一种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制装置及方法，其特征在于：装置由多个基本单元组合而成，所述的基本单元又由内圈、外圈以及摆锤组成。内圈套装在立管外，外圈套装在内圈外，外圈周向均匀布置三个摆锤，摆锤头轻尾重，在海流作用下会绕悬杆转动。摆锤受到的海流冲击力在外圈的切向存有分力，可驱使摆锤带动外圈绕立管旋转，在内圈的外凸圆环和外圈的环槽配合下，带摆锤自由旋转的外圈将破坏立管的绕流流场，干扰立管后方漩涡的形成，从而实现涡激振动的抑制。本发明整体结构由塑料加工而成，成本低廉，耐腐蚀，可重复使用。
【专利说明】一种受冲可旋摆锤式涡激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】，具体涉及一种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着陆地油气资源供应的日益短缺，深海油气开采受到了前所未有的关注。但深海开采作业涉及大量的细长圆柱结构物，如钻井隔水管、采油立管和悬跨海底管线等，它们的总造价超过整个深海开采系统的百分之五十。这些海洋管线长期暴露在波浪、海流等复杂海洋环境下，当波浪、海流以一定流速流经海洋管线时，会在管线后方产生周期性脱落的漩涡，当漩涡的脱落频率与海洋管线的某一阶固有频率接近时，就会引发涡激振动，从而加剧海洋管线的疲劳破坏。海洋管线系统的破坏，不仅会导致设备损坏、油气田停产，造成巨大的经济损失，还会污染海域，破坏海洋生态环境。
[0003]为了减少涡激振动对海洋管线的破坏作用，延长海洋管线的使用寿命，通常在海洋管线上安装涡激振动抑制装置，改变海洋管线表面的形状以改变管线周围的流场，削弱周期性漩涡的形成和发展。海洋管线涡激振动抑制装置主要有螺旋列板、分离盘、整流罩和叉排浮块等。它们中有些装置结构复杂，有些造价昂贵，且大多数不能自由旋转，无法应对来流方向任意变化的实际海洋工况。目前仅有公示期专利CN 102071883 A(采用可旋转整流罩的水下立管涡激振动抑制装置)以及公示期专利CN 102134972 A (仿鱼尾式整流罩的水下立管涡激振动装置)中提到的装置可以实现绕管线的转动，但仍受到来流角度的限制，不能够完全应对任意角度来流。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的问题是针对现有海洋管线涡激振动抑制装置存在的不足，提供一种结构简单，性能可靠，现场安装方便，并能够适应任意方向来流的受冲可旋摆锤式涡激振动抑制装置及方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制装置，由多个基本单元沿海洋立管轴线方向串列组合而成，所述的基本单元又由内圈、外圈以及摆锤组成。内圈是由对称的两半圆筒塑料制构件组成，其外表面沿垂向等间距设置有四个大小相同的外凸圆环，外凸圆环的横截面为半圆，沿内圈外表面环绕一周。内圈的两半圆筒从两侧套装固定在海洋立管上，两半圆筒两端均设有内圈螺栓孔，两半圆筒之间通过螺栓连接。外圈由3片相同的圆心角为120°的圆筒塑料制构件组成，在其内表面对应内圈外凸圆环的位置加工有环槽。外圈内表面的环槽横截面为3/4圆弧，环槽直径大于内圈的外凸圆环直径。外圈的每片120°圆筒两侧端面均有端部翼板，端部翼板上开有用于连接的外圈螺栓孔。3片120°圆筒通过螺栓连接，使外圈套装在内圈外面，并使内圈的外凸圆环和外圈的环槽对接。每片120°圆筒上下两端设有轴向止动片，以限制外圈的轴向滑动。每片120°圆筒的中心线上开有螺孔，螺孔与悬杆一端的螺纹咬合，将悬杆固定在外圈上，与螺孔连接的悬杆螺纹尾部有一段直径增大的凸环。摆锤通过其锐角端的环孔悬挂在悬杆上，摆锤剖面是斜边为弧线的直角三角形。悬杆另一端的螺纹由螺母咬合，通过螺母与悬杆上的凸环共同限制摆锤沿悬杆轴向滑动。
