装配旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制装置及方法与流程

本发明涉及一种海洋石油钻采装备技术领域，特别涉及一种装配旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制装置及方法。

背景技术：

由于生产需要，海洋石油工业正在向着更深的海域建造生产系统。随着水深的增加，传统固定式的平台已经不能适应这种深海工程要求，取而代之的是fpso、半潜式平台、张力腿平台和spar平台等。其中，fpso(floatingproductionstorageandoffloading)即浮式生产储油卸油装置，可对原油进行初步加工并储存，被称为"海上石油工厂"；半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台，是大部分浮体没于水面下的一种小水线面的移动式钻井平台，从坐底式钻井平台演变而来；spar平台即为单柱式平台。

不论何种平台，海洋立管是海面与海底井口间的主要连接件，作为海面与海底的一种联系通道，它连接海底资源与海上作业平台，进行钻探、导液、导泥工作，针对立管的研究一直是海洋工程领域中的重要部分。立管所承受的海洋环境载荷主要有风、浪、流、冰和地震载荷等，其中波浪和海流是最重要的海洋载荷。当波浪和海流流经立管时，在一定的流速条件下，可在立管两侧交替地形成强烈的漩涡，漩涡脱落会对立管产生一个周期性的可变力，使得立管在与流向垂直方向上发生横向振动，即涡激振动,当漩涡脱落频率与立管固有频率接近时，将引起立管的强烈振动，立管长期受涡激振动影响会大大降低其使用寿命。

为减少涡激振动对海洋立管的影响,常用方法是安装涡激振动抑制装置,涡激振动抑制装置主要分为主动抑制和被动抑制两种。主动抑制是通过给流场施加外部能量,扰乱立管周围流场，从而达到抑制振动的目的，被动抑制则是通过改变立管表面形状来达到扰乱流场的目的，本发明将两者进行结合。目前被动抑制装置大多外形固定，并不能适应复杂流向的海洋环境，如何适应各种复杂流体环境且易于拆卸安装是目前涡激振动抑制装置研究的热点。本人申报的另一项发明专利，专利号为cn201510079398.7，专利名称为《一种海洋立管涡激振动抑制装置》，其安装在海洋立管上，包括v形前端面板和尾鳍式整流罩，所述v形前端面板安装在海洋立管上面对洋流流向的一面，所述尾鳍式整流罩安装在海洋立管上背对洋流流向的一面；所述v形前端面板的横截面呈v形，并且与所述海洋立管的表面相切。本发明的有益效果是：在v形前端面板上安装的v形翼板，可以随着水流做小幅度的摆动，引导来流分散的同时，可以降低来流对海洋立管的阻力，就提供了一种解决方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种装配旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制装置及方法，采用另一种方案，可以更好的提高涡激振动抑制效率。

本发明提供一种装配旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制装置，其技术方案是：在海洋立管（1）外套有两组或两组以上的定位管套（4），所述定位管套（4）上串套有定位托槽（6），定位托槽（6）上部与定位凹槽（8）的中间位置平齐，且定位凹槽（8）内设有滚珠（5），在滚珠（5）外套有转动片（7），可随海流转动；所述转动片（7）的四个角上设有转动轴插孔（9），四根转动轴（2）分别插入转动轴插孔（9），将两组或两组以上的转动片（7）连接，所述转动片（7）之间的转动轴（2）外套有叶轮（10），叶轮（10）绕转动轴（2）旋转实现涡激振动抑制。

上述的转动片（7）由两部分组成，一侧通过转轴（12）连接，另一侧通过螺母和螺帽（3）固定在一起。

定位管套（4）设置两组。

上述的叶轮（10）的外侧设有四个叶片（11），所述叶片（11）由两圆弧相交形成弯牙型。

上述的转动片（7）的外形为四个角经圆角处理过的正方形，正方形各边长4.8，四个角处由3个半径为1.2的圆相交而成，凸出锐边处作圆角处理，圆角半径0.3；转动轴孔的中心距转动片中心4.4。

上述的定位管套（4）、滚珠（5）、定位托槽（6）、转动片（7）共同组成了整体转动模块，其中，每块转动片上设有10个滚珠。

本发明提到的一种装配旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制方法，包括以下步骤：

一是先将两个定位托槽（6）串套在定位套管（4）上，定位托槽上部与定位凹槽（8）的中间位置平齐，再将两个定位套管（4）串套在海洋立管（1）上，两套管间距固定为12cm；将滚珠（5）放置在定位凹槽（8）位置，再将绕转动轴（2）打开的转动片（7）套在滚珠上，拧上3处的螺母；两个整体转动模块安装好后，将叶轮（10）放置到预定位置，再插上转动轴（2），以上安装完毕；

二是安装完成后，海流流经立管系统时，叶轮位置的转动和四个叶轮自身的转动会破坏旋涡在立管表面附近的直接形成与脱落，从而实现涡激振动抑制，当处于较低流速时，海流只能带动叶轮转动，相较于常见的四控制杆形式的抑制方式，叶轮的随流转动会大大增加系统的抑制效果。

本发明的有益效果是：1、本装置由于结构整体和内部的转动设置，且整体高度对称，可以适应各种流向和流速状况。2、转动片轮廓进行弯角处理，转动叶轮的弯牙型叶片设计，整体转动依靠滚珠等，都大大增加了转动效率，同时涡激振动抑制效率也大大增加。3、有效利用水动能，对传统被动抑制方式进行了改进，涡激振动抑制效果更好。4、整体抑制装置可以拆卸循环利用，单个部件造型简单，易于批量制造，经济成本比较低。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体后侧视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为转动轴的结构示意图；

