一种复合扰动式立管涡激振动抑制装置及方法与流程

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种复合扰动式立管涡激振动抑制装置及方法。

背景技术：

随着陆上已探明油气资源的逐渐减少，我国将油气资源勘探开发的重点转移到了深海。大力开发深水油气资源对我国具有十分重要的战略意义。而开发深水油气，连接海底和平台的关键纽带——海洋立管不可或缺，其功能主要是将所采油气与海水隔离，提供运输通道。海洋立管在复杂海洋环境中服役，承受着波、流环境的作用。当波、流绕经立管时，会对其产生一个垂直和平行流动方向的周期性作用力，诱导海洋立管在流向和横向发生振动，持久振动会使海洋立管发生疲劳，从而破坏失效。

随着开采水深的增加，海洋立管的长度也不断增加，海洋立管的振动阶数及响应模态也随之增加。海洋立管在多模态参与振动的状态下，会发生力的叠加和联合疲劳损伤。在某些特定的流速和质量比范围内，还会发生椭圆振动，椭圆振动的影响和危害更大。一旦立管发生损坏，不仅会造成巨大的经济损失，还会对海洋环境和海洋生态造成严重破坏，其破坏造成的影响甚至长达半个世纪或更久。

现有的立管涡激振动抑制装置普遍存在抑制效果不理想、不适应方向随机变化的波流环境、安装不便以及现场实施操作繁琐等不足。

技术实现要素：

本发明所要解决问题是针对现有的立管涡激振动抑制装置及方法存在的不足，提供一种空间结构可调、安装方便、更换简单的复合扰动式立管涡激振动抑制装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合扰动式立管涡激振动抑制装置，由上、下两个焊接有四片S形叶片的轴承、四根支撑杆和八个旋桨组成。轴承为中间设圆珠滚子的内外圈结构，上、下两个轴承按一个支撑杆高度的间距套装在立管的外壁。上部轴承的上端及下部轴承的下端均设有一个固定环实现限位，固定环由对称的两个半圆环形构件通过螺栓对接卡箍于立管外壁。轴承外圈外壁沿周向等间距焊接有四片S形叶片，S形叶片的一侧薄壁上均匀开设二十个插孔。上部轴承S形叶片的插孔开口向下，下部轴承S形叶片的插孔开口向上。上、下轴承的四对S形叶片均一一对应平行布置。支撑杆为表面光滑的圆杆，四根支撑杆分别布置于上、下轴承的四对S形叶片的插孔之间，即每对S形叶片之间布置一根支撑杆，且支撑杆的轴线与立管的轴线平行。每根支撑杆上套装有两个旋桨，旋桨与支撑杆同轴，可绕支撑杆旋转。每个旋桨的上、下两端设有限位卡环，以限制其轴向滑动。限位卡环由对称的两个半圆环形构件通过螺栓对接卡箍于支撑杆外壁。四根支撑杆上的八个旋桨在空间上绕立管呈螺旋上升状布置。

所述的支撑杆安插位置与旋桨空间上的螺旋布置均可根据实际海洋环境决定，以实现涡激振动的最佳抑制效果。其中，支撑杆安插位置可在S形叶片的二十个插孔中选择，实现支撑杆与立管间距的可调节；四根支撑杆与立管间的间距可以各不相同，也可以一样；八个旋桨空间上螺旋布置的螺距及螺旋圈数均可以自由调节。

利用所述的复合扰动式立管涡激振动抑制装置可以实现一种复合扰动式立管涡激振动抑制方法。将安装有本装置的立管放置于海水中，当海流冲击在上、下两个轴承的S形叶片上时，会推动S形叶片绕立管旋转，从而带动支撑杆及旋桨绕立管旋转，扰乱了立管表面的绕流流场，破坏了绕流旋涡的脱落及发展。同时，海流冲击旋桨，亦会驱动旋桨绕支撑杆旋转，绕立管呈螺旋上升状布置的八个旋桨在不同层位旋转，进一步破坏了绕流边界层的发展，改变了边界层的分离点，影响了旋涡的脱落和泄放。另外，四根支撑杆围绕立管布置，可以干扰立管绕流流场，扰乱边界层的分离。在S形叶片的旋转扰动、不同层位旋桨的公转与自转协同作用、支撑杆的干涉作用下，立管的绕流旋涡被多重破坏，从而抑制由旋涡激发的立管振动。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明装置可实现S形叶片旋转、不同层位旋桨的公转与自转结合、支撑杆干涉等多重旋涡抑制作用的组合，且支撑杆安插位置与旋桨空间上的螺旋布置均可根据实际海洋环境调节，实现涡激振动的最佳抑制效果；

2、本发明装置可绕立管旋转，适应于来流方向随机变化的海洋环境。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置轴承及其外壁均布的S形叶片示意图；