[0006]—种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制方法，在立管外安装固定内圈，在内圈外安装外圈，外圈由3片120°圆筒组成，每片120°圆筒外壁悬挂I个摆锤，共3个摆锤，呈120°均匀分布在外圈外。摆锤头轻尾重，剖面是斜边为弧线的直角三角形，其锐角端悬挂在悬杆上。海流作用在摆锤弧面上的压力，将迫使摆锤绕悬杆转动。在摆锤绕悬杆的转动达到平衡位置时，摆锤受到的海流冲击力在外圈的切向存有分力，将驱使摆锤带动外圈绕立管旋转，在内圈的外凸圆环和外圈的环槽配合下，带摆锤自由旋转的外圈将破坏立管的绕流流场，干扰立管后方漩涡的形成，从而实现涡激振动的抑制。
[0007]本发明还包括:
1、内圈的内径与立管的外径D相同，内圈的高度Hin为4D?6D，厚度为0.06D?0.09D ；
2、外圈的高度Hwt与内圈的高度Hin相同，外圈的厚度为0.06D?0.09D ；
3、静止时的摆锤沿立管轴线方向的直角边长度为2D?3D，另一直角边长度为0.4D?
0.6D ；
4、摆锤固定在外圈上的位置距外圈顶端0.2D?0.[0008]本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点:
1、本发明的摆锤可绕悬杆转动，还可带动外圈绕立管旋转，有效破坏了立管的绕流流场，并能应对任意方向来流；
2、本发明由塑料加工而成,成本低廉,耐腐蚀,可重复使用；
3、本发明可根据现场实际情况，调整基本单元在立管上的覆盖率及调节各基本单元之间的距离，以达到最佳的抑制效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明装置立体结构示意图 图2为本发明装置内圈立体结构示意图
图3为本发明装置外圈、悬杆、摆锤的结构示意图
其中:1.立管；2.内圈；3.外凸圆环；4.内圈螺栓孔；5.外圈；6.环槽；7.端部翼板；8.外圈螺栓孔；9.轴向止动片；10.螺孔；11.悬杆；12.摆锤；13.螺母。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
[0011]本发明由多个基本单元沿海洋立管轴线方向串列组合而成，如图1、图2、图3所示，本发明的一个基本单元又由内圈2、外圈5以及摆锤12组成。
[0012]内圈2是由对称的两半圆筒塑料制构件组成，其外表面沿垂向等间距设置有四个大小相同的外凸圆环3,外凸圆环3的横截面为半圆，沿内圈2外表面环绕一周。内圈2的两半圆筒从两侧套装固定在海洋立管I上，两半圆筒两端均设有内圈螺栓孔4，两半圆筒之间通过螺栓连接。
[0013]外圈5由3片相同的圆心角为120°的圆筒塑料制构件组成，在其内表面对应内圈2外凸圆环3的位置加工有环槽6。外圈5内表面的环槽6横截面为3/4圆弧,环槽6直径大于内圈2的外凸圆环3直径。
[0014]外圈5的每片120°圆筒两侧端面均有端部翼板7，端部翼板7上开有用于连接的外圈螺栓孔8。3片120°圆筒的端部翼板7两两对齐，通过螺栓连接，使外圈5套装在内圈2外面，并使内圈2的外凸圆环3和外圈5的环槽6对接。
[0015]外圈5的每片120°圆筒上下两端设有轴向止动片9,以限制外圈5安装好后的轴向滑动。轴向止动片9与内圈2间留有缝隙，以减少旋转时的摩擦，同时轴向止动片9与内圈2外表面的外凸圆环3和外圈5内表面的环槽6共同作用，限制安装好后的外圈5沿立管I轴向的上下移动。
[0016]外圈5的每片120°圆筒的中心线上开有螺孔10，螺孔10与悬杆11 一端的螺纹咬合，将悬杆11固定在外圈5上，与螺孔10连接的悬杆11螺纹尾部有一段直径增大的凸环。摆锤12通过其锐角端的环孔悬挂在悬杆11上，摆锤12剖面是斜边为弧线的直角三角形。悬杆11另一端的螺纹由螺母13咬合，通过螺母13与悬杆11上的凸环共同限制摆锤12沿悬杆11轴向滑动。
[0017]所述的内圈的内径与立管的外径D相同，内圈的高度Hin为4D?6D，厚度为
0.06D?0.09D。所述的外圈的高度Htjut与内圈的高度Hin相同，外圈的厚度为0.06D?
