一种可抑制涡激振动的水下管道的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种可抑制涡激振动的水下管道，由管道下端横截面沿轴向经中心轴向上螺旋拉伸而成，下端横截面的外边界是六段60°圆弧切向首尾相连而成，六段60°圆弧按顺时针旋向依序是圆弧a、b、c、d、e、f，圆弧a的圆心O1、圆弧c的圆心O2、圆弧e的圆心O3至下横截面中心点O间的三个线段长度相等，三个线段间的夹角均为，以R=O1O2+O1A为半径作圆与圆O2、圆O3相切，O1A是圆弧a半径，相切点间圆弧为圆弧d，以O2为圆心，以半径R作圆与圆O1、圆O3相切，相切点间圆弧为圆弧f，以O3为圆心，以半径R为作圆与圆O1、圆O2相切，相切点间圆弧为圆弧b；对来流方向性不敏感，抗流强度和抑振性能优异。
【专利说明】一种可抑制涡激振动的水下管道
【技术领域】
[0001]本发明属于水下设施铺设【技术领域】，具体涉及一种可抑制水下涡激振动的管道。
【背景技术】
[0002]海洋采油、勘探等系统中有众多细长管道(或管线)结构物，用以固定平台及输送燃油等，是海洋工程船舶或是海洋平台作业时必不可少的结构物。这些管道的截面形状多为圆形，如采油立管及天然气管道等等，这些管道长期浸没在海水中，承受着水流的作用，而水流在流动过程中又因压力分布不均而产生漩涡，漩涡的形成和脱落诱发产生管道产生涡激振动现象。当漩涡脱落频率接近或是等于管道固有频率时，管道的振动加强，漩涡的脱落过程将受结构振动控制而具有与结构振动频率相同的脱落频率，产生“锁定”现象，使其处于高应力状态，加剧管道疲劳，尤其对于柔性管系的长细比很大的管道，会发生严重的变形扭曲，大大降低管道使用寿命。
[0003]目前，一般采用抑制方法抑制管道涡激振动现象，按抑制原理分为主动抑制和被动抑制两类。主动抑制是指在管道投入使用期间人为地或者通过设计动力或操控装置主动扰乱流场，控制流场漩涡脱落模式以达到抑制振动的目的。但是在实际使用中，成本很大，操作不易实施。被动抑制是指不需外部动力能量和实时控制，而是添加附属可扰流装置控制漩涡生成方式，破坏漩涡发展过程，常用的装置有整流罩、分隔板、螺旋侧板、轴向板条、控制杆等，但是成本加大，额外安装困难，其中，螺旋侧板作为圆柱体表面突起抑制装置，通过分离剪切层或分离线，扰乱漩涡发放尾流场，且因其具有各向同性，能适应复杂多变的海洋环境。但是由于螺旋侧板的存在增大了立管的迎流面积，导致沿流向阻力增加。加之其安装和控制要求较高。
[0004]根据经典流体力学理论，物体的截面形状若为流线型，粘性流体流经物体表面时不会出现边界层的离题现象，能显著地降低了漩涡发放出现的可能性。基于这一原理，当管道外形呈流线型时，抑制涡激振动的效果将会大大增强。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了更好地抑制管道涡激振动现象，根据经典流体力学原理，提供一种整体外形成螺旋式的能有效抑制任意方向来流的水下管道，无需外加动力或操控装置以及附属可扰流装置。
[0006]本发明采用的技术方案是:本发明由管道的下端横截面沿轴向经中心轴向上螺旋拉伸而成，下端横截面的外边界是六段60°圆弧切向首尾相连而成，六段60°圆弧按顺时针旋向布置依序是圆弧a、b、C、d、e、f,圆弧a的圆心O1、圆弧c的圆心O2、圆弧e的圆心O3至下横截面中心点O之间的三个线段长度相等，三个线段之间的夹角均为120°，以R=O1O2+ O1A为半径作圆与圆O2、圆O3相切，在与圆O2和圆O3相切点之间的圆弧即为圆弧d，O1A是圆弧a的半径；以O2为圆心，以半径R作圆与圆O1、圆O3相切，在与圆O1、圆O3相切点之间的圆弧即为圆弧f ;以O3为圆心，以半径R为作圆与圆O1、圆O2相切，在与圆O1、圆O2相切点之间的圆弧即为圆弧b。
[0007]本发明结构简单，整个为单一螺旋体，对来流方向性不敏感，且截面光顺呈流线型，对任意方向来流均具有抑振效果，抗流强度和抑振性能优异，可提高使用寿命；不需借助外在抑振装置，省去了额外的安装，节省了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0009]图1为本发明可抑制涡激振动的水下管道的立体结构示意图；
