專利名稱：一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種被動型流動控制裝置，特別是關(guān)于一種抑制細(xì)長柔性立管渦 激振動的被動型流動控制裝置。
背景技術(shù)：
目前，海洋油氣資源的開采已經(jīng)逐步走向深海，在深海海洋環(huán)境下，水深往往超過 幾千米，海流和波浪等海洋水動力環(huán)境也更加復(fù)雜，連接海底井口和上部平臺的立管系統(tǒng) 長細(xì)比很大，結(jié)構(gòu)具有明顯的柔性特征。當(dāng)海流流經(jīng)細(xì)長圓柱形截面立管結(jié)構(gòu)時，往往會在 立管兩側(cè)交替地形成渦旋脫落，對立管產(chǎn)生一個周期性的交變作用力，進(jìn)而使得立管在與 流向垂直的方向上發(fā)生明顯的大幅橫向振動；同時，立管的振動反過來又會對流場產(chǎn)生影 響，加劇水流對結(jié)構(gòu)的危害作用。當(dāng)渦旋脫落頻率與立管結(jié)構(gòu)的固有頻率比較接近時，漩渦 的脫落頻率有可能被立管的激發(fā)振動頻率所捕獲，發(fā)生“鎖定”現(xiàn)象，引起結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動， 形成流固耦合渦激振動，加劇立管的疲勞破壞。當(dāng)渦激振動發(fā)生時，除了會具有明顯的橫向 振動外，立管也會沿流動方向發(fā)生順流向彎曲和小幅高頻振動，雖然順流向的振動幅值較 橫向振動往往小一個數(shù)量級，但其振動頻率更高，同時水流拖曳力所導(dǎo)致的立管大變形彎 曲，使立管一直處于高應(yīng)力狀態(tài)，這些也都會加劇立管的疲勞破壞。深海細(xì)長柔性立管系統(tǒng) 一旦發(fā)生破壞，維修難度大，費(fèi)用高，不僅會使海洋油氣資源的開采經(jīng)受巨大的經(jīng)濟(jì)損失， 同時還會造成嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染。當(dāng)前，在深海油氣資源開采中使用比較廣泛的渦激振動抑制措施主要有螺旋條 紋、整流罩和控制桿等。其中，螺旋條紋和整流罩均需要額外制造，造價(jià)比較高，實(shí)際的工程 操作和安裝工藝也比較復(fù)雜。而控制桿成本相對比較低廉，且施工、安裝也較為方便。國內(nèi) 外學(xué)者在利用控制桿流動控制方面取得了不少研究成果，例如，Ming Zhao等(2008)研究 了在主圓柱(立管)周圍布置一個小圓柱(控制桿)的繞流場特性，并討論了主、從圓柱間 距以及相對夾角對主圓柱受力的影響作用；Md. Mahbub Alam等(2007)和Hyun Sik Yoon 等(2009)研究了均勻流場中兩個相同并列(side-by-side)圓柱的水動力特性，而Sangil Kim等(2009)和Jian Deng等(2006)則研究了串列(tandem)雙圓柱的受力問題。但是以 上這些具有代表性的研究工作主要針對圓柱所受到的拖曳力，而針對如何減小在立管結(jié)構(gòu) 發(fā)生渦激振動中起主導(dǎo)作用的橫向力的研究成果相對較少，關(guān)于渦激振動抑制措施方面的 成果更是鮮有涉及。最近，大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了采用三根 控制桿進(jìn)行立管渦激振動抑制方面的實(shí)驗(yàn)研究工作，并申請了名稱為“一種水下管線渦激 振動的抑制方法及裝置”的中國專利，其申請?zhí)枮?00810225715. 1。該專利是將三根控制 桿按圓周等分布置在立管模型周圍，保證來流方向與控制桿之間的夾角不會超過60°，使 邊界層的分離點(diǎn)上游和下游流場中總能存在一到兩根控制桿，這樣對不同的來流方向都能 夠起到一定的渦激振動抑制效果。但是，上述的三根附屬管抑制方法主要針對一般的鉆井 立管周圍存在既有附屬管線的情況才適用。對于海洋油氣工業(yè)中更為廣泛的采油立管，其 周圍并不存在附屬管線，此時，根據(jù)該申報(bào)專利中的方法，要求在立管周圍的全長范圍內(nèi)安裝附屬控制桿，這對于實(shí)際的工程問題而言，無論是工程造價(jià)還是施工難度都較大。 發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種安全可靠、適用范圍更廣泛、渦激振 動抑制效果更好、同時又能有效節(jié)省投資的抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制
