一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置及方法，其特征在于：裝置由多個基本單元組合而成，所述的基本單元又由內(nèi)圈、外圈以及擺錘組成。內(nèi)圈套裝在立管外，外圈套裝在內(nèi)圈外，外圈周向均勻布置三個擺錘，擺錘頭輕尾重，在海流作用下會繞懸桿轉動。擺錘受到的海流沖擊力在外圈的切向存有分力，可驅使擺錘帶動外圈繞立管旋轉，在內(nèi)圈的外凸圓環(huán)和外圈的環(huán)槽配合下，帶擺錘自由旋轉的外圈將破壞立管的繞流流場，干擾立管后方漩渦的形成，從而實現(xiàn)渦激振動的抑制。本發(fā)明整體結構由塑料加工而成，成本低廉，耐腐蝕，可重復使用。
【專利說明】一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋立管設施鋪設【技術領域】，具體涉及一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著陸地油氣資源供應的日益短缺，深海油氣開采受到了前所未有的關注。但深海開采作業(yè)涉及大量的細長圓柱結構物，如鉆井隔水管、采油立管和懸跨海底管線等，它們的總造價超過整個深海開采系統(tǒng)的百分之五十。這些海洋管線長期暴露在波浪、海流等復雜海洋環(huán)境下，當波浪、海流以一定流速流經(jīng)海洋管線時，會在管線后方產(chǎn)生周期性脫落的漩渦，當漩渦的脫落頻率與海洋管線的某一階固有頻率接近時，就會引發(fā)渦激振動，從而加劇海洋管線的疲勞破壞。海洋管線系統(tǒng)的破壞，不僅會導致設備損壞、油氣田停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失，還會污染海域，破壞海洋生態(tài)環(huán)境。
[0003]為了減少渦激振動對海洋管線的破壞作用，延長海洋管線的使用壽命，通常在海洋管線上安裝渦激振動抑制裝置，改變海洋管線表面的形狀以改變管線周圍的流場，削弱周期性漩渦的形成和發(fā)展。海洋管線渦激振動抑制裝置主要有螺旋列板、分離盤、整流罩和叉排浮塊等。它們中有些裝置結構復雜，有些造價昂貴，且大多數(shù)不能自由旋轉，無法應對來流方向任意變化的實際海洋工況。目前僅有公示期專利CN 102071883 A(采用可旋轉整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置)以及公示期專利CN 102134972 A (仿魚尾式整流罩的水下立管渦激振動裝置)中提到的裝置可以實現(xiàn)繞管線的轉動，但仍受到來流角度的限制，不能夠完全應對任意角度來流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的問題是針對現(xiàn)有海洋管線渦激振動抑制裝置存在的不足，提供一種結構簡單，性能可靠，現(xiàn)場安裝方便，并能夠適應任意方向來流的受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置及方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置，由多個基本單元沿海洋立管軸線方向串列組合而成，所述的基本單元又由內(nèi)圈、外圈以及擺錘組成。內(nèi)圈是由對稱的兩半圓筒塑料制構件組成，其外表面沿垂向等間距設置有四個大小相同的外凸圓環(huán)，外凸圓環(huán)的橫截面為半圓，沿內(nèi)圈外表面環(huán)繞一周。內(nèi)圈的兩半圓筒從兩側套裝固定在海洋立管上，兩半圓筒兩端均設有內(nèi)圈螺栓孔，兩半圓筒之間通過螺栓連接。外圈由3片相同的圓心角為120°的圓筒塑料制構件組成，在其內(nèi)表面對應內(nèi)圈外凸圓環(huán)的位置加工有環(huán)槽。外圈內(nèi)表面的環(huán)槽橫截面為3/4圓弧，環(huán)槽直徑大于內(nèi)圈的外凸圓環(huán)直徑。外圈的每片120°圓筒兩側端面均有端部翼板，端部翼板上開有用于連接的外圈螺栓孔。3片120°圓筒通過螺栓連接，使外圈套裝在內(nèi)圈外面，并使內(nèi)圈的外凸圓環(huán)和外圈的環(huán)槽對接。每片120°圓筒上下兩端設有軸向止動片，以限制外圈的軸向滑動。每片120°圓筒的中心線上開有螺孔，螺孔與懸桿一端的螺紋咬合，將懸桿固定在外圈上，與螺孔連接的懸桿螺紋尾部有一段直徑增大的凸環(huán)。擺錘通過其銳角端的環(huán)孔懸掛在懸桿上，擺錘剖面是斜邊為弧線的直角三角形。懸桿另一端的螺紋由螺母咬合，通過螺母與懸桿上的凸環(huán)共同限制擺錘沿懸桿軸向滑動。