图2为管道下端横截面的结构放大示意图；
图3为图2的横截面结构生成示意图。
【具体实施方式】
[0010]如图1所示，本发明可抑制涡激振动的水下管道自成一体，为单一个体，将管道的下端横截面沿管道的轴向经中心轴向上螺旋拉伸而成，管道的上端横截面的形状与下端横截面的形状相同。
[0011]如图2和3所示，下端或者上端横截面的外边界是六段60°圆弧切向首尾相连而成，外围光滑流畅，这六段60°圆弧按顺时针旋向布置依序是圆弧a、b、c、d、e、f。
[0012]如图3，圆弧a在圆O1上，圆心为O1，半径为O1A，圆弧C、e分别在圆O2、圆O3上，圆弧C、e的圆心分别为O2、03。圆心O1、02、O3与横截面中心点O之间连接成三个线段，三个线段长度相等，即线段OO1= OO2 =OO3，三个线段OOk 002、OO3之间的夹角均为120°，SP
ZO1OO2 =乙O1OOz = Δ0β02 = WT。连接三个圆的圆心O1、02、03形成等边三角形O1 O203。
[0013]如图3所示，以O1为圆心，以R=O1O2+ O1A为半径作圆，所作圆即与圆O2、圆O3相切，在与圆O2和圆O3相切点之间的圆弧即为圆弧d，圆弧d位于圆心O1的的正对面；同样，以O2为圆心，以相同的R=O1O2+ O1A为半径作圆，所作圆与圆O1、圆O3相切，在与圆O1、圆O3相切点之间的圆弧即为圆弧f，以O3为圆心，以相同的R=O1O2+ O1A为半径作圆，所作圆与圆O1、圆O2相切，在与圆O1、圆O2相切点之间的圆弧即为圆弧b。这样，即形成本发明管道下端或者上端横截面的外边界。半径R与半径O1A的半径比为2-15。
[0014]半径R是管道的半径，管道的半径即管道的外边界上距离中心点O的最远距离。管道的螺距为5-40倍半径R。
[0015]若本发明用作海洋立管等有内流时，则管道为空心管道，横截面的正中间有一个半径为r的圆，半径r小于半径R，半径为r的圆的中心点是O点，即内部是圆形，
7- = 0.81(^5-1)0(? + ^^],空心管道的壁厚为R-r，壁厚可依据具体流体环境而定；若本发明只做为管线，则管道为实心体。本发明的轴向总长度依据具体应用环境而定。
[0016]本发明工作时，水流从管道的非均匀流线型外表面流过，管道各部分由于表面形状影响受力各异，且各部分边界的分离不一致，进而影响尾流场中涡流的脱落，使尾流场不能形成有效的涡激振动。此外，由于本发明的螺旋型的特点，对方向不敏感，即对任意方向的来流都可以起到抑制涡激振动的效果，当有来流时，不需通过外在抑制装置，即其自身外形就可破坏涡激流场，使其不能形成有效的涡激振动。
【权利要求】
1.一种可抑制涡激振动的水下管道，其特征是:由管道的下端横截面沿轴向经中心轴向上螺旋拉伸而成，下端横截面的外边界是六段60°圆弧切向首尾相连而成，六段60°圆弧按顺时针旋向布置依序是圆弧a、b、C、d、e、f,圆弧a的圆心O1、圆弧c的圆心O2、圆弧e的圆心O3至下横截面中心点O之间的三个线段长度相等，三个线段之间的夹角均为120° ;以R=O1O2+ O1A为半径作圆与圆O2、圆O3相切，在与圆O2和圆O3相切点之间的圆弧为圆弧CbO1A是圆弧a的半径，以O2为圆心，以半径R作圆与圆O1、圆O3相切，在与圆O1、圆O3相切点之间的圆弧为圆弧f ;以O3为圆心，以半径R为作圆与圆O1、圆O2相切，在与圆O1、圆O2相切点之间的圆弧为圆弧b。
2.根据权利要求1所述一种可抑制涡激振动的水下管道，其特征是:半径R与半径O1A之比为2-15。
3.根据权利要求1所述一种可抑制涡激振动的水下管道，其特征是:螺旋拉伸的螺距为5-40倍半径R。
4.根据权利要求1所述一种可抑制涡激振动的水下管道，其特征是:下端横截面的正中间有一个半径r = HSI(S--1)OO1 +明的圆。
5.根据权利要求1所述一种可抑制涡激振动的水下管道，其特征是:管道的上端横截面的形状与下端横截面的形状相同。
【文档编号】F16L9/00GK104154333SQ201410269528
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】朱仁庆, 吴梓鑫, 顾思琪, 夏志平, 李红艳, 骆阳, 王玲 申请人:江苏科技大学