直ο為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振 動的被動型流動控制裝置，其特征在于它包括設(shè)置在立管周向間隔90°的四根控制桿和 多個固定所述立管和四根控制桿用的固定裝置，所述固定裝置沿所述立管和控制桿的長度 方向等間隔設(shè)置。所述控制桿為所述立管周圍的既有附屬管線。在所述立管周圍不存在附屬管線時，所述控制桿為沿所述立管長度方向等間隔額 外增設(shè)的等長渦激振動抑制桿，且所述渦激振動抑制桿沿所述立管長度方向的長度總和為 所述立管全長的40%。所述固定裝置包括分為兩部分通過螺栓連接的半圓形塊體、一固定所述立管用的 中心圓孔、沿徑向開設(shè)有四固定控制桿用的長方形槽，每一所述長方形槽與其對應(yīng)的所述 固定裝置的側(cè)面連通，在每一與所述長方形槽連通的端面上設(shè)置有一通過螺栓頂住所述控 制桿的螺栓孔。每一所述半圓形塊體的結(jié)合端面兩側(cè)的上、下分別對稱設(shè)置有一帶有螺絲孔的耳 夾，對稱的所述耳夾通過設(shè)置在所述螺絲孔中的螺栓固定連接成一體。在所述長方形槽內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)所述控制桿與立管間間距用的墊片。所述固定裝置采用鋁材料制作，在所述固定裝置上開設(shè)有多個孔。所述中心圓孔的側(cè)面上開設(shè)有若干小槽。本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本實(shí)用新型在立管 周向以等間隔90°布置四根控制桿，因此可以保證對水流的來流方向僅具有45°的依賴 性，避免了以往單根控制桿具有明顯方向敏感性的缺點(diǎn)，同時還能夠避免當(dāng)實(shí)際洋流來流 方向發(fā)生較大改變時，單根控制桿甚至可能加劇立管渦激振動的問題，因此從渦激振動的 抑制效果上來看，采用目前等角度布置四根控制桿的方案更加安全可靠。2、由于本實(shí)用新 型可以充分利用實(shí)際深海鉆采工程中鉆井立管周圍既有的附屬管線作為控制桿，因此可以 大大降低工程成本。3、由于本實(shí)用新型在深海采油立管附近不存在附屬管線的情況下，可 以通過在立管外圍額外增設(shè)渦激振動抑制桿來抑制渦激振動，增設(shè)的渦激振動抑制桿只需 在立管外按照一定的分布規(guī)律，總長達(dá)到主管長度的40%即可獲得良好的渦激振動抑制效 果，因此節(jié)省投資成本。4、由于本實(shí)用新型充分考慮了控制桿直徑及其與主管間距對不同 流速范圍內(nèi)渦激振動的影響作用，因此能在較大的流動條件范圍內(nèi)起到良好的渦激振動抑 制效果。5、由于本實(shí)用新型采用的四根控制桿等角度布置在立管周圍，因此能在一定程度 內(nèi)增加立管結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)安全。6、由于本實(shí)用新型在沿立管長度方向按照一 定間隔設(shè)置有多個固定裝置，所采用的固定裝置包括兩部分螺栓連接的半圓形塊體、一中 心圓孔、四長方形槽和螺栓孔，因此將控制桿固定到深海立管的過程中只需將兩半圓形塊 體壓緊固定在立管表面，同時將控制桿穿入長方形槽內(nèi)，再利用螺栓穿過螺栓孔將控制桿
4擠壓固定在長方形槽中即可，因此安裝、固定、拆卸過程方便，便于工程施工。7、由于本實(shí)用 新型在每一半圓形塊體的結(jié)合端面兩側(cè)對稱設(shè)置有兩帶有螺絲孔的耳夾，因此進(jìn)一步方便 了安裝和拆卸。8、由于本實(shí)用新型在長方形槽內(nèi)設(shè)置有墊片，因此可以靈活地調(diào)節(jié)控制桿 與立管之間的間距。9、由于本實(shí)用新型固定裝置采用鋁材料制作，在固定裝置上開設(shè)有多 個孔，因此固定裝置重量輕、不會明顯改變結(jié)構(gòu)的局部剛度條件。10、由于本實(shí)用新型的中 心圓孔的側(cè)面上還開設(shè)有若干小槽，因此在立管套入固定裝置后可以在小槽內(nèi)填入高蓬松 材料，利于立管的牢固可靠。綜上所述，本實(shí)用新型安全可靠、適用范圍廣泛、渦激振動抑制 效果佳、工程造價(jià)低廉，可以廣泛用于抑制和減小深海油氣資源開采中的立管渦激振動工 程危害。