0.09D。所述的摆锤在静止时沿立管轴线方向的直角边长度为2D?3D，另一直角边长度为
0.4D?0.6D。所述的摆锤固定在外圈上的位置距外圈顶端0.2D?0.[0018]一种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制方法，在立管I外安装固定内圈2，在内圈2外安装外圈5，外圈5由3片120°圆筒组成，每片120°圆筒外壁悬挂I个摆锤12，共3个摆锤12，呈120°均匀分布在外圈5外。摆锤12头轻尾重，剖面是斜边为弧线的直角三角形，其锐角端悬挂在悬杆11上。海流作用在摆锤12弧面上的压力，将迫使摆锤12绕悬杆11转动。在摆锤12绕悬杆11的转动达到平衡位置时，摆锤12受到的海流冲击力在外圈5的切向存有分力，将驱使摆锤12带动外圈5绕立管I旋转，在内圈2的外凸圆环3和外圈5的环槽6配合下，带摆锤12自由旋转的外圈5将破坏立管I的绕流流场，干扰立管I后方漩涡的形成，从而实现涡激振动的抑制。
[0019]海洋立管I在水下通常为几百米至上千米不等，为了确保抑制效果，可以根据实际情况，调整基本单元在立管I上的覆盖率及调节各基本单元之间的距离，以达到理想的抑制效果。
[0020]具体实施例:
根据实际海洋立管I的长细比和当地海洋波浪、海流的常年统计信息，设计合理的基本单元间距和基本单元在立管I上的覆盖率，计算出需要的基本单元个数Π，即内圈2的半圆筒个数2η，外圈5的120°圆筒个数为3η，悬杆11、摆锤12、螺母13的个数也为3η。
[0021]在安装单个基本单元时，首先将内圈2的两个半圆筒从两侧套装在海洋立管I的表面，通过螺栓连接固定；固定好内圈2后，再将外圈5的3片120°圆筒从外侧套装在内圈2的外表面,对齐端部翼板7,通过螺栓连接,并使内圈2的外凸圆环3和外圈5的环槽6对接；外圈5的上下两个端面向内伸出的两个轴向止动片9与内圈2间留有缝隙，以减少旋转时的摩擦，同时轴向止动片9可限制安装好后的外圈5沿立管I轴向的上下移动。安装好外圈5后，将悬杆11带凸环的螺纹端与外圈5上的螺孔10咬合，使悬杆11固定在外圈5上。然后，将摆锤12锐角端的环孔传入悬杆11，并用螺母13咬合悬杆11的外端螺纹。通过螺母13与悬杆11上的凸环共同限制摆锤12沿悬杆11轴向滑动。其他两个摆锤的安装方法一样。待3个摆锤都安装好后，至此，安装完成了一个基本单元。随后，按照同样的安装顺序串列安装剩余的基本单元。
[0022]装置安装完毕后，将海洋立管I置于海水中。在不同深度的海水中，每个基本单元可根据对应的来流方向和速度大小，实现摆锤12绕悬杆11的转动，并通过内圈2的外凸圆环3和外圈5内表面的环槽6配合，实现摆锤12带动外圈5绕立管I旋转，从而破坏立管I的绕流流场，干扰立管I后方漩涡的形成，最大程度地抑制涡激振动。
【权利要求】
