoint)的概念,用以解釋渦脫落機(jī)理和相關(guān)的現(xiàn)象。卷吸層存在于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(biāo)示圓柱體兩側(cè)的卷吸層相遇和互相作用的區(qū)域。漩渦是由收卷過程形成的,人們認(rèn)為通過干涉卷吸層,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(wǎng)格管套、控制桿、軸向板條。

隨著研究的進(jìn)一步深入,人們意識到渦脫落的發(fā)生是由匯流點從尾流軸線的一側(cè)向另一側(cè)轉(zhuǎn)換來控制的,卷吸層的相互作用對渦脫落的產(chǎn)生具有更重要的作用,于是開始將工作的重點轉(zhuǎn)向尾流區(qū)域,以阻止匯流點轉(zhuǎn)換為目標(biāo),發(fā)展了飄帶、分隔板、導(dǎo)向翼、整流罩等近尾流穩(wěn)定裝置。

開孔管套是一個相對較薄的開孔金屬圓管,用支撐桿固定在主管上。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(fā)明專利,僅在圓管局部裹覆,從而方便水下安裝并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(jìn)形式,它的外徑通常約為1.3d,開敞部分約占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(jié)果表明,軸向板條對主管渦激振動響應(yīng)振幅的抑制作用最強(qiáng),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(qiáng)；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后方的一個薄平板,它可以阻斷尾流區(qū)的匯流點轉(zhuǎn)換,抑制渦脫落或?qū)⑵渫七t至較遠(yuǎn)的下游區(qū)域,以消減圓柱體上的渦激力，分隔板的設(shè)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(fā)明公開了一種抗流體渦激振動的柱體結(jié)構(gòu)。將截面設(shè)計成螺旋型旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),目的是讓結(jié)構(gòu)的渦激力相關(guān)性盡快衰減。但是由于立管在水中承受的拖曳力要遠(yuǎn)大于空氣中,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(fù)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,并進(jìn)一步增加水流的拖曳力。

申請公布號為cn106014275a的發(fā)明公開了一種新型抗渦激振動仿生立管。將橫截面設(shè)計成周期凸起式的波浪狀,也即在圓柱形立管的基礎(chǔ)上改變其截面形狀。但該發(fā)明設(shè)計難度較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供抑制海洋立管的渦激振動效應(yīng)，提高海洋立管的疲勞強(qiáng)度和使用壽命的一種用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置。

本發(fā)明的目的通過如下方式實現(xiàn)：

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干擾圓柱形水下立管旋渦的形成，將渦量強(qiáng)度較大的旋渦梳理成渦量強(qiáng)度較小的旋渦，進(jìn)而減小渦激振動的強(qiáng)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,并且它可以自動調(diào)整形狀以適應(yīng)來流方向,從而消除了方向敏感性。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征主要包括：

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于圓柱形套管的外徑。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，所以其寬度不小于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于2:3。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與柔性絲帶的固定強(qiáng)度，橡膠套管的厚度與橡膠套管的內(nèi)徑比值不低于1:10。柔性絲帶的根部通過固定裝置與橡膠套管進(jìn)行連接，固定裝置為圓弧形凸臺，通過螺母與套管連接，實現(xiàn)柔性絲帶與固定裝置的可替換功能。

本發(fā)明的有益效果：

與現(xiàn)有的各項海洋立管渦激振動抑制技術(shù)相比，本發(fā)明應(yīng)用柔性絲帶的梳理作用，在水流經(jīng)過海洋立管時，柔性絲帶一直存在于圓柱體表面的剪切層與圓柱體后面的湍流層，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(qiáng)度的作用，在湍流層中即旋渦擴(kuò)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(wěn)定。本發(fā)明依據(jù)傳統(tǒng)海洋立管的圓柱體形狀進(jìn)行設(shè)計，可以安裝于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(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)較為簡單，便于安裝與維修，并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(jīng)濟(jì)性與實用性。

附圖說明

圖1為一種用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)為一種用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置的主視圖；

圖2(b)為一種用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置的左視圖；

圖2(c)為一種用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置的俯視圖；

圖3為一種用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置的絲帶根部固定裝置細(xì)節(jié)圖；

圖4為一種用于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為一種用于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(jī)制示意圖；

圖6為一種用于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為一種用于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(jī)制示意圖；

圖8為普通圓形截面水下立管的繞流機(jī)制示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

一種用于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，制作材料是橡膠、金屬、塑料。立管連接裝置1的厚度與內(nèi)徑的比值不小于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的外徑比值不小于1:10，所述的柔性條長度與立管連接裝置1的外徑比值不小于2:3。

固定裝置3為帶有圓弧側(cè)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(jī)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(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參照圖1和圖2，除非另有明確的規(guī)定和限定，用于水下立管的柔性抗渦激振動裝置中的柔性部分應(yīng)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，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

參照圖3，柔性絲帶通過圓弧形凸臺，應(yīng)用螺母將柔性絲帶連接在橡膠套管上，術(shù)語“連接”應(yīng)做廣義理解，可以是可拆卸連接，也可以是機(jī)械連接，也可以通過中介媒介相連接，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

參照圖4、圖5、圖6、圖7和圖8，本發(fā)明在不同來流角度情況下對海洋立管的渦激振動效應(yīng)有一定的抑制作用，減小了立管周圍渦的形成與脫落所產(chǎn)生的脈動壓力，提高了提高海洋立管的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。本發(fā)明抑制海洋立管渦激振動效應(yīng)的機(jī)理在于：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(qiáng)度。在旋渦的擴(kuò)大、傳遞以及脫落過程中，柔性絲帶與旋渦相互干擾，柔性絲帶吸收旋渦的能量同時反作用于旋渦，從而抑制旋渦在湍流層中發(fā)展、傳遞與脫落，最終達(dá)到抑制海洋立管的渦激振動效應(yīng)。本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)較為簡單，便于安裝與維修，并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(jīng)濟(jì)性與實用性。