一种主动与被动控制协同作用的立管振动抑制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种主动与被动控制协同作用的立管振动抑制装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国陆上油气资源已十分短缺，海洋油气开发力度还不高，迫使油气对外依存度节节攀高，能源危机凸显。因此，大力开发海洋油气，尤其是深海油气资源，是扭转这一局面的关键举措。作为海上平台和水下井口“生命通道”的海洋立管，能否在恶劣海洋环境中正常工作是决定深海油气高效安全开发的关键要素。当海水流经立管时，由于绕流边界层分离，会在立管两侧形成交替脱落的漩涡，从而激发立管振动。而随着开发深度的增加，海洋立管的长径比越来越大，立管柔性随之增大，由涡激振动引起的立管疲劳失效机率越来越高。一旦立管失效，不仅会造成严重的经济损失，还会对周围海洋生态环境造成无法挽回的破坏。因此，设计出能够有效抑制立管振动的装置已刻不容缓。
[0003]现有的海洋立管振动抑制装置主要分为主动控制和被动控制两种，其中主动抑制装置需要额外的能量输入，连接较为复杂，且工作条件要求相对苛刻，但抑制效果明显。而被动抑制装置主要通过改变管柱形状来实现振动抑制，包括分离盘、整流罩、附属圆柱、螺旋列板、扰流飘带等，其中分离盘、整流罩、扰流飘带等只适用于特定方向的来流，且抑制效果一般。而实际海流方向瞬息万变，亟需设计出一种能够适应多方向来流，且结合主动与被动控制优点的振动抑制装置。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的问题是针对现有海洋立管振动抑制装置存在的不足，提供一种结构简单、性能可靠，结合主动与被动控制优点，并能够适用于不同方向来流的主动与被动控制协同作用的立管涡激振动抑制装置及方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种主动与被动控制协同作用的立管振动抑制装置由上、下两个对称的旋转组件，短分离盘、长分离盘、两根带左手螺旋肋条控制杆和两根带右手螺旋肋条控制杆组成。旋转组件由内圈、外圈嵌套组合而成；内圈由对称的两半环钢质构件组成，从两侧套装在立管上，通过螺栓连接固定；内圈外侧面加工有一圈T形滑槽；外圈也由对称的两半环钢质构件组成，每一半环构件正中位置开有长方体插孔，并在半环上开设有关于长方体插孔对称的两个圆孔，圆孔内设有限位台阶，两圆孔圆心与外圈圆心的连线夹角为90° ;在两圆孔间的半环构件内侧面加工有弧长夹角为90°的T形卡扣；外圈套装在内圈外侧，并使T形卡扣旋套入内圈的T形滑槽，通过螺栓连接固定。短分离盘和长分离盘的两端均加工有长方体插销，将长方体插销插入外圈上的长方体插孔实现短分离盘和长分离盘的固定。带左手螺旋肋条控制杆上加工有左手螺旋肋条，带右手螺旋肋条控制杆上加工有右手螺旋肋条；带左手螺旋肋条控制杆和带右手螺旋肋条控制杆两端均加工有外凸圆环，将一根带左手螺旋肋条控制杆和一根带右手螺旋肋条控制杆分别插入背向立管的短分离盘左右两侧圆孔，另一根带左手螺旋肋条控制杆和另一根带右手螺旋肋条控制杆分别插入背向立管的长分离盘左右两侧圆孔，并使外凸圆环接触圆孔中的限位台阶。两根带左手螺旋肋条控制杆和两根带右手螺旋肋条控制杆卡装于上、下两个旋转组件外圈的圆孔之间，外凸圆环与限位台阶线接触，可以使带左手螺旋肋条控制杆和带右手螺旋肋条控制杆绕其中心轴旋转。
[0007]其中，带左手螺旋肋条控制杆和带右手螺旋肋条控制杆的螺旋外径d为立管外径D的0.05?0.2倍，带左手螺旋肋条控制杆和带右手螺旋肋条控制杆的长度H为?8D。带左手螺旋肋条控制杆和带右手螺旋肋条控制杆与立管I之间的间隙匕为0.1D?0.6D，短分尚盘和长分尚盘与立管I之间的间隙62为0.1D?0.6D。
