专利名称：海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于海洋石油钻采装备技术领域，涉及的是一种涡激振动抑制装置。
背景技术：
在海洋石油钻井与开采过程中，立管是连接海洋平台与海底装置的一种重要连接结构。由于海洋流体在流经立管时，在一定流体运动状态下，在立管两侧会交替地产生与释放漩涡。漩涡脱落时将交替地对立管产生拖曳力，立管因此在与海流垂直的方向上发生振动；立管振动又将反作用于流场，增强涡漩。当这种涡漩脱落频率与立管在海洋流场中的固有振动频率一致或者足够接近时，立管振动与涡漩脱落“锁定”，立管的受迫振动将会持续加强。立管与流体这种相互作用是一种耦合运动，这种运动已经成为立管损坏的主要形式。立管不仅会因涡漩脱落发生横向振动，也会沿流动方向发生纵向振动。当这种耦合振动持续作用时，将加速立管疲劳损坏，减少立管使用寿命，并可能导致事故发生，进而可能导致 重大损失。涡激振动不仅导致立管横、纵向振动，同时可引发垂直振动，也可能引起横向摇摆，导致海上平台不稳定。涡激振动改变了立管所处的环境，影响生产的顺利进行。因此，抑制涡作用力是海洋钻井与开采作业中的一项重要任务。目前，涡激振动抑制装置主要是在立管外加装扰流装置来实现。这些装置的一个共同特点是使用刚性体与来流接触，不考虑分散和减小来流对立管的作用力，也没有考虑在涡激作用力下的应对措施。
发明内容
本发明针对当前涡激振动抑制装置为被动响应并且只对来流响应的缺点，提出一种可以兼有主动响应的涡激振动抑制装置。本装置制造与安装简单、灵活，而且经济、高效，适应范围广。本装置是一种泡柱涡振(泡状柱体涡激振动)抑制装置，其基本单元是一截面为圆环的充液或者充气柱体，立管上可以使用一个单元或者多个单元串联组成所需要的涡激振动抑制装置。每个单元由四个基本部分组成基体(柱体内环表面)、响应面(柱体外环表面)、控制体(柱体上下表面)、响应体(柱体内充流体)。本海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置的特征是整体由一个或者多个基本单元构成，每个单元为圆环柱体，各单元不必相同。每个单元由支架与泡柱两个部分构成。支架由基体与控制体构成，基体是柱面，控制体是圆环面，基体柱面与控制体平面垂直连接。泡柱由响应面与响应体构成，响应面可以随应力在三维空间中弯曲变形，响应体为气体。响应面与控制体连接，响应体在响应面、基体、控制体构成的空间内。泡柱固定在支架上，单元通过支架固定在立管上，通过将一个或者多个单元固定在立管上实现润激振动抑制。下面分别对本装置单元的四个部分进行阐述(I)基体
基体是本装置最靠近隔水管外壁的一个柱面，可以是刚性轮廓线或者轮廓面，它可以直接就是立管的外壁。当基体是刚性轮廓线而响应面有可能触及该轮廓线时，轮廓线表面应该确保充分光滑，或者使用可任意旋转面，以尽量减小轮廓线与响应面间的摩擦。(2)控制体控制体是装置的上下两个环状表面，可以由刚性轮廓线或者轮廓面构成。当控制体是刚性轮廓线而响应面有可能触及该轮廓线时，轮廓线表面应该确保充分光滑或者使用可任意旋转面，以尽量减小轮廓线与响应面间的摩擦。(3)响应面响应面由弹性材料构成，可以沿径向任意变形，沿切向有限变形。弹性大小可以根据实际设计选择，甚至可以选用几乎无弹性的可变形材料。响应面可以是粗糙的，也可以是光滑的。响应面直接与来流接触，并将来流作用力传递给响应体。当基体和/或者控制体是轮廓线时，响应面则相应补充缺失的面。(4)响应体响应体为气体或者液体，它们可以是可压缩的，也可以是不可压缩的。响应体响应来自响应面的作用力,可以在任意方向变形(运动)。本发明装置中的响应体有多种可选方案，除可以是气体外，也可以是液体。本装置的基体也可以是立管外表面本身；本装置也可以与立管加工成一个整体。采用上述技术后，本发明装置有如下优点(I)制造简单、成本低，可以模块化生产、安装方法灵活；(2)可以改变来流状态，预防涡激振动的发生；(3)可以分散和减小流场对立管的作用力，在涡激振动已经产生时，它可以分散、减小涡激振动对立管的作用力。即是，涡激作用力一方面被分散和减小，另一方面也对来流状态产生干扰；(4)兼有浮力块的功能，或者可以将它设计成浮力块；(5)本装置可与立管进行一体化生产，使立管本身具有浮力块功能与涡激振动抑制功能。
图I是本装置的一个单元(模块)示意图，是本装置的一个典型结构组成，左图是轴截面图，右图是横截面图。图2是本装置加装在立管中的一个短节上的示意图，是最典型装置使用方法，左图是轴截面图，右图是横截面图。图3本装置在立管上的一种典型使用方法使用多个单元串联组合实现目标立管段的涡激振动抑制功能。图中，I.立管，2.泡柱涡振抑制装置单元，3.基体，4.控制体，5.响应面，6.响应体。