图3为本发明装置旋桨示意图；

图4为本发明装置限位卡环示意图；

图5为本发明装置固定环示意图；

其中：1.立管；2.S形叶片；3.旋桨；4.支撑杆；5.限位卡环；6.轴承；7.固定环。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施作进一步描述：

如图1所示，一种复合扰动式立管涡激振动抑制装置，由上、下两个焊接有四片S形叶片2的轴承6、四根支撑杆4和八个旋桨3组成。如图2所示，轴承6为中间设圆珠滚子的内外圈结构，上、下两个轴承6按一个支撑杆4高度的间距套装在立管1的外壁。上部轴承6的上端及下部轴承6的下端均设有一个固定环7实现限位，固定环7由对称的两个半圆环形构件通过螺栓对接卡箍于立管1外壁，如图1所示。如图2所示，轴承6外圈外壁沿周向等间距焊接有四片S形叶片2，S形叶片2的一侧薄壁上均匀开设二十个插孔。上部轴承6S形叶片2的插孔开口向下，下部轴承6S形叶片2的插孔开口向上。上、下轴承6的四对S形叶片2均一一对应平行布置。支撑杆4为表面光滑的圆杆，四根支撑杆4分别布置于上、下轴承6的四对S形叶片2的插孔之间，即每对S形叶片2之间布置一根支撑杆4，且支撑杆4的轴线与立管1的轴线平行。如图1所示，每根支撑杆4上套装有两个旋桨3，旋桨3与支撑杆4同轴，可绕支撑杆4旋转。如图3所示，每个旋桨3的上、下两端设有限位卡环5，以限制其轴向滑动。如图4所示，限位卡环5由对称的两个半圆环形构件通过螺栓对接卡箍于支撑杆4外壁。四根支撑杆4上的八个旋桨3在空间上绕立管1呈螺旋上升状布置，如图1所示。

所述的支撑杆4安插位置与旋桨3空间上的螺旋布置均可根据实际海洋环境决定，以实现涡激振动的最佳抑制效果。其中，支撑杆4安插位置可在S形叶片2的二十个插孔中选择，实现支撑杆4与立管1间距的可调节；四根支撑杆4与立管1间的间距可以各不相同，也可以一样；八个旋桨3空间上螺旋布置的螺距及螺旋圈数均可以自由调节。

利用所述的复合扰动式立管涡激振动抑制装置可以实现一种复合扰动式立管涡激振动抑制方法。将安装有本装置的立管1放置于海水中，当海流冲击在上、下两个轴承6的S形叶片2上时，会推动S形叶片2绕立管1旋转，从而带动支撑杆4及旋桨3绕立管1旋转，扰乱了立管1表面的绕流流场，破坏了绕流旋涡的脱落及发展。同时，海流冲击旋桨3，亦会驱动旋桨3绕支撑杆4旋转，绕立管1呈螺旋上升状布置的八个旋桨3在不同层位旋转，进一步破坏了绕流边界层的发展，改变了边界层的分离点，影响了旋涡的脱落和泄放。另外，四根支撑杆4围绕立管1布置，可以干扰立管1绕流流场，扰乱边界层的分离。在S形叶片2的旋转扰动、不同层位旋桨3的公转与自转协同作用、支撑杆4的干涉作用下，立管1的绕流旋涡被多重破坏，从而抑制由旋涡激发的立管1振动。

实施例：

实际安装时，首先在立管1外壁套装下部轴承6，并在下部轴承6的下端用固定环7实现轴向固定。根据实际海流方向及流速，在下部轴承6的四片S形叶片2的合适插孔中安插四根支撑杆4。然后在每根支撑杆4上套装两个旋桨3，并且在每个旋桨3的上、下两端用限位卡环5限制其轴向滑动。四根支撑杆4上的八个旋桨3在空间上绕立管1呈螺旋上升状布置，其螺距及螺旋圈数根据实际海流环境决定。最后，在立管1外壁套装上部轴承6，使四根支撑杆4的上端安插于对应的上部轴承6四片S形叶片2的插孔中，在上部轴承6的上端用固定环7实现轴向固定。

将安装好本装置的立管1放置于海水中，海流冲击在S形叶片2上，推动S形叶片2绕立管1旋转，带动支撑杆4及旋桨3绕立管1旋转，扰乱了立管1表面的绕流流场，破坏了绕流旋涡的脱落及发展。同时，海流冲击旋桨3，驱动旋桨3绕支撑杆4旋转，绕立管1呈螺旋上升状布置的八个旋桨3在不同层位旋转，进一步破坏了绕流边界层的发展，改变了边界层的分离点，影响了旋涡的脱落和泄放。另外，四根支撑杆4围绕立管1布置，可以干扰立管1绕流流场，扰乱边界层的分离。在S形叶片2的旋转扰动、不同层位旋桨3的公转与自转协同作用、支撑杆4的干涉作用下，立管1的绕流旋涡被多重破坏，从而抑制由旋涡激发的立管1振动。