一种立管柱群振动防碰与发电装置及方法与流程

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种立管柱群振动防碰与发电装置及方法。

背景技术：

随着人类对能源需求量的不断增长，深水油气资源及可燃冰的大力开发成为人类的必然选择。海洋立管对海洋油气及可燃冰的采输起着至关重要的作用，它将海床上的水下井口或海底管道连通，负责将采出流体举升输送至水面上的海洋平台或浮式生产装置，可谓水下与水上沟通的桥梁。海洋立管在波浪与海流作用下会发生涡激振动，易产生疲劳损伤，而深海环境条件的复杂性和海洋立管输送介质的特殊性使其受力更加复杂，对其服役稳定性的要求更高。

由多根海洋立管组成的柱群结构是连接水下井口、海底管道与海面各类平台、浮式设施的一种典型的排列方式。在内外流的共同作用下，柱群内部各根立管之间相互干扰，使得海洋立管的涡激振动特性变得更为复杂，加之来流方向的不稳定性，柱群之间的振动响应表现出极大的不稳定性，或振动增强，或振动衰弱，相互之间也极有可能发生碰撞，导致海洋立管的破坏与失效，影响海洋资源的正常开采，造成巨大的经济损失和严重的环境污染。如何有效地防止柱群之间的相互碰撞显得尤为迫切。

另一方面，开发海洋资源的同时能否有效利用海洋新能源，实现一箭双雕的效果呢？近年来，海上风能、波浪能、潮汐能的利用都被广泛关注，各类叶轮机械是常用的能量收集装置，但在立管柱群上安装叶轮机械显得十分困难。而压电材料在受到外力发生变形时，内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷形成电位差，实现发电，且电荷密度与外部作用力成正比。正压电效应作为一种新式的发电方式展现出巨大的前景。若利用压电材料将柱群的振动能量转化为电能进行收集利用，可以供应水下生产系统以及平台的用电，则可有效节约能源。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是针对现有海洋立管柱群之间存在的碰撞现象，提供一种有效防止柱群碰撞、充分利用振动能量、性能可靠的立管柱群振动防碰与发电装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种立管柱群振动防碰与发电装置，由防碰模块和发电模块组成。一个防碰模块由嵌套伸缩管、弹簧、固定法兰盘及紧固套构成。嵌套伸缩管由套装的两根直径大小不同的管件组成，其中小直径管件嵌套入大直径管件，且大直径管件长度大于小直径管件，大、小直径管件之间可以相对滑动；覆盖小直径管件的大直径管件一端端口内径突然变小，对应的小直径管件端口外径突然变大，对嵌套伸缩管的伸长起到限位作用；大、小直径管件的另一端均设有可拆卸的圆盘状固定法兰盘。弹簧套在嵌套伸缩管外，弹簧长度大于嵌套伸缩管的大直径管件长度，弹簧与固定法兰盘一起对嵌套伸缩管的缩短起到限位作用。紧固套由对称的两个半圆环形构件通过螺栓对接组成，套装在立管外壁，每半个紧固套中间外壁均布设有圆盘状的固定法兰盘。紧固套上的一个固定法兰盘与嵌套伸缩管一端的固定法兰盘通过螺栓连接固定。

发电模块由中心分向盘和压电片集成板两部分组成。压电片集成板为压电材料制成的片状矩形薄板，其一端开设有与固定法兰盘衔接所需的螺栓孔，与一个防碰模块的嵌套伸缩管另一端的固定法兰盘通过螺栓连接固定，并使压电片集成板与嵌套伸缩管垂直。压电片集成板另一端由上至下开有与其边壁平行的四个螺栓孔，且压电片集成板在该端端壁上开有两个供导线输出供电的导线孔，内设导线将压电片集成板的电荷输出，螺栓孔与导线孔垂直交错开设，两者不连通。中心分向盘整体为圆柱体结构，其外壁沿周向等间距开设八个凹槽，凹槽两侧壁各开有与压电片集成板边壁四个螺栓孔对应的四个螺栓孔，凹槽内壁开有与压电片集成板端部导线孔对应的两个开孔。压电片集成板边壁有四个螺栓孔的一端插入中心分离盘的一个凹槽，使螺栓孔相互匹配，通过螺栓连接固定，并使压电片集成板端部导线孔与凹槽内壁的开孔匹配对接，导线穿过开孔进入中心分向盘内部。中心分向盘内部包含上、下两个整流器以及位于两个整流器之间的电能收集器，上、下两个整流器分别与压电片集成板端部上、下两根导线相连。整流器和电能收集器与中心分向盘的间隙填充有绝缘介质，压电片集成板产生的电能通过整流器整流进入电能收集器进行储存。