具体实施例方式本发明装置是一种海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置，使用泡状柱体来实现涡激振动抑制，它有多种实施方式。每种方式下的泡柱涡振抑制装置单元主体基本上总是由支架与泡柱两个部分构成(如图I所示)，支架由基体3与控制体4构成，泡柱则由响应面5与响应体6构成。因为泡柱是涡激振动抑制的核心，所以本装置可以叫做泡柱涡振抑制装置。立管外半径设为R，基体半径设为r，基体厚度设为d，响应体厚度设为D，控制体高度设为h。 方式一这是一种典型的实施方式，其典型特征是(如图2所示)整体由一个或者多个基本单元2构成，每个单元为圆环柱体，各单元不必相同。每个单元由支架与泡柱两个部分构成。支架由基体3与控制体4构成，基体3是柱面，控制体4是圆环面，基体3柱面与控制体4平面垂直连接。泡柱由响应面6与响应体5构成，响应面6可以随应力在三维空间中弯曲变形，响应体5为气体。响应面6与控制体4连接，响应体在响应面4、基体3、控制体4构成的空间内。泡柱固定在支架上，单元2通过支架固定在立管I上，通过将一个或者多个单元2固定在立管I上实现涡激振动抑制。单元2基体3与立管I外壁直接接触，单元基体3 (靠近立管外壁的一侧)半径r = R，响应面5半径是R+d+D。 这种单元2可以单独制作，然后套接在立管I外表面。通过控制体4将单元2固定在立管I上，或者参考浮力块的安装方法安装。 方式二将方式一中的响应体6换成液体，以密度小、粘度小的液体为佳。 方式三方式一中的基体设计成立管I的外壁。这时,本泡柱涡振抑制装置单元2与立管I成为一个整体。方式二也可以应用到本方式中。 方式四控制体的基体3去除，以泡柱的一面代替。这种方法在使用时，优先考虑未充气(液)的单元安装，安装完后再充气(液)。 方式五控制体仅由轮廓线构成，泡柱沿控制体轮廓线固定。这种方法在使用时，优先考虑未充气(液)的单元安装，安装完后再充气(液)。本装置在使用时，完全可以根据实际计算来选择使用串联单元的长度，也可以根据海况选择确定在何处使用。泡柱与支架可以分别制作再装配，也可以一体化制作，然后安装，还可以与立管加工成一个整体。
权利要求
1.海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置，其特征是整体由一个或者多个基本泡柱涡振抑制装置单元(2)构成，每个单元为圆环柱体，各单元不必相同；每个单元由支架与泡柱两个部分构成；支架由基体(3)与控制体(4)构成，基体(3)是柱面，控制体(4)是圆环面，基体⑶柱面与控制体⑷平面垂直连接；泡柱由响应面(6)与响应体(5)构成，响应面(6)可以随应力在三维空间中弯曲变形，响应体(5)为气体；响应面(6)与控制体(4)连接，响应体在响应面(4)、基体(3)、控制体(4)构成的空间内；泡柱固定在支架上，泡柱涡振抑制装置单元(2)通过支架固定在立管(I)上，通过将一个或者多个泡柱涡振抑制装置单元(2)固定在立管(I)上实现涡激振动抑制。
2.如权利要求I所述的海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置，其特征是响应体(5)是液体。
3.如权利要求I所述的海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置，其特征是以立管(I)的外壁作为基体(3)。
4.如权利要求I所述的海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置，其特征是本泡柱涡振抑制装置单元(2)与立管(I)加工成一个整体。
全文摘要
本发明提供一种海洋环境下立管泡柱涡振抑制装置泡柱涡振抑制装置。整个发明装置由一个或者多个泡柱涡振抑制装置单元(简称单元)构成，单元高度、厚度可以不等。每个单元都是一个充气(液)的柱体，它由支架与泡柱两部分构成。支架用于连接泡柱与立管，它由基体与控制体构成。泡柱用来实现涡激振动抑制，它由响应面与响应体构成。响应面是可以随应力弯曲变形材料，响应体是气(液)体。本发明装置制作与安装灵活，可以直接套装在立管上，也可与立管加工成一个整体。本发明装置的优点是，通过对来流的响应来抑制涡的发生，同时，利用响应面与响应体来分散和消去立管附近流场运动形成的对立管的作用力。
文档编号E21B7/12GK102979490SQ20121048746
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者邱全锋, 谢祥俊, 林元华, 钟莉 申请人:西南石油大学