[0006]—種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制方法，在立管外安裝固定內(nèi)圈，在內(nèi)圈外安裝外圈，外圈由3片120°圓筒組成，每片120°圓筒外壁懸掛I個擺錘，共3個擺錘，呈120°均勻分布在外圈外。擺錘頭輕尾重，剖面是斜邊為弧線的直角三角形，其銳角端懸掛在懸桿上。海流作用在擺錘弧面上的壓力，將迫使擺錘繞懸桿轉動。在擺錘繞懸桿的轉動達到平衡位置時，擺錘受到的海流沖擊力在外圈的切向存有分力，將驅使擺錘帶動外圈繞立管旋轉，在內(nèi)圈的外凸圓環(huán)和外圈的環(huán)槽配合下，帶擺錘自由旋轉的外圈將破壞立管的繞流流場，干擾立管后方漩渦的形成，從而實現(xiàn)渦激振動的抑制。
[0007]本發(fā)明還包括:
1、內(nèi)圈的內(nèi)徑與立管的外徑D相同，內(nèi)圈的高度Hin為4D?6D，厚度為0.06D?0.09D ；
2、外圈的高度Hwt與內(nèi)圈的高度Hin相同，外圈的厚度為0.06D?0.09D ；
3、靜止時的擺錘沿立管軸線方向的直角邊長度為2D?3D，另一直角邊長度為0.4D?
0.6D ；
4、擺錘固定在外圈上的位置距外圈頂端0.2D?0.[0008]本發(fā)明由于采取以上技術方案，具有以下優(yōu)點:
1、本發(fā)明的擺錘可繞懸桿轉動，還可帶動外圈繞立管旋轉，有效破壞了立管的繞流流場，并能應對任意方向來流；
2、本發(fā)明由塑料加工而成,成本低廉,耐腐蝕,可重復使用；
3、本發(fā)明可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，調(diào)整基本單元在立管上的覆蓋率及調(diào)節(jié)各基本單元之間的距離，以達到最佳的抑制效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明裝置立體結構示意圖 圖2為本發(fā)明裝置內(nèi)圈立體結構示意圖
圖3為本發(fā)明裝置外圈、懸桿、擺錘的結構示意圖
其中:1.立管；2.內(nèi)圈；3.外凸圓環(huán)；4.內(nèi)圈螺栓孔；5.外圈；6.環(huán)槽；7.端部翼板；8.外圈螺栓孔；9.軸向止動片；10.螺孔；11.懸桿；12.擺錘；13.螺母。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步描述。
[0011]本發(fā)明由多個基本單元沿海洋立管軸線方向串列組合而成，如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的一個基本單元又由內(nèi)圈2、外圈5以及擺錘12組成。
[0012]內(nèi)圈2是由對稱的兩半圓筒塑料制構件組成，其外表面沿垂向等間距設置有四個大小相同的外凸圓環(huán)3,外凸圓環(huán)3的橫截面為半圓，沿內(nèi)圈2外表面環(huán)繞一周。內(nèi)圈2的兩半圓筒從兩側套裝固定在海洋立管I上，兩半圓筒兩端均設有內(nèi)圈螺栓孔4，兩半圓筒之間通過螺栓連接。
[0013]外圈5由3片相同的圓心角為120°的圓筒塑料制構件組成，在其內(nèi)表面對應內(nèi)圈2外凸圓環(huán)3的位置加工有環(huán)槽6。外圈5內(nèi)表面的環(huán)槽6橫截面為3/4圓弧,環(huán)槽6直徑大于內(nèi)圈2的外凸圓環(huán)3直徑。
[0014]外圈5的每片120°圓筒兩側端面均有端部翼板7，端部翼板7上開有用于連接的外圈螺栓孔8。3片120°圓筒的端部翼板7兩兩對齊，通過螺栓連接，使外圈5套裝在內(nèi)圈2外面，并使內(nèi)圈2的外凸圓環(huán)3和外圈5的環(huán)槽6對接。
[0015]外圈5的每片120°圓筒上下兩端設有軸向止動片9,以限制外圈5安裝好后的軸向滑動。軸向止動片9與內(nèi)圈2間留有縫隙，以減少旋轉時的摩擦，同時軸向止動片9與內(nèi)圈2外表面的外凸圓環(huán)3和外圈5內(nèi)表面的環(huán)槽6共同作用，限制安裝好后的外圈5沿立管I軸向的上下移動。
[0016]外圈5的每片120°圓筒的中心線上開有螺孔10，螺孔10與懸桿11 一端的螺紋咬合，將懸桿11固定在外圈5上，與螺孔10連接的懸桿11螺紋尾部有一段直徑增大的凸環(huán)。擺錘12通過其銳角端的環(huán)孔懸掛在懸桿11上，擺錘12剖面是斜邊為弧線的直角三角形。懸桿11另一端的螺紋由螺母13咬合，通過螺母13與懸桿11上的凸環(huán)共同限制擺錘12沿懸桿11軸向滑動。
[0017]所述的內(nèi)圈的內(nèi)徑與立管的外徑D相同，內(nèi)圈的高度Hin為4D?6D，厚度為
0.06D?0.09D。所述的外圈的高度Htjut與內(nèi)圈的高度Hin相同，外圈的厚度為0.06D?