[0008]一种主动与被动控制协同作用的立管振动抑制装置可以提供主动与被动控制协同作用的立管振动抑制方法，海水冲击在该装置上时，由于短分离盘和长分离盘受力大小不同，会产生一个绕立管管轴的转动力矩，使得短分离盘和长分离盘带动旋转组件和两根带左手螺旋肋条控制杆、两根带右手螺旋肋条控制杆一起绕立管管轴旋转，直到短分离盘和长分离盘与水流流向平行。带左手螺旋肋条控制杆的左手螺旋肋条受水流冲击后会带动带左手螺旋肋条控制杆发生顺时针旋转，带右手螺旋肋条控制杆的右手螺旋肋条受水流冲击后会带动带右手螺旋肋条控制杆发生逆时针旋转。背向立管的短分离盘和长分离盘左右两侧带左手螺旋肋条控制杆、带右手螺旋肋条控制杆绕各自中心轴旋转，给立管绕流边界层注入能量，延后边界层的分离点，削弱了旋涡脱落的强度，减小了脱落旋涡的大小，从而实现立管振动的无能耗主动控制。短分离盘和长分离盘分割了尾流旋涡发展的空间，进一步破坏了尾流旋涡的发展，从而实现立管振动的被动控制。在这样的主动与被动控制协同作用下，立管振动可以得到有效抑制。
[0009]本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点:
[0010]1、本发明可实现自由旋转，适用于各方向来流的振动抑制，适应流向瞬息万变的海洋现实环境；
[0011]2、本装置克服了传统主动控制的高能耗和被动控制的单一性，结合了主动与被动控制的优点，实现了主动与被动控制的协同作用；
[0012]3、本装置带有螺旋肋条的主动控制杆和分离盘均由塑料制成，受水流冲击发生旋转的响应迅速，同时能为立管提供一定浮力，成本低廉，方便更换。
【附图说明】
[0013]图1为本发明整体结构示意图
[0014]图2为本发明内圈结构示意图
[0015]图3为本发明外圈、带左手螺旋肋条控制杆和带右手螺旋肋条控制杆结构示意图
[0016]图4为本发明A-A剖面示意图
[0017]图5为本发明短分离盘和长分离盘结构示意图
[0018]图6为本发明受水流冲击后的工作示意图
[0019]其中:1.立管；2.内圈；3.外圈；4.T形卡扣；5.T形滑槽；6.短分离盘；7.长分离盘；8.带左手螺旋肋条控制杆；9.带右手螺旋肋条控制杆；10.圆孔；11.长方体插孔；12.长方体插销；13.限位台阶；14.外凸圆环；15.左手螺旋肋条；16.右手螺旋肋条。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述:
[0021]如图1所示，一种主动与被动控制协同作用的立管振动抑制装置由上、下两个对称的旋转组件，短分离盘6、长分离盘7、两根带左手螺旋肋条控制杆8和两根带右手螺旋肋条控制杆9组成。旋转组件由内圈2、外圈3嵌套组合而成；如图2所示，内圈2由对称的两半环钢质构件组成，从两侧套装在立管I上，通过螺栓连接固定；内圈2外侧面加工有一圈T形滑槽5 ;如图3、图4所示，外圈3也由对称的两半环钢质构件组成，每一半环构件正中位置开有长方体插孔11，并在半环上开设有关于长方体插孔11对称的两个圆孔10，圆孔10内设有限位台阶13，两圆孔10圆心与外圈3圆心的连线夹角为90° ;在两圆孔10间的半环构件内侧面加工有弧长夹角为90°的T形卡扣4 ;外圈3套装在内圈2外侧，并使T形卡扣4旋套入内圈2的T形滑槽5，通过螺栓连接固定。如图1、图5所示，短分离盘6和长分离盘7的两端均加工有长方体插销12，将长方体插销12插入外圈3上的长方体插孔11实现短分离盘6和长分离盘7的固定。如图1、图6所示，带左手螺旋肋条控制杆8上加工有左手螺旋肋条15，带右手螺旋肋条控制杆9上加工有右手螺旋肋条16 ;带左手螺旋肋条控制杆8和带右手螺旋肋条控制杆9两端均加工有外凸圆环14，将一根带左手螺旋肋条控制杆8和一根带右手螺旋肋条控制杆9分别插入背向立管I的短分离盘6左右两侧圆孔10，另一根带左手螺旋肋条控制杆8和另一根带右手螺旋肋条控制杆9分别插入背向立管I的长分离盘7左右两侧圆孔10，并使外凸圆环14接触圆孔10中的限位台阶13。两根带左手螺旋肋条控制杆8和两根带右手螺旋肋条控制杆9卡装于上、下两个旋转组件外圈3的圆孔10之间，外凸圆环14与限位台阶13线接触，可以使带左手螺旋肋条控制杆8和带右手螺旋肋条控制杆9绕其中心轴旋转。
[0022]其中，带左手螺旋肋条控制杆8和带右手螺旋肋条控制杆9的螺旋外径d为立管I外径D的0.05?0.2倍，带左手螺旋肋条控制杆8和带右手螺旋肋条控制杆9的长度H为?8D。带左手螺旋肋条控制杆8和带右手螺旋肋条控制杆9与立管I之间的间隙G1为0.1D?0.6D，短分尚盘6和长分尚盘7与立管I之间的间隙62为0.1D?0.6D。
[0023]一种主动与被动控制协同作