一种内设导流涵洞的梭形锥状体抑振装置及方法与流程

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种内设导流涵洞的梭形锥状体抑振装置及方法。

背景技术：

石油、天然气等不可再生能源仍是目前国民经济发展中不可替代的战略资源。陆上油气资源探明储量的下降迫切要求人们将目光转向于面积辽阔、油气资源丰富的深海区域。在海洋油气开采中，立管是必不可少的关键部件，它负责连接水下井口与海面作业设施，是油气流举升的重要通道。立管在深海环境下的安全稳定性极其重要，其几乎完全浸没于海水中，疲劳损伤是造成立管失效的主要原因，而疲劳损伤又主要归因于波浪和海流作用形成的涡激振动。当一定流速的海流或波浪流经立管时，会在立管背部形成交替脱落的旋涡，旋涡的脱落对立管构成了周期性的交替力，致使立管在流向和横向产生振动。一旦立管因振动发生疲劳失效，不仅会产生重大漏油事故，造成巨大的经济损失，还会对海洋环境构成灾难性破坏。

因此，抑制立管振动是海洋工程领域的热点问题。目前，有学者提出改变材料固有频率来避开旋涡脱落频率以免共振，其可以躲开共振，但无法避免振动。更多的学者从立管表面形状入手，通过改变立管表面形状，使边界层分离点后移，减少旋涡的形成来抑制涡激振动。现有抑制装置诸如螺旋列板、分离盘、飘带、扰流板、整流罩等，但分离盘、飘带、整流罩等只可以实现单一来流方向上的涡激振动抑制，而实际海洋环境中，海流和波浪的方向随机变化；螺旋列板虽然可以实现任意来流方向上的涡激振动抑制，但其存在增大了立管的拖曳力。因此，设计一种能够应对任意方向来流且具有明显涡激振动抑制效果的装置非常必要。

技术实现要素：

本发明所解决的问题是针对现有立管涡激振动抑制装置及方法的不足，提供一种现场安装方便、可以应对任意方向来流的内设导流涵洞的梭形锥状体抑振装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种内设导流涵洞的梭形锥状体抑振装置由梭形锥状体套筒、翅片及轴承组成。梭形锥状体套筒中部开有与其中轴同轴的圆柱形孔洞，梭形锥状体套筒通过其圆柱形孔洞套装于立管外壁，圆柱形孔洞内壁两端设有内螺纹。梭形锥状体套筒的外表面是由圆心角为35°弧长为18倍立管直径的圆弧绕立管轴向旋转360°所形成的圆弧面，并且表面粗糙。梭形锥状体套筒内部由上至下关于立管管轴对称开设有一对交错的逆时针盘旋上升导流涵洞(逆时针盘旋上升导流涵洞一和逆时针盘旋上升导流涵洞三)、一对交错的顺时针盘旋上升导流涵洞(顺时针盘旋上升导流涵洞一和顺时针盘旋上升导流涵洞三)、一对交错的逆时针盘旋上升导流涵洞(逆时针盘旋上升导流涵洞二和逆时针盘旋上升导流涵洞四)、一对交错的顺时针盘旋上升导流涵洞(顺时针盘旋上升导流涵洞二和顺时针盘旋上升导流涵洞四)，四对交错导流涵洞所在位置沿立管管轴方向均匀分布。梭形锥状体套筒的外表面由上至下布设有4个翅片，翅片的长度方向沿立管轴向布置，4个翅片沿梭形锥状体套筒外表面周向相互间隔90°，且呈螺旋下降布置。轴承为中间设圆柱滚子的内外圈结构，轴承有两个，按间隔一个梭形锥状体套筒高度安装于立管外壁。两个轴承外圈外壁均设有外螺纹，分别与梭形锥状体套筒圆柱形孔洞两端表面内螺纹啮合，使梭形锥状体套筒与两端轴承外圈连接成为一体，从而使梭形锥状体套筒可绕立管旋转。

利用所述的内设导流涵洞的梭形锥状体抑振装置可以提供一种内设导流涵洞的梭形锥状体抑振方法。任意方向来流流至梭形锥状体套筒后，由于梭形锥状体套筒表面有16个导流涵洞洞口，可以从不同方位引导来流，使水流沿导流涵洞流进与流出，形成沿梭形锥状体套筒外表面的周向剪切流，有效地扰乱立管四周的绕流流场分布，破坏了绕流边界层，抑制了立管背部的旋涡脱落。且由于导流涵洞呈螺旋上升状，可以调动不同深度的水流，对垂向不同水深处的流场产生扰动，破坏三维旋涡的形成。同时，梭形锥状体套筒外表面粗糙，对绕流边界层构成破坏，削弱了尾流旋涡强度，进一步抑制了涡激振动。另外，水流冲击在螺旋布置的4个翅片上时，会对翅片产生冲击力，推动梭形锥状体套筒绕立管转动，进一步调整流场分布，更大程度地实现涡激振动的抑制。在导流涵洞导流、翅片带动梭形锥状体套筒转动及粗糙表面的共同作用下，实现了立管涡激振动的抑制。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明适应流向变化的海洋环境，通过导流涵洞导流、翅片带动梭形锥状体套筒转动及粗糙表面的共同作用，使涡激振动抑制效果达到最佳，延长立管的使用寿命；