一个中心分向盘与其相连的压电片集成板构成一个发电模块。一个发电模块与其包含的所有压电片集成板相连的防碰模块构成了一个基本单元。

所述的一个中心分向盘可以沿周向等间距连接4块或8块压电片集成板，未连接压电片集成板的中心分向盘凹槽内壁的开孔由密封胶封堵，每块压电片集成板又与安装在单根立管上的1个防碰模块相连，且压电片集成板和防碰模块组成的结构围绕中心分向盘呈旋转镜像的形式布置。

所述的安装在立管外壁的紧固套两侧可以各与一个基本单元的一个防碰模块相连，使得多个基本单元呈阵列布置，满足实际立管柱群的衔接要求，形成规模化的发电场。

利用所述的立管柱群振动防碰与发电装置可以实现一种立管柱群振动防碰与发电方法。海水流经立管时会发生边界层分离，在立管尾部产生周期性脱落的旋涡，从而激发立管的振动，立管发生振动位移后会带动与其连接的防碰模块运动，使嵌套伸缩管发生周期性的伸缩；嵌套伸缩管伸缩时带动与其连接的压电片集成板运动，使压电片集成板发生往复的弯曲变形，产生不稳定的电流，不稳定电流经导线引至中心分向盘内部的整流器整流，并由电能收集器进行收集，实现发电。嵌套伸缩管伸长时，因大、小直径管件的端口卡位限制了立管的位移，且由于压电片集成板和防碰模块组成的结构围绕中心分向盘呈旋转镜像的形式布置，因此立管之间不会发生碰撞；嵌套伸缩管缩小时，由于弹簧的存在，限制了立管的位移，防止了立管间的相互碰撞。因此，本装置在发电的同时限制了立管的振动位移，实现了立管柱群间的防碰功能。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明装置一个中心分向盘相连的压电片集成板长度可以互不相同，根据实际立管间的间距设置；

2、本发明装置可以根据实际立管的个数及布置形式，采用多个基本单元阵列的形式满足布置要求；

3、本发明装置的压电片集成板等间距布置在中心分向盘四周，且压电片集成板与嵌套伸缩管垂直，形成的基本单元可以应对不同方向的来流，使装置适应于海流方向不稳定变化的真实环境。

附图说明

图1为本发明装置基本单元的结构示意图；

图2为本发明装置俯视图；

图3为本发明装置中心分向盘剖视图；

图4为本发明装置防碰模块结构剖视图；

图5为本发明装置防碰模块和发电模块的装配示意图；

图6为本发明装置中心分离盘连接8块非等长压电片集成板的示意图；

图7为本发明装置阵列布置示意图；

图8为本发明装置工作示意图；

其中：1、中心分向盘；2、压电片集成板；3、弹簧；4、紧固套；5、立管；6、嵌套伸缩管；7、电能收集器、8、整流器；9、固定法兰盘。

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、图2所示，一种立管柱群振动防碰与发电装置，由防碰模块和发电模块组成。一个防碰模块由嵌套伸缩管6、弹簧3、固定法兰盘9及紧固套4构成。如图4所示，嵌套伸缩管6由套装的两根直径大小不同的管件组成，其中小直径管件嵌套入大直径管件，且大直径管件长度大于小直径管件，大、小直径管件之间可以相对滑动；覆盖小直径管件的大直径管件一端端口内径突然变小，对应的小直径管件端口外径突然变大，对嵌套伸缩管6的伸长起到限位作用；大、小直径管件的另一端均设有可拆卸的圆盘状固定法兰盘9。弹簧3套在嵌套伸缩管6外，弹簧3长度大于嵌套伸缩管6的大直径管件长度，弹簧3与固定法兰盘9一起对嵌套伸缩管6的缩短起到限位作用。紧固套4由对称的两个半圆环形构件通过螺栓对接组成，套装在立管5外壁，每半个紧固套4中间外壁均布设有圆盘状的固定法兰盘9。紧固套4上的一个固定法兰盘9与嵌套伸缩管6一端的固定法兰盘9通过螺栓连接固定，如图5所示。

发电模块由中心分向盘1和压电片集成板2两部分组成。压电片集成板2为压电材料制成的片状矩形薄板，其一端开设有与固定法兰盘9衔接所需的螺栓孔，与一个防碰模块的嵌套伸缩管6另一端的固定法兰盘9通过螺栓连接固定，并使压电片集成板2与嵌套伸缩管6垂直，如图5所示。压电片集成板2另一端由上至下开有与其边壁平行的四个螺栓孔，且压电片集成板2在该端端壁上开有两个供导线输出供电的导线孔，内设导线将压电片集成板2的电荷输出，螺栓孔与导线孔垂直交错开设，两者不连通。如图3所示，中心分向盘1整体为圆柱体结构，其外壁沿周向等间距开设八个凹槽，凹槽两侧壁各开有与压电片集成板2边壁四个螺栓孔对应的四个螺栓孔，凹槽内壁开有与压电片集成板2端部导线孔对应的两个开孔。压电片集成板2边壁有四个螺栓孔的一端插入中心分离盘1的一个凹槽，使螺栓孔相互匹配，通过螺栓连接固定，并使压电片集成板2端部导线孔与凹槽内壁的开孔匹配对接，导线穿过开孔进入中心分向盘1内部。如图3所示，中心分向盘1内部包含上、下两个整流器8以及位于两个整流器8之间的电能收集器7，上、下两个整流器8分别与压电片集成板2端部上、下两根导线相连。整流器8和电能收集器7与中心分向盘1的间隙填充有绝缘介质，压电片集成板2产生的电能通过整流器8整流进入电能收集器7进行储存。

