一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置及方法

本发明属于海底砂土回填与涡激振动抑制，具体涉及一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置及方法。

背景技术：

1、我国累计了铺设各种规格的海底管道300多条，总长度达5000多公里。随着海洋油气开发力度的进一步加大，必然有越来越多的海底管道投入运营。

2、在海底管道服役的过程中，因地形起伏和海管尾流旋涡对海床的冲刷，易产生悬跨管段，在海流的作用下，海管悬跨段后方存在交替脱落的旋涡，使得管道承受周期性脉动的流体作用力，从而呈现出涡激振动响应，严重时会诱发管道失效从而污染海洋环境与破坏生态系统。此外，海洋生物会附着在海底管道表面，改变了管道表面粗糙度，影响了管道的振动响应，也加快了管道的腐蚀。

3、因此，亟待开发一种同时实现涡激振动抑制、砂土回填和防止海洋生物附着的多功能装置，为海底管道的安全服役提供保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对当前背景技术中提出的问题与不足，提出一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置及方法。

2、为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：

3、一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置由两个转动轴承模块、一个螺旋射流模块和一个输送带模块构成。每个转动轴承模块包括一个叶轮、一个内侧齿圈、一个外侧齿圈、两块阻隔板、一个套筒和一个外轴承；螺旋射流模块包括两个固定套环、一根外螺旋管、一根内螺旋管、一个套管架和一根螺旋齿条带；输送带模块包括四个齿轮、四个内轴承、两根传动杆、两根齿条带、两根支撑梁、两个传动外罩和一条输送履带。

4、两个转动轴承模块套装在悬跨海管外壁。两个转动轴承模块的间距大于一个套管架和两根支撑梁宽度之和。外轴承为圆筒形，其内径等于悬跨海管外径，外轴承套装在悬跨海管外壁。套筒为内空的圆筒形结构，套筒内径等于外轴承外径，套筒套装在外轴承外壁。叶轮为圆筒形外壁周向均布弧形叶片的结构，叶轮内径等于套筒外径，叶轮高度小于套筒高度，叶轮套装在套筒外壁并与套筒的外端面齐平。在套筒的另一端，自叶轮向内依次套装有一块圆环形阻隔板、一个外侧齿圈、一块圆环形阻隔板和一个内侧齿圈，内侧齿圈与套筒内端面齐平。阻隔板分别位于叶轮和外侧齿圈以及外侧齿圈和内侧齿圈之间，起到分隔作用，保证叶轮的旋转和内侧齿圈、外侧齿圈与内侧齿圈的传动之间无干扰。

5、固定套环为圆筒形，其内径等于悬跨海管外径。两个固定套环间隔一个套管架的距离套装在悬跨海管外壁，在两个固定套环外安装有套管架。套管架由四根支柱及端部两个圆环构成，四根支柱沿周向均布，支柱与端部圆环面垂直。紧贴套管架四根支柱的内侧壁安装有内螺旋管，内螺旋管的直径为螺旋齿条带宽度的三倍，紧贴套管架四根支柱的外侧壁安装有外螺旋管，外螺旋管的直径也为螺旋齿条带宽度的三倍。内螺旋管外壁均匀开设有圆形射流孔，孔口正对悬跨海管，射流孔单侧贯通，射流孔的直径与螺旋齿条带的宽度相等。螺旋齿条带从内螺旋管与外螺旋管内部穿过，并与两个转动轴承模块的内侧齿圈相啮合，螺旋齿条带的首尾相连形成一个闭环。在外螺旋管靠近转动轴承模块的壁面开设有射流孔，其开口方向正对转动轴承模块的叶轮。

6、两根支撑梁顺海流流向安装在悬跨海管外壁套管架的两侧，支撑梁为长方体结构，与悬跨海管连接处为半圆形弧口，弧口直径与悬跨海管外径相同，支撑梁的高度与悬跨海管外径相等，支撑梁的长度与套管架的长度相等，支撑梁的宽度小于所在侧的转动轴承模块与固定套环之间的间距。在两根支撑梁的中部和后部相对的位置沿平行于悬跨海管的方向开设圆形孔洞，圆形孔洞贯穿于支撑梁两侧，圆形孔洞直径等于内轴承外径。每个圆形孔洞中安装一个内轴承，内轴承高度与支撑梁宽度相等。传动杆为圆柱体结构，传动杆的直径与内轴承的内径相等，传动杆的长度与两个转动轴承模块外侧齿圈之间的间距相等，在两个相对的内轴承之间安装一根传动杆，传动杆的两端端面与外侧齿圈端面齐平。四个齿轮分别安装在两根传动杆的两端，齿轮的端面与传动杆的端面齐平，齿轮的内径与传动杆的直径相等，齿轮的外径与外侧齿圈外径相等。输送履带安装在两根传动杆外，输送履带的两端与支撑梁存在一个阻隔板厚度的间隙，输送履带表面均匀分布矩形肋条，矩形肋条的宽度与输送履带的宽度相等，矩形肋条的高度与传动杆的直径相等。传动外罩为长方体空腔，其高度大于支撑梁的高度，传动外罩的宽度大于支撑梁与齿轮之间的间距。两个传动外罩分别安装在两根支撑梁的外侧，将齿轮和齿条带包裹其中。在传动外罩靠近悬跨海管的端面上，开设供齿条带通过的孔洞，孔洞的直径大于齿条带的宽度。每侧的齿条带穿过传动外罩上开设的孔洞与外侧齿圈及两个齿轮相啮合，形成一个闭环。