1.一种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制装置，由多个基本单元沿海洋立管轴线方向串列组合而成，其特征在于:所述的基本单元又由内圈(2)、外圈(5)以及摆锤(12)组成；内圈(2)是由对称的两半圆筒塑料制构件组成，其外表面沿垂向等间距设置有四个大小相同的外凸圆环(3),外凸圆环(3)的横截面为半圆，沿内圈(2)外表面环绕一周；内圈(2)的两半圆筒从两侧套装固定在海洋立管(I)上，两半圆筒两端均设有内圈螺栓孔(4)，两半圆筒之间通过螺栓连接；外圈(5)由3片相同的圆心角为120°的圆筒塑料制构件组成，在其内表面对应内圈(2)外凸圆环(3)的位置加工有环槽(6);外圈(5)内表面的环槽(6)横截面为3/4圆弧,环槽(6)直径大于内圈(2)的外凸圆环(3)直径；外圈(5)的每片120°圆筒两侧端面均有端部翼板(7)，端部翼板(7)上开有用于连接的外圈螺栓孔(8) ；3片120°圆筒通过螺栓连接，使外圈(5)套装在内圈(2)外面，并使内圈(2)的外凸圆环(3)和外圈(5)的环槽(6)对接；每片120°圆筒上下两端设有轴向止动片(9)，以限制外圈(5)的轴向滑动；每片120°圆筒的中心线上开有螺孔(10)，螺孔(10)与悬杆(11) 一端的螺纹咬合，将悬杆(11)固定在外圈(5)上，与螺孔(10)连接的悬杆(11)螺纹尾部有一段直径增大的凸环；摆锤(12)通过其锐角端的环孔悬挂在悬杆(11)上，摆锤(12)剖面是斜边为弧线的直角三角形；悬杆(11)另一端的螺纹由螺母(13)咬合，通过螺母(13)与悬杆(11)上的凸环共同限制摆锤(12)沿悬杆(11)轴向滑动。
2.—种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制方法，其特征在于:在立管(I)外安装固定内圈(2)，在内圈(2)外安装外圈(5)，外圈(5)由3片120°圆筒组成，每片120°圆筒外壁悬挂1个摆锤(12)，共3个摆锤(12)，呈120°均匀分布在外圈(5)外；摆锤(12)头轻尾重，剖面是斜边为弧线的直角三角形，其锐角端悬挂在悬杆(11)上；海流作用在摆锤(12)弧面上的压力，将迫使摆锤(12 )绕悬杆(11)转动；在摆锤(12 )绕悬杆(11)的转动达到平衡位置时，摆锤(12)受到的海流冲击力在外圈(5)的切向存有分力，将驱使摆锤(12)带动外圈(5)绕立管(I)旋转，在内圈(2)的外凸圆环(3)和外圈(5)的环槽(6)配合下，带摆锤(12)自由旋转的外圈(5)将破坏立管(I)的绕流流场，干扰立管(I)后方漩涡的形成，从而实现涡激振动的抑制。
3.如权利要求1所述一种受冲可旋摆锤式涡激振动抑制装置，其特征在于，所述的内圈(2)的内径与立管(I)的外径D相同，内圈(2)的高度Hin为4D-6D，厚度为0.06D-0.09D ;所述的外圈(5)的高度Htjut与内圈(2)的高度Hin相同，外圈(5)的厚度为0.06D-0.09D ;所述的摆锤(12)在静止时沿立管(I)轴线方向的直角边长度为2D-3D，另一直角边长度为0.4D-0.6D ;所述的摆锤(12)固定在外圈(5)上的位置距外圈(5)顶端0.2D-0.5D0
【文档编号】F15D1/12GK103437718SQ201310418962
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】朱红钧, 马粤, 林元华, 冯光, 刘清友, 赵洪南, 韩青华, 潘倩 申请人:西南石油大学