一个中心分向盘1与其相连的压电片集成板2构成一个发电模块。一个发电模块与其包含的所有压电片集成板2相连的防碰模块构成了一个基本单元。

如图2、图6所示，所述的一个中心分向盘1可以沿周向等间距连接4块或8块压电片集成板2，未连接压电片集成板2的中心分向盘1凹槽内壁的开孔由密封胶封堵，每块压电片集成板2又与安装在单根立管5上的1个防碰模块相连，且压电片集成板2和防碰模块组成的结构围绕中心分向盘1呈旋转镜像的形式布置。

如图7所示，所述的安装在立管5外壁的紧固套4两侧可以各与一个基本单元的一个防碰模块相连，使得多个基本单元呈阵列布置，满足实际立管5柱群的衔接要求，形成规模化的发电场。

利用所述的立管柱群振动防碰与发电装置可以实现一种立管柱群振动防碰与发电方法。如图8所示，海水流经立管5时会发生边界层分离，在立管5尾部产生周期性脱落的旋涡，从而激发立管5的振动，立管5发生振动位移后会带动与其连接的防碰模块运动，使嵌套伸缩管6发生周期性的伸缩；嵌套伸缩管6伸缩时带动与其连接的压电片集成板2运动，使压电片集成板2发生往复的弯曲变形，产生不稳定的电流，不稳定电流经导线引至中心分向盘1内部的整流器8整流，并由电能收集器7进行收集，实现发电。嵌套伸缩管6伸长时，因大、小直径管件的端口卡位限制了立管5的位移，且由于压电片集成板2和防碰模块组成的结构围绕中心分向盘1呈旋转镜像的形式布置，因此立管5之间不会发生碰撞；嵌套伸缩管6缩小时，由于弹簧3的存在，限制了立管5的位移，防止了立管5间的相互碰撞。因此，本装置在发电的同时限制了立管5的振动位移，实现了立管5柱群间的防碰功能。

实施例：

实际安装时，根据立管5柱群的立管5个数、相对位置选择按阵列安装或按一个基本单元安装，以及确定一个中心分向盘1连接的压电片集成板2个数。

单个基本单元安装时，首先将紧固套4套装于立管5外壁，然后将紧固套4一端的固定法兰盘9与嵌套伸缩管6一端的固定法兰盘9通过螺栓连接固定，将弹簧3套装于嵌套伸缩管6外，并将嵌套伸缩管6另一端的固定法兰盘9衔接固定。接着，将压电片集成板2开设有与固定法兰盘9衔接所需的螺栓孔的一端与嵌套伸缩管6自由端的固定法兰盘9通过螺栓连接固定，并使压电片集成板2与嵌套伸缩管6垂直。将压电片集成板2另一端插入中心分向盘1的凹槽，使压电片集成板2边壁的四个螺栓孔与凹槽侧壁的螺栓孔相互匹配，通过螺栓连接固定，并使压电片集成板2端部导线孔与凹槽内壁的开孔匹配对接，导线穿过开孔进入中心分向盘1内部。所安装的压电片集成板2和防碰模块组成的结构围绕中心分向盘1呈旋转镜像的形式布置。未连接压电片集成板2的中心分向盘1凹槽内壁的开孔由密封胶封堵。

阵列安装时，则通过立管5外壁的紧固套4两侧各与一个基本单元的一个防碰模块相连，使得多个基本单元呈阵列布置。

装置安装完毕后，放置于实际海流环境中。海水流经立管5时会发生边界层分离，在立管5尾部产生周期性脱落的旋涡，从而激发立管5的振动，立管5发生振动位移后会带动与其连接的防碰模块运动，使嵌套伸缩管6发生周期性的伸缩；嵌套伸缩管6伸缩时带动与其连接的压电片集成板2运动，使压电片集成板2发生往复的弯曲变形，产生不稳定的电流，不稳定电流经导线引至中心分向盘1内部的整流器8整流，并由电能收集器7进行收集，实现发电。嵌套伸缩管6伸长时，因大、小直径管件的端口卡位限制了立管5的位移，且由于压电片集成板2和防碰模块组成的结构围绕中心分向盘1呈旋转镜像的形式布置，因此立管5之间不会发生碰撞；嵌套伸缩管6缩小时，由于弹簧3的存在，限制了立管5的位移，防止了立管5间的相互碰撞。因此，本装置在发电的同时限制了立管5的振动位移，实现了立管5柱群间的防碰功能。