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實(shí)用新型中40%覆蓋率的控制桿的總體示意圖圖3是本實(shí)用新型中控制桿的固定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖4是本實(shí)用新型中控制桿的固定裝置1/2部分的結(jié)構(gòu)示意圖圖5是圖3的主視圖圖6是圖3的側(cè)視圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型包括設(shè)置在立管1周向間隔90°的四根控制桿2， 這樣設(shè)置的好處是第一、可以充分利用實(shí)際深海采油工程中主管周圍既有的附屬管線； 第二、四根附屬管的等角度分布方式可以使立管系統(tǒng)對來流角度的適應(yīng)性明顯增強(qiáng)，避免 了以往單根控制桿具有明顯方向敏感性的缺點(diǎn)；第三、相對之前的三根控制桿方案，對水流 的來流方向具有60°的依賴性進(jìn)一步減小到45° (在附屬管線數(shù)量更多的情況下效果更 佳)，并且在附屬管線的安裝工藝和方法方面進(jìn)一步考慮了施工的方便性和作業(yè)中的安全 性。如圖2 6所示，在立管1上沿管長度方向每隔一段距離設(shè)置一固定裝置3，其是 一由鋁材料制作成而成，其用于將四根控制桿2牢固固定在立管1外的一定距離處。立管1 可以是鉆井隔水管或采油立管，控制桿2是立管1周圍的符合要求的既有的附屬管線(比 如鉆井回流附屬管線)或額外增設(shè)的專門用于抑制渦激振動的桿件(下文簡稱“渦激振 動抑制桿”)?？刂茥U2為既有附屬管線時，控制桿2的長度為立管1的全長，即覆蓋率達(dá)到 100%。在立管1周圍不存在附屬管線的情況下，控制桿2為額外增設(shè)的四根等長渦激振動 抑制桿，且渦激振動抑制桿沿立管1長度方向等間隔設(shè)置。渦激振動抑制桿不需沿立管1 全長布置，只要各段渦激振動抑制桿沿立管1長度方向的長度總和達(dá)到立管1全長的40%， 即覆蓋率為40%即可獲得較好的抑制效果。具體方式如下假設(shè)實(shí)際立管1總長為L，可被 等分為n(n = 1，2，3…)段，每一段的長度為L/n ；每根渦激振動抑制桿的長度為h，將每組 四根渦激振動抑制桿按照等間距的形式分段布置在立管1的外側(cè)，并保證mh/L = 40%，其 中m為渦激振動抑制桿的實(shí)際布置段數(shù)(m < η)。對于每段增設(shè)的渦激振動抑制桿仍采用 固定裝置3固定到立管1上。
5[0024]固定裝置3包括兩部分通過螺栓連接的半圓形塊體31，每一半圓形塊體31的結(jié)合 端面兩側(cè)對稱設(shè)置有兩耳夾4，可以使螺栓通過耳夾4上的螺絲孔5將兩半圓形塊體31組 合在一起。固定裝置3的中心設(shè)置有一圓孔6，該圓孔的直徑與立管1匹配；與此相對應(yīng)， 固定裝置3上沿徑向開設(shè)有四長方形槽7，相鄰二槽7之間的夾角設(shè)置為90°，用于固定立 管1周圍的四根控制桿2。每一槽7與其對應(yīng)的固定裝置3的側(cè)面連通，與每一槽7對應(yīng)的 端面上設(shè)置有一螺栓孔8，利用螺栓通過螺栓孔8可以將控制桿2壓緊并固定在槽7內(nèi)。上述實(shí)施例中，還可以在槽7內(nèi)設(shè)置墊片，方便調(diào)節(jié)控制桿2與立管1之間的間 距，墊片可以采用多層鋁質(zhì)或橡膠墊層，但不限于此。上述各實(shí)施例中，可以在固定裝置3上開設(shè)有多個孔9，從而可以減小固定裝置3 的重量，進(jìn)而可以使固定裝置3對立管1結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布影響較小。上述各實(shí)施例中，為了使渦激振動抑制裝置與立管1的固定更為牢靠，防止抑制 裝置與立管1固定后發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動，圓孔6的側(cè)面上還開設(shè)有若干小槽61，在立管上安裝 固定裝置3時，小槽61內(nèi)可以填入高蓬松材料，本實(shí)施例中，小槽61數(shù)目為4個，周向間隔 90°。上述各實(shí)施例中，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置、及其連接都是可以有所變化的，在本 實(shí)用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，對個別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，不應(yīng)排除在本實(shí)用新型 的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其特征在于它包括設(shè)置在立管周向間隔90°的四根控制桿和多個固定所述立管和四根控制桿用的固定裝置，所述固定裝置沿所述立管和控制桿的長度方向等間隔設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其特 征在于所述控制桿為所述立管周圍的既有附屬管線。