2、本发明的梭形锥状体套筒由塑料制成，耐腐蚀、成本低。

附图说明

图1为本发明装置的立体结构示意图

图2为本发明装置导流涵洞空间布位示意图

图3为本发明装置导流涵洞剖去一半表面的示意图

图4为本发明装置轴承结构示意图

图5为本发明装置轴承内、外圈及单个圆柱滚子示意图

图6为本发明装置翅片空间布位示意图

图7为本发明装置翅片俯视图

图8为本发明装置梭形锥状体套筒端部示意图

其中：1.立管；2.梭形锥状体套筒；3.翅片；4.轴承外圈；51.逆时针盘旋上升导流涵洞一；52.逆时针盘旋上升导流涵洞二；53.逆时针盘旋上升导流涵洞三；54.逆时针盘旋上升导流涵洞四；61.顺时针盘旋上升导流涵洞一；62.顺时针盘旋上升导流涵洞二；63.顺时针盘旋上升导流涵洞三；64.顺时针盘旋上升导流涵洞四；7.轴承内圈；8.圆柱滚子。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施作进一步描述：

如图1所示，一种内设导流涵洞的梭形锥状体抑振装置由梭形锥状体套筒2、翅片3及轴承组成。梭形锥状体套筒2中部开有与其中轴同轴的圆柱形孔洞，梭形锥状体套筒2通过其圆柱形孔洞套装于立管1外壁，圆柱形孔洞内壁两端设有内螺纹，如图8所示。梭形锥状体套筒2的外表面是由圆心角为35°弧长为18倍立管1直径的圆弧绕立管1轴向旋转360°所形成的圆弧面，并且表面粗糙。如图2、图3所示，梭形锥状体套筒2内部由上至下关于立管1管轴对称开设有一对交错的逆时针盘旋上升导流涵洞(逆时针盘旋上升导流涵洞一51和逆时针盘旋上升导流涵洞三53)、一对交错的顺时针盘旋上升导流涵洞(顺时针盘旋上升导流涵洞一61和顺时针盘旋上升导流涵洞三63)、一对交错的逆时针盘旋上升导流涵洞(逆时针盘旋上升导流涵洞二52和逆时针盘旋上升导流涵洞四54)、一对交错的顺时针盘旋上升导流涵洞(顺时针盘旋上升导流涵洞二62和顺时针盘旋上升导流涵洞四64)，四对交错导流涵洞所在位置沿立管1管轴方向均匀分布。如图6、图7所示，梭形锥状体套筒2的外表面由上至下布设有4个翅片3，翅片3的长度方向沿立管1轴向布置，4个翅片3沿梭形锥状体套筒2外表面周向相互间隔90°，且呈螺旋下降布置。如图4、图5所示，轴承为中间设圆柱滚子8的内外圈结构，轴承有两个，按间隔一个梭形锥状体套筒2高度安装于立管1外壁。两个轴承外圈4外壁均设有外螺纹，分别与梭形锥状体套筒2圆柱形孔洞两端表面内螺纹啮合，使梭形锥状体套筒2与两端轴承外圈4连接成为一体，从而使梭形锥状体套筒2可绕立管1旋转。

利用所述的内设导流涵洞的梭形锥状体抑振装置可以提供一种内设导流涵洞的梭形锥状体抑振方法。任意方向来流流至梭形锥状体套筒2后，由于梭形锥状体套筒2表面有16个导流涵洞洞口，可以从不同方位引导来流，使水流沿导流涵洞流进与流出，形成沿梭形锥状体套筒2外表面的周向剪切流，有效地扰乱立管1四周的绕流流场分布，破坏了绕流边界层，抑制了立管1背部的旋涡脱落。且由于导流涵洞呈螺旋上升状，可以调动不同深度的水流，对垂向不同水深处的流场产生扰动，破坏三维旋涡的形成。同时，梭形锥状体套筒2外表面粗糙，对绕流边界层构成破坏，削弱了尾流旋涡强度，进一步抑制了涡激振动。另外，水流冲击在螺旋布置的4个翅片3上时，会对翅片3产生冲击力，推动梭形锥状体套筒2绕立管1转动，进一步调整流场分布，更大程度地实现涡激振动的抑制。在导流涵洞导流、翅片3带动梭形锥状体套筒2转动及粗糙表面的共同作用下，实现了立管1涡激振动的抑制。

实施例：

装置安装时，首先将两个轴承按间隔一个梭形锥状体套筒2高度安装于立管1外壁，然后将梭形锥状体套筒2套装于立管1外壁，并使梭形锥状体套筒2圆柱形孔洞两端表面内螺纹分别与上、下两个轴承外圈4外壁的外螺纹啮合，使梭形锥状体套筒2可绕立管1旋转。

安装完毕后，将立管1置于海水中。任意方向来流流至梭形锥状体套筒2后，由于梭形锥状体套筒2表面有16个导流涵洞洞口，可以从不同方位引导来流，使水流沿导流涵洞流进与流出，形成沿梭形锥状体套筒2外表面的周向剪切流，有效地扰乱立管1四周的绕流流场分布，破坏了绕流边界层，抑制了立管1背部的旋涡脱落。且由于导流涵洞呈螺旋上升状，可以调动不同深度的水流，对垂向不同水深处的流场产生扰动，破坏三维旋涡的形成。同时，梭形锥状体套筒2外表面粗糙，对绕流边界层构成破坏，削弱了尾流旋涡强度，进一步抑制了涡激振动。另外，水流冲击在螺旋布置的4个翅片3上时，会对翅片3产生冲击力，推动梭形锥状体套筒2绕立管1转动，进一步调整流场分布，更大程度地实现涡激振动的抑制。在导流涵洞导流、翅片3带动梭形锥状体套筒2转动及粗糙表面的共同作用下，实现了立管1涡激振动的抑制。