0.09D。所述的擺錘在靜止時沿立管軸線方向的直角邊長度為2D?3D，另一直角邊長度為
0.4D?0.6D。所述的擺錘固定在外圈上的位置距外圈頂端0.2D?0.[0018]一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制方法，在立管I外安裝固定內(nèi)圈2，在內(nèi)圈2外安裝外圈5，外圈5由3片120°圓筒組成，每片120°圓筒外壁懸掛I個擺錘12，共3個擺錘12，呈120°均勻分布在外圈5外。擺錘12頭輕尾重，剖面是斜邊為弧線的直角三角形，其銳角端懸掛在懸桿11上。海流作用在擺錘12弧面上的壓力，將迫使擺錘12繞懸桿11轉動。在擺錘12繞懸桿11的轉動達到平衡位置時，擺錘12受到的海流沖擊力在外圈5的切向存有分力，將驅使擺錘12帶動外圈5繞立管I旋轉，在內(nèi)圈2的外凸圓環(huán)3和外圈5的環(huán)槽6配合下，帶擺錘12自由旋轉的外圈5將破壞立管I的繞流流場，干擾立管I后方漩渦的形成，從而實現(xiàn)渦激振動的抑制。
[0019]海洋立管I在水下通常為幾百米至上千米不等，為了確保抑制效果，可以根據(jù)實際情況，調(diào)整基本單元在立管I上的覆蓋率及調(diào)節(jié)各基本單元之間的距離，以達到理想的抑制效果。
[0020]具體實施例:
根據(jù)實際海洋立管I的長細比和當?shù)睾Ｑ蟛ɡ?、海流的常年統(tǒng)計信息，設計合理的基本單元間距和基本單元在立管I上的覆蓋率，計算出需要的基本單元個數(shù)Π，即內(nèi)圈2的半圓筒個數(shù)2η，外圈5的120°圓筒個數(shù)為3η，懸桿11、擺錘12、螺母13的個數(shù)也為3η。
[0021]在安裝單個基本單元時，首先將內(nèi)圈2的兩個半圓筒從兩側套裝在海洋立管I的表面，通過螺栓連接固定；固定好內(nèi)圈2后，再將外圈5的3片120°圓筒從外側套裝在內(nèi)圈2的外表面,對齊端部翼板7,通過螺栓連接,并使內(nèi)圈2的外凸圓環(huán)3和外圈5的環(huán)槽6對接；外圈5的上下兩個端面向內(nèi)伸出的兩個軸向止動片9與內(nèi)圈2間留有縫隙，以減少旋轉時的摩擦，同時軸向止動片9可限制安裝好后的外圈5沿立管I軸向的上下移動。安裝好外圈5后，將懸桿11帶凸環(huán)的螺紋端與外圈5上的螺孔10咬合，使懸桿11固定在外圈5上。然后，將擺錘12銳角端的環(huán)孔傳入懸桿11，并用螺母13咬合懸桿11的外端螺紋。通過螺母13與懸桿11上的凸環(huán)共同限制擺錘12沿懸桿11軸向滑動。其他兩個擺錘的安裝方法一樣。待3個擺錘都安裝好后，至此，安裝完成了一個基本單元。隨后，按照同樣的安裝順序串列安裝剩余的基本單元。
[0022]裝置安裝完畢后，將海洋立管I置于海水中。在不同深度的海水中，每個基本單元可根據(jù)對應的來流方向和速度大小，實現(xiàn)擺錘12繞懸桿11的轉動，并通過內(nèi)圈2的外凸圓環(huán)3和外圈5內(nèi)表面的環(huán)槽6配合，實現(xiàn)擺錘12帶動外圈5繞立管I旋轉，從而破壞立管I的繞流流場，干擾立管I后方漩渦的形成，最大程度地抑制渦激振動。
【權利要求】