7、利用所述的海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置提供一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的方法。在海流的冲击下，叶轮旋转带动同侧的外侧齿圈和齿条带运转，外侧齿圈与齿条带的运转带动同侧的齿轮旋转，齿轮的旋转进而带动传动杆转动，传动杆转动驱动输送履带运转，输送履带运转将落在其表面矩形肋条间的砂土运移到悬跨海管与输送履带之间的间隙，从而落入悬跨海管下方，实现砂土的回填。同时，叶轮旋转带动内侧齿圈转动，内侧齿圈转动带动螺旋齿条带运转，螺旋齿条带在内螺旋管内部运转，挤压内螺旋管内的流体自射流孔射出，冲击在悬跨海管表面，实现了附着生物的清理和预防。螺旋齿条带在外螺旋管内部挤压外螺旋管内的流体自射流孔射出，冲击在叶轮表面，加快了叶轮的旋转。

8、另外，内螺旋管和外螺旋管的螺旋状结构扰乱了悬跨海管的绕流边界层，且叶轮旋转与射流孔的射流同时干扰了旋涡的形成，抑制了悬跨海管的涡激振动。

9、本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

10、1.本发明装置在海流驱动下叶轮旋转运动，扰乱了悬跨海管周围的流场，减少了流体作用力，实现了悬跨海管涡激振动的抑制；

11、2.本发明装置利用螺旋齿条带的运行，带动流体经内螺旋管射流孔射出，以清理悬跨海管表面附着的生物；

12、3.本发明装置利用叶轮旋转带动输送带模块运行，使悬跨海管后方收集的砂土回填至管道下方，减轻海底管道的悬空程度。

技术特征：

1.一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置由两个转动轴承模块、一个螺旋射流模块和一个输送带模块构成；每个转动轴承模块包括一个叶轮(4)、一个内侧齿圈(6)、一个外侧齿圈(7)、两块阻隔板(5)、一个套筒(3)和一个外轴承(2)；螺旋射流模块包括两个固定套环(9)、一根外螺旋管(12)、一根内螺旋管(11)、一个套管架(10)和一根螺旋齿条带(8)；输送带模块包括四个齿轮(18)、四个内轴承(17)、两根传动杆(16)、两根齿条带(19)、两根支撑梁(14)、两个传动外罩(15)和一条输送履带(20)；两个转动轴承模块套装在悬跨海管(1)外壁；两个转动轴承模块的间距大于一个套管架(10)和两根支撑梁(14)宽度之和；外轴承(2)为圆筒形，其内径等于悬跨海管(1)外径，外轴承(2)套装在悬跨海管(1)外壁；套筒(3)为内空的圆筒形结构，套筒(3)内径等于外轴承(2)外径，套筒(3)套装在外轴承(2)外壁；叶轮(4)为圆筒形外壁周向均布弧形叶片的结构，叶轮(4)内径等于套筒(3)外径，叶轮(4)高度小于套筒(3)高度；固定套环(9)为圆筒形，其内径等于悬跨海管(1)外径；两个固定套环(9)间隔一个套管架(10)的距离套装在悬跨海管(1)外壁，在两个固定套环(9)外安装有套管架(10)；套管架(10)由四根支柱及端部两个圆环构成，四根支柱沿周向均布，支柱与端部圆环面垂直；两根支撑梁(14)顺海流流向安装在悬跨海管(1)外壁套管架(10)的两侧，支撑梁(14)为长方体结构，与悬跨海管(1)连接处为半圆形弧口，弧口直径与悬跨海管(1)外径相同，支撑梁(14)的高度与悬跨海管(1)外径相等，支撑梁(14)的长度与套管架(10)的长度相等，支撑梁(14)的宽度小于所在侧的转动轴承模块与固定套环(9)之间的间距；在两根支撑梁(14)的中部和后部相对的位置沿平行于悬跨海管(1)的方向开设圆形孔洞，圆形孔洞贯穿于支撑梁(14)两侧，圆形孔洞的直径等于内轴承(17)的外径；每个圆形孔洞中安装一个内轴承(17)，内轴承(17)高度与支撑梁(14)宽度相等；传动杆(16)为圆柱体结构，传动杆(16)的直径与内轴承(17)内径相等，传动杆(16)的长度与两个转动轴承模块外侧齿圈(7)之间的间距相等，在两个相对的内轴承(17)之间安装一根传动杆(16)，传动杆(16)的两端端面与外侧齿圈(7)端面齐平；四个齿轮(18)分别安装在两根传动杆(16)的两端，齿轮(18)的端面与传动杆(16)端面齐平，齿轮(18)的内径与传动杆(16)的直径相等，齿轮(18)的外径与外侧齿圈(7)外径相等；输送履带(20)安装在两根传动杆(16)外，输送履带(20)的两端与支撑梁(14)存在一个阻隔板(5)厚度的间隙，输送履带(20)表面均匀分布矩形肋条，矩形肋条的宽度与输送履带(20)的宽度相等，矩形肋条的高度与传动杆(16)的直径相等；传动外罩(15)为长方体空腔，其高度大于支撑梁(14)的高度，传动外罩(15)的宽度大于支撑梁(14)与齿轮(18)之间的间距；两个传动外罩(15)分别安装在两根支撑梁(14)的外侧，将齿轮(18)和齿条带(19)包裹其中；其特征在于：所述的叶轮(4)套装在套筒(3)外壁并与套筒(3)的外端面齐平；在套筒(3)的另一端，自叶轮(4)向内依次套装有一块圆环形阻隔板(5)、一个外侧齿圈(7)、一块圆环形阻隔板(5)和一个内侧齿圈(6)，内侧齿圈(6)与套筒(3)内端面齐平；阻隔板(5)分别位于叶轮(4)和外侧齿圈(7)以及外侧齿圈(7)和内侧齿圈(6)之间，起到分隔作用；紧贴套管架(10)四根支柱的内侧壁安装有内螺旋管(11)，紧贴套管架(10)四根支柱的外侧壁安装有外螺旋管(12)；内螺旋管(11)外壁均匀开设有圆形射流孔(13)，孔口正对悬跨海管(1)，射流孔(13)单侧贯通；螺旋齿条带(8)从内螺旋管(11)与外螺旋管(12)内部穿过，并与两个转动轴承模块的内侧齿圈(6)相啮合，螺旋齿条带(8)的首尾相连形成一个闭环；在外螺旋管(12)靠近转动轴承模块的壁面开设有射流孔(13)，其开口方向正对转动轴承模块的叶轮(4)；在传动外罩(15)靠近悬跨海管(1)的端面上，开设供齿条带(19)通过的孔洞，孔洞的直径大于齿条带(19)的宽度；每侧的齿条带(19)穿过传动外罩(15)上开设的孔洞与外侧齿圈(7)及两个齿轮(18)相啮合，形成一个闭环。

