一种调节立管系统结构参数避开涡激共振的装置及方法与流程

本发明属于海洋立管涡激振动抑制技术领域，具体涉及一种调节立管系统结构参数避开涡激共振的装置及方法。

背景技术：

海洋立管是海洋矿藏资源开采的关键部位，承担着将海底矿物、油气资源安全输送至液面设施的重要任务，常被视为海洋矿藏资源开发的生命通道。然而，其服役于恶劣的海洋波、流环境，在海水绕流的作用下，不可避免地发生着涡激振动。尤其当立管振动频率与固有频率相近时，会引发共振，加速立管系统疲劳损伤。一旦立管疲劳失效，不仅会带来巨大的经济损失和人员伤亡，还会对局部海洋生态环境造成不可逆转的破坏。因此，抑制涡激振动，避开涡激共振是海洋立管安全服役的前提。

目前，国内外众多学者研究提出了若干涡激振动抑制装置，包括主动控制类和被动控制类。被动控制装置主要通过改变表面形状，抑制旋涡的强度；主动控制则额外施加外部能量，改变边界层脱落点和旋涡能量。尽管这些主动控制和被动控制装置可以在一定的流速范围内实现振动的抑制，但不能完全避开涡激共振，而且不能快速调节以应急干预。起下立管必然造成巨大的经济损失和延长作业周期。因此，不用立管应急脱离，使其在正常作业状态下即可以通过简单调节避开共振，则具有十分重大的经济和社会价值。

技术实现要素：

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种简便有效、及时控制的调节立管系统结构参数避开涡激共振的装置及方法。

一种调节立管系统结构参数避开涡激共振的装置由支撑系统、传动系统和位移传感器组成。支撑系统包括上端支撑环、下端支撑环和八根支撑杆，上端支撑环由对称的两个半圆环形构件组成，通过螺栓连接卡抱固定于立管外壁，上端支撑环的下表面沿周向均匀布设有八个铰支座，用于与支撑杆的上端铰接。下端支撑环也由对称的两个半圆环形构件组成，通过螺栓连接卡抱固定于立管外壁，下端支撑环的上表面沿周向均匀布设八个凹槽，每个凹槽两侧分别固定一个半圆形固定支座，用于固定小型电机。支撑杆为一实心直杆，两端设有与铰支座连接的圆孔，一端与上端支撑环下表面的铰支座通过销钉连接，另一端与螺杆上的滑块铰支座通过销钉连接。

传动系统由八个小型电机、八根螺杆和八个滑块组成。小型电机转动轴沿下端支撑环的径向向外布置于下端支撑环的凹槽中，与小型电机转动轴垂直的小型电机两侧壁上设有旋转轴，旋转轴安装限位于凹槽侧壁与固定支座间，使小型电机可以绕旋转轴自由旋转。螺杆为表面加工有公螺纹的直杆，其一端与小型电机的转动轴通过平键连接，可在小型电机驱动下转动，螺杆另一端设有端部限位帽。滑块为圆环状结构，其内表面加工有母螺纹，滑块套装于螺杆上，螺杆公螺纹与滑块母螺纹啮合。滑块上表面安设有铰支座，用于与支撑杆的下端铰接。

位移传感器安装于上端支撑环上部的立管外壁，可将立管振动位移数据实时传递至采集终端。

所述的上端支撑环、下端支撑环内径均等于立管外径D，支撑杆长度为3～4D，螺杆长度为2～3D。

利用所述的调节立管系统结构参数避开涡激共振的装置可以实现一种调节立管系统结构参数避开涡激共振的方法。由位移传感器监测立管振动位移实时数据，根据位移响应数据判断振动状态。当立管振动位移出现急剧上升时，启动小型电机工作，其转动轴带动螺杆旋转，使螺杆上的滑块与螺杆发生相对移动。滑块在螺杆上滑移后，带动螺杆和支撑杆转动，使螺杆、支撑杆与立管之间构成的结构三角形的形状发生改变，继而改变立管系统的刚度及阻尼，立管系统的固有频率也得以改变，从而避开涡激共振区，使立管振幅大幅减小。立管振幅变化由位移传感器实时监测，当振幅出现大幅减小时，关停小型电机，停止系统结构参数的调节。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明根据实时振动位移数据判断振动状态后，可及时调节改变立管系统结构参数，避开涡激共振，适应性强，节约了不必要的作业成本；

2、本发明装置的支撑杆和螺杆还可以破坏立管周围的绕流流场，影响绕流旋涡的脱落，实现涡激振动抑制的效果。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图

图2为本发明装置下端支撑环示意图

图3为本发明装置小型电机的布置衔接示意图

图4为本发明装置上端支撑环与支撑杆铰接示意图

图5为本发明装置滑块示意图

图6为本发明装置滑块与支撑杆铰接示意图

图7为本发明装置调节后的状态示意图

其中：1、立管；2、上端支撑环；3、支撑杆；4、螺杆；5、下端支撑环；6、固定支座；7、小型电机；8、滑块；9、位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