1.一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置，由多個基本單元沿海洋立管軸線方向串列組合而成，其特征在于:所述的基本單元又由內(nèi)圈(2)、外圈(5)以及擺錘(12)組成；內(nèi)圈(2)是由對稱的兩半圓筒塑料制構件組成，其外表面沿垂向等間距設置有四個大小相同的外凸圓環(huán)(3),外凸圓環(huán)(3)的橫截面為半圓，沿內(nèi)圈(2)外表面環(huán)繞一周；內(nèi)圈(2)的兩半圓筒從兩側套裝固定在海洋立管(I)上，兩半圓筒兩端均設有內(nèi)圈螺栓孔(4)，兩半圓筒之間通過螺栓連接；外圈(5)由3片相同的圓心角為120°的圓筒塑料制構件組成，在其內(nèi)表面對應內(nèi)圈(2)外凸圓環(huán)(3)的位置加工有環(huán)槽(6);外圈(5)內(nèi)表面的環(huán)槽(6)橫截面為3/4圓弧,環(huán)槽(6)直徑大于內(nèi)圈(2)的外凸圓環(huán)(3)直徑；外圈(5)的每片120°圓筒兩側端面均有端部翼板(7)，端部翼板(7)上開有用于連接的外圈螺栓孔(8) ；3片120°圓筒通過螺栓連接，使外圈(5)套裝在內(nèi)圈(2)外面，并使內(nèi)圈(2)的外凸圓環(huán)(3)和外圈(5)的環(huán)槽(6)對接；每片120°圓筒上下兩端設有軸向止動片(9)，以限制外圈(5)的軸向滑動；每片120°圓筒的中心線上開有螺孔(10)，螺孔(10)與懸桿(11) 一端的螺紋咬合，將懸桿(11)固定在外圈(5)上，與螺孔(10)連接的懸桿(11)螺紋尾部有一段直徑增大的凸環(huán)；擺錘(12)通過其銳角端的環(huán)孔懸掛在懸桿(11)上，擺錘(12)剖面是斜邊為弧線的直角三角形；懸桿(11)另一端的螺紋由螺母(13)咬合，通過螺母(13)與懸桿(11)上的凸環(huán)共同限制擺錘(12)沿懸桿(11)軸向滑動。
2.—種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制方法，其特征在于:在立管(I)外安裝固定內(nèi)圈(2)，在內(nèi)圈(2)外安裝外圈(5)，外圈(5)由3片120°圓筒組成，每片120°圓筒外壁懸掛1個擺錘(12)，共3個擺錘(12)，呈120°均勻分布在外圈(5)外；擺錘(12)頭輕尾重，剖面是斜邊為弧線的直角三角形，其銳角端懸掛在懸桿(11)上；海流作用在擺錘(12)弧面上的壓力，將迫使擺錘(12 )繞懸桿(11)轉動；在擺錘(12 )繞懸桿(11)的轉動達到平衡位置時，擺錘(12)受到的海流沖擊力在外圈(5)的切向存有分力，將驅使擺錘(12)帶動外圈(5)繞立管(I)旋轉，在內(nèi)圈(2)的外凸圓環(huán)(3)和外圈(5)的環(huán)槽(6)配合下，帶擺錘(12)自由旋轉的外圈(5)將破壞立管(I)的繞流流場，干擾立管(I)后方漩渦的形成，從而實現(xiàn)渦激振動的抑制。
3.如權利要求1所述一種受沖可旋擺錘式渦激振動抑制裝置，其特征在于，所述的內(nèi)圈(2)的內(nèi)徑與立管(I)的外徑D相同，內(nèi)圈(2)的高度Hin為4D-6D，厚度為0.06D-0.09D ;所述的外圈(5)的高度Htjut與內(nèi)圈(2)的高度Hin相同，外圈(5)的厚度為0.06D-0.09D ;所述的擺錘(12)在靜止時沿立管(I)軸線方向的直角邊長度為2D-3D，另一直角邊長度為0.4D-0.6D ;所述的擺錘(12)固定在外圈(5)上的位置距外圈(5)頂端0.2D-0.5D0
【文檔編號】F15D1/12GK103437718SQ201310418962
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權日:2013年9月16日
【發(fā)明者】朱紅鈞, 馬粵, 林元華, 馮光, 劉清友, 趙洪南, 韓青華, 潘倩 申請人:西南石油大學