2.一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的方法，采用如权利要求(1)所述的海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置，其特征在于：在海流的冲击下，叶轮(4)旋转带动同侧的外侧齿圈(7)和齿条带(19)运转，外侧齿圈(7)与齿条带(19)的运转带动同侧的齿轮(18)旋转，齿轮(18)的旋转进而带动传动杆(16)转动，传动杆(16)转动驱动输送履带(20)运转，输送履带(20)运转将落在其表面矩形肋条间的砂土运移到悬跨海管(1)与输送履带(20)之间的间隙，从而落入悬跨海管(1)下方，实现砂土的回填；同时，叶轮(4)旋转带动内侧齿圈(6)转动，内侧齿圈(6)转动带动螺旋齿条带(8)运转，螺旋齿条带(8)在内螺旋管(11)内部运转，挤压内螺旋管(11)内的流体自射流孔(13)射出，冲击在悬跨海管(1)表面，实现了附着生物的清理和预防；螺旋齿条带(8)在外螺旋管(12)内部挤压外螺旋管(12)内的流体自射流孔(13)射出，冲击在叶轮(4)表面，加快了叶轮(4)的旋转；另外，内螺旋管(11)和外螺旋管(12)的螺旋状结构扰乱了悬跨海管(1)的绕流边界层，且叶轮(4)旋转与射流孔(13)的射流同时干扰了旋涡的形成，抑制了悬跨海管(1)的涡激振动。

技术总结
本发明涉及一种海管抑振与防生物垢并同步回填砂土的装置及方法，装置由两个转动轴承模块、一个螺旋射流模块和一个输送带模块构成。在海流的冲击下，叶轮旋转驱动输送带模块运转，将输送带模块处收集到的砂土运移到悬跨海管下方，实现砂土的回填。同时，叶轮旋转带动螺旋齿条带运转，螺旋齿条带在内螺旋管内部运转，挤压内螺旋管内的流体自射流孔射出，冲击在悬跨海管表面，实现了附着生物的清理和预防。螺旋齿条带在外螺旋管内部挤压外螺旋管内的流体自射流孔射出，冲击在叶轮表面，加速了叶轮的旋转。另外，内螺旋管和外螺旋管的螺旋状结构扰乱了悬跨海管的绕流边界层，且叶轮旋转与射流孔的射流同时干扰了旋涡的形成，抑制了悬跨海管的涡激振动。

技术研发人员：朱红钧,张文翔,谢宜蒲,周迈,王沛艺,姜培帅
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/13