3.如權(quán)利要求1所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其特 征在于在所述立管周圍不存在附屬管線時，所述控制桿為沿所述立管長度方向等間隔額 外增設(shè)的等長渦激振動抑制桿，且所述渦激振動抑制桿沿所述立管長度方向的長度總和為 所述立管全長的40%。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝 置，其特征在于所述固定裝置包括分為兩部分通過螺栓連接的半圓形塊體、一固定所述立 管用的中心圓孔、沿徑向開設(shè)有四固定控制桿用的長方形槽，每一所述長方形槽與其對應(yīng) 的所述固定裝置的側(cè)面連通，在每一與所述長方形槽連通的端面上設(shè)置有一通過螺栓頂住 所述控制桿的螺栓孔。
5.如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其特 征在于每一所述半圓形塊體的結(jié)合端面兩側(cè)的上、下分別對稱設(shè)置有一帶有螺絲孔的耳 夾，對稱的所述耳夾通過設(shè)置在所述螺絲孔中的螺栓固定連接成一體。
6.如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其特 征在于在所述長方形槽內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)所述控制桿與立管間間距用的墊片。
7.如權(quán)利要求1或2或3或5或6所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型 流動控制裝置，其特征在于所述固定裝置采用鋁材料制作，在所述固定裝置上開設(shè)有多個 孔。
8.如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其特 征在于所述固定裝置采用鋁材料制作，在所述固定裝置上開設(shè)有多個孔。
9.如權(quán)利要求1或2或3或5或6或8所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動 型流動控制裝置，其特征在于所述中心圓孔的側(cè)面上開設(shè)有若干小槽。
10.如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其 特征在于所述中心圓孔的側(cè)面上開設(shè)有若干小槽。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種抑制細(xì)長柔性立管渦激振動的被動型流動控制裝置，其特征在于它包括以90°等角度設(shè)置在立管外的四根控制桿和多個固定所述立管和控制桿所用到的固定裝置，所述固定裝置沿所述立管和控制桿的長度方向等間隔設(shè)置；所述控制桿可以為所述立管周圍的既有附屬管線，也可以為所述立管周圍增設(shè)的桿件。所述的既有附屬管線在立管外為100％覆蓋，增設(shè)的控制桿在立管外沿軸向等間隔間斷分布，總體覆蓋率為立管總長的40％。四根控制桿與立管的圓心距可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳抑制效果。本實(shí)用新型相對以往的深海立管渦激振動抑制裝置更加安全可靠、適用范圍更廣泛、渦激振動抑制效果更好、同時又能有效節(jié)省投資，可以廣泛用于抑制和減小渦激振動對深海細(xì)長柔性立管的工程危害。
文檔編號F16L55/04GK201635671SQ200920247018
公開日2010年11月17日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者付英軍, 勾瑩, 呂林, 吳浩, 唐國強(qiáng), 宋吉寧, 張建僑, 李廣偉, 王世圣, 騰斌, 許亮斌, 謝彬 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;大連理工大學(xué)