图5为转动片的立体图；

图6为整体转动模块的拆装示意图；

图7为叶轮的侧视图；

图8为叶轮的俯视图；

图9为本发明横截面导流示意图；

上图中：海洋立管1、转动轴2、螺母和螺帽3、定位管套4、滚珠5、定位托槽6、转动片7、定位凹槽8、转动轴插孔9、叶轮10、叶片11、转轴12。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种装配旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制装置，其技术方案是：在海洋立管1外套有两组或两组以上的定位管套4，所述定位管套4上串套有定位托槽6，定位托槽6上部与定位凹槽8的中间位置平齐，且定位凹槽8内设有滚珠5，在滚珠5外套有转动片7，可随海流转动；所述转动片7的四个角上设有转动轴插孔9，四根转动轴2分别插入转动轴插孔9，将两组或两组以上的转动片7连接，所述转动片7之间的转动轴2外套有叶轮10，叶轮10绕转动轴2旋转实现涡激振动抑制。

参照附图5，上述的转动片7由两部分组成，一侧通过转轴12连接，另一侧通过螺母和螺帽3固定在一起。上述的叶轮10的外侧设有四个叶片11，所述叶片11由两圆弧相交形成弯牙型。上述的转动片7的外形为四个角经圆角处理过的正方形，正方形各边长4.8，四个角处由3个半径为1.2的圆相交而成，凸出锐边处作圆角处理，圆角半径0.3；转动轴孔的中心距转动片中心4.4。上述的定位管套4、滚珠5、定位托槽6、转动片7共同组成了整体转动模块，其中，每块转动片上设有10个滚珠。

本发明装配四个旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制装置，其主要有两种转动结构，一种为抑制装置内部设计有可转动叶轮，同时整体抑制装置可以绕立管旋转，整体结构的高度对称性给抑制装置提供了充分的转动条件。涡激振动抑制装置的目的是破坏旋涡在立管尾流区的形成脱落，本发明类似于在立管周围装配四个可以随海流转动的叶轮式的控制杆，转动叶轮的弯牙叶片设计又可以大大降低海流对整体结构的作用，当立管处于较快流速环境中时，海流会带动整体抑制装置绕立管转动，可以破坏旋涡在立管周围的直接形成。

本发明整体的转动依靠转动片和滚珠实现，转动片可以拆卸成两部分，在安装转动片和滚珠时需要先在立管上套上定位管套，滚珠依靠定位托槽固定位置。在转动片的四个角上均布排列四个旋转叶轮，叶轮的旋转依靠转动轴，叶轮叶片设计为弯牙型可以降低海流对其的拖曳力。为避免内部结构之间的接触磨损，需要在结构接触间隙处加上垫片。

本发明适用于需长期预防涡激振动破坏管段，叶轮长度可以根据实际工程进行调整，建议抑制装置之间间隔10d（d为立管外径）。

参照附图1-3，本发明为方便尺寸说明，假设立管外径为1.8个单位，相应的内径为1.4。（内、外径指直径）：

转动轴2设有两个规格，外径分别为0.3和0.2，其中，0.3的转动轴共有四根，长12.8，安装于转动片7的四个角上，用于四个叶轮的转动；0.2的转动轴共有两根，长0.8，安装于转动片上，用于转动片的拆卸安装。3为螺母和螺帽，用于转动片的固定，共有2个。

定位轴套4的内径为1.8，外径为2.8，为方便串套在立管上，设置4个边倒角0.10.1。在定位轴套高度中间位置设置定位凹槽8，用于滚珠转动的轨道，凹槽半径0.3，深度0.1。5为滚珠，每块转动片上10个滚珠，滚珠半径0.3。定位托槽6用于固定滚珠的滚动位置，托槽内径2.8，外径3.2；托槽上10个凹槽的半径为0.3，深度0.3，适配于半个滚珠；必要时在凹槽处滴上润滑油以减小滚珠滚动阻力。结合图2俯视图，转动片7的中间圆孔半径为1.8，中间高度处设置定位凹槽8，凹槽半径0.3，深度0.1，用于滚珠滚动的轨道；转动片外形为四个角经圆角处理过的正方形，正方形各边长4.8，四个角处由3个半径为1.2的圆相交而成，凸出锐边处作圆角处理，圆角半径0.3；转动轴孔的中心距转动片中心4.4；转动片由对称的两部分组成，可以绕较小的转动轴孔进行转动拆卸。定位管套4、滚珠5、定位托槽6、转动片7共同组成了整体转动模块（如图6），整个发明共有两个整体转动模块。

如图7-8，为转动叶轮及其俯视图，中间圆柱孔的半径为0.15，外径为0.5，叶片11由两圆弧相交而成，有利于降低转动阻力；叶轮10串套在转动轴2上，其高度可根据实际情况进行调节，本实施例中取12。

本发明提到的一种装配旋转叶轮的可旋海洋立管涡激振动抑制方法，包括以下步骤：

一是先将两个定位托槽6串套在定位套管4上，定位托槽上部与定位凹槽8的中间位置平齐，再将两个定位套管4串套在海洋立管1上，两套管间距固定为12cm；将滚珠5放置在定位凹槽8位置，再将绕转动轴2打开的转动片7套在滚珠上，拧上3处的螺母；两个整体转动模块安装好后，将叶轮10放置到预定位置，再插上转动轴2，以上安装完毕；

二是安装完成后，海流流经立管系统时，叶轮位置的转动和四个叶轮自身的转动会破坏旋涡在立管表面附近的直接形成与脱落，从而实现涡激振动抑制，当处于较低流速时，海流只能带动叶轮转动，相较于常见的四控制杆形式的抑制方式，叶轮的随流转动会大大增加系统的抑制效果。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。