如图1所示，一种调节立管系统结构参数避开涡激共振的装置由支撑系统、传动系统和位移传感器9组成。支撑系统包括上端支撑环2、下端支撑环5和八根支撑杆3，如图4所示，上端支撑环2由对称的两个半圆环形构件组成，通过螺栓连接卡抱固定于立管1外壁，上端支撑环2的下表面沿周向均匀布设有八个铰支座，用于与支撑杆3的上端铰接。如图2所示，下端支撑环5也由对称的两个半圆环形构件组成，通过螺栓连接卡抱固定于立管1外壁，下端支撑环5的上表面沿周向均匀布设八个凹槽，每个凹槽两侧分别固定一个半圆形固定支座6，用于固定小型电机7，如图3所示。支撑杆3为一实心直杆，两端设有与铰支座连接的圆孔，一端与上端支撑环2下表面的铰支座通过销钉连接，另一端与螺杆4上的滑块8铰支座通过销钉连接。

传动系统由八个小型电机7、八根螺杆4和八个滑块8组成。如图3所示，小型电机7转动轴沿下端支撑环5的径向向外布置于下端支撑环5的凹槽中，与小型电机7转动轴垂直的小型电机7两侧壁上设有旋转轴，旋转轴安装限位于凹槽侧壁与固定支座6间，使小型电机7可以绕旋转轴自由旋转。螺杆4表面加工有公螺纹的直杆，其一端与小型电机7的转动轴通过平键连接，可在小型电机7驱动下转动，螺杆4另一端设有端部限位帽。如图5所示，滑块8为圆环状结构，其内表面加工有母螺纹，如图6所示，滑块8套装于螺杆4上，螺杆4公螺纹与滑块8母螺纹啮合。滑块8上表面安设有铰支座，用于与支撑杆3的下端铰接。

如图1所示，位移传感器9安装于上端支撑环2上部的立管1外壁，可将立管1振动位移数据实时传递至采集终端。

所述的上端支撑环2、下端支撑环5内径均等于立管1外径D，支撑杆3长度为3～4D，螺杆4长度为2～3D。

利用所述的调节立管系统结构参数避开涡激共振的装置可以实现一种调节立管系统结构参数避开涡激共振的方法。由位移传感器9监测立管1振动位移实时数据，根据位移响应数据判断振动状态。当立管1振动位移出现急剧上升时，启动小型电机7工作，其转动轴带动螺杆4旋转，使螺杆4上的滑块8与螺杆4发生相对移动。如图7所示，滑块8在螺杆4上滑移后，带动螺杆4和支撑杆3转动，使螺杆4、支撑杆3与立管1之间构成的结构三角形的形状发生改变，继而改变立管1系统的刚度及阻尼，立管1系统的固有频率也得以改变，从而避开涡激共振区，使立管1振幅大幅减小。立管1振幅变化由位移传感器9实时监测，当振幅出现大幅减小时，关停小型电机7，停止系统结构参数的调节。

实施例：

本发明装置安装时，首先，将上端支撑环2卡抱固定于在立管1外壁，将八个支撑杆3的上端与上端支撑环2下表面的铰支座铰接。然后，将下端支撑环5卡抱固定于立管1外壁，并转动调整下端支撑环5的方位，使下端支撑环5上表面的凹槽与上端支撑环2下表面的铰支座在竖直方向对齐。接着，将小型电机7放置于下端支撑环5的凹槽中，并使小型电机7两侧的旋转轴搁置于凹槽侧壁。然后，在凹槽侧壁安装固定支座6，使小型电机7得旋转轴限位于凹槽侧壁与固定支座6间，小型电机7得以绕旋转轴自由旋转。其次，将滑块8套入螺杆4，并使螺杆4公螺纹与滑块8母螺纹啮合。再将螺杆4无端部限位帽的一端与小型电机7的转动轴连接，使小型电机7工作时可带动螺杆4旋转，从而使滑块8在螺杆4上滑移。接着，将支撑杆3下端与滑块8上表面的铰支座铰接。最后，在上端支撑环2上部的立管1外壁安装位移传感器9。

装置安装完毕后，放置于海流中。通过位移传感器9可以实时监测振动位移数据，当立管1振动位移出现急剧上升时，启动小型电机7工作，其转动轴带动螺杆4旋转，使螺杆4上的滑块8与螺杆4发生相对移动。滑块8在螺杆4上滑移后，带动螺杆4和支撑杆3转动，使螺杆4、支撑杆3与立管1之间构成的结构三角形的形状发生改变，继而改变立管1系统的刚度及阻尼，立管1系统的固有频率也得以改变，从而避开涡激共振区，使立管1振幅大幅减小。立管1振幅变化由位移传感器9实时监测，当振幅出现大幅减小时，关停小型电机7，停止系统结构参数的调节。