专利名称：立管阵列的涡激振动(viv)抑制的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于减小多个结构的拖曳和/或涡激振动(VIV)的系统和方法。
背景技术：
每当例如圆柱体等非流线形体在流动的流体环境中经受来流时，非流线形体可能经受涡激振动(VIV)。这些振动可由作用在表面上的振动动力造成，所述作用在表面上的振动动力可引起结构发生相当大的振动，特别是在作用频率为结构固有频率或接近结构固有频率的情况下。浮式船可用于对天然气进行液化和气化。海水可用于冷却或加热天然气。由于温度差异，可能期望将入水口和出水口分离。多个立管可用于在距离浮式船一定深度处收集或存放水。这些立管可能暴露于VIV。从存在于水体下的地下矿床钻探和/或开采石油等使水下的钻探和开采设备暴露于水流，并且可能暴露于VIV。暴露于VIV的设备包括以下结构从立管系统的较小的管、 锚固链束或支线管道到小型spar平台或spar平台浮式开采系统(后文称为spar平台) 的船体的较大的水下圆柱体。作用在立管、链束或spar平台上的应力大小可能基本上是经过这些结构的水流速度和所述结构的长度的函数，并且随经过这些结构的水流速度和所述结构的长度而增大。应注意的是，即使作用在线性结构上的流动的流体环境中的中等速度的来流仍可产生应力。当在海洋入口中或河口附近或海洋中较大深度处钻探离岸油气时，可能很容易遇到这样的中等或更高速度的来流。流动的流体环境中通常存在两种流激应力。第一种应力可由使该结构沿主要垂直于来流方向的方向振动(涡激振动)的涡激交变力造成。当流体流经该结构时，涡旋可从该结构每一侧交替脱落。这在该结构上产生横向于来流的波动力。如果该谐波载荷的频率接近该结构的固有频率中的一个，则可能发生横向于来流的大的振动。这些振动可能导致不可接受的太短疲劳寿命，取决于该结构和任何焊接部的硬度和强度。实际上，已经已知有由海洋环境中的高速来流条件产生的应力使例如立管等结构断裂并且落到海底的情况。第二类型的应力可由拖曳力造成，由于结构对流体流动的阻力，所述拖曳力沿来流方向推动该结构。拖曳力可由该结构的涡激振动加大。例如，由于涡旋脱落而振动的立管将通常比静止的立管更大地扰动其周围的水流。这可导致更多的能量从来流传递到立管， 并且因此产生更大的拖曳作用。已经开发了多种类型的装置来减小海底结构的振动和/或拖曳。用于减小海底结构由涡旋脱落造成的振动的这些装置中的一些通过使尾流稳定来工作。这些方法包括使用流线型减阻装置、尾流分裂器和鸢尾。用于减小海底结构由涡旋脱落造成的振动的装置可通过改变围绕该结构的流动的边界层以防止沿该结构长度的涡旋脱落的相关联来工作。这样的装置的实例包括套管状
4装置，例如螺旋侧板(strake)、护罩、减阻装置和基本上圆柱状的套管。风或其他流动流体中的细长结构也可能遇到可与水环境中遇到的相比的VIV和/ 或拖曳。同样，安装Viv和/或拖曳减小装置的工人到达在地面上方延伸很远的具有过大 VIV和/或拖曳力的细长结构可能很难、成本很高并且很危险。减阻装置可用于抑制作用在流动的流体环境中的结构上的VIV并且减小拖曳。减阻装置可由弦长与长度的比率限定，其中，较长的减阻装置比较短的减阻装置具有更高的比率。长减阻装置比短减阻装置在抵抗拖曳方面更有效，但是可能有不稳定的风险。短减阻装置发生不稳定的风险更低，但是可能在流动的流体环境中具有更高的拖曳力。第6，223，672号美国专利公开了一种超短减阻装置，其用于抑制基本上圆柱状的海洋元件中的涡激振动。所述超短减阻装置具有前边缘，其基本上在沿着绕其至少约270 度的距离上由海洋元件的圆形轮廓限定；并具有从海洋立管的圆形轮廓离开并且会聚于尾边缘的一对有特定形状的侧边。超短减阻装置的厚度和弦长的尺寸使得弦与厚度的比率在约1. 20和1. 10之间。第6，223，672号美国专利以其全部内容以引用的方式并入本文中。第3，978，804号美国专利公开了一种漂浮在水体中的结构，更具体地公开了一种用于从水下钻井或完井的结构。浮力构件将该结构的至少一部分支撑在水面上方。该结构由一系列平行的腿构件连接到水体底部中的锚固件。每一个腿构件由多个细长构件例如通常称为立管的大直径管构成。这些立管平行。竖直间隔的间隔件沿每一条腿的立管设置， 以(1)使立管保持固定距离间距，和( 使单独的立管的固有或谐振频率变得大于由经过立管的水的运动造成的颤动频率。第3，978，804号美国专利以其全部内容以引用的方式并入本文中。第6，089，022号美国专利公开了一种系统和方法，其用于在再次蒸发的天然气传输上岸之前，在运输船上再次气化LNG。在LNG处于其液相时，并且在其流经一个或多个蒸发器之前，将LNG的压力大幅增大，所述一个或多个气化器又设置在所述船上。从围绕所述船的水体取用的海水流经蒸发器，以加热并且蒸发LNG再次变为天然气，此后将所述天然气卸载到岸上设施。第6，089，022号美国专利以其全部内容以引用的方式并入本文中。第6，832，875号美国专利公开了一种用于液化天然气的浮式设备，具有设置有液化装置的驳船、用于接收天然气的构件和用于存储和排出液化天然气的构件。所述液化装置涉及热交换，其中液化天然气时去除的热被传递到水。所述驳船还具有容器；具有入口的端部开放的进水导管；从进水导管的出口延伸到容器的连接导管；用于从容器向换热器输送水的泵和用于排出从换热器去除的水的排水系统。连接导管具有倒U型形状，其顶部设置在容器上方。第6，832，875号美国专利以其全部内容以引用的方式并入本文中。本领域中存在对下述方面中的一个或多个的需要用于减小作用在流动的流体环境中的结构上的VIV和/或拖曳的设备和方法，其不具有现有技术设备和方法的一些缺点； 用于减小作用在流动的流体环境中的多个结构上的Viv和/或拖曳的设备和方法；用于减小作用在立管阵列或束上的VIV和/或拖曳力的设备和方法。在阅读包括其附图和权利要求书的本说明书后，本领域中的这些和其他需要将对本领域技术人员变得显而易见
发明内容
本发明的一方面提供一种系统，其包括在流动的流体环境中的结构的阵列，所述阵列包括至少3个结构；和在所述结构中的至少2个上的涡激振动抑制装置。本发明的另一方面提供一种抑制结构的阵列的涡激振动的方法，包括在所述结构的10%到90%上安装涡激振动抑制装置。本发明的优点可包括以下中的一个或多个改善了多个结构的VIV减小情况；改善了多个结构的拖曳减小情况；降低了的VIV减小的成本；和/或利用更少VIV抑制装置实现了多个结构的Viv减小。在阅读包括附图和权利要求书的本说明书后，本发明的这些和其他方面将对本领域技术人员变得显而易见。
可参照下面的描述和用于示出本发明实施例的附图来最清楚地理解本发明，附图中图1示出其中可实现本发明的实施例的海洋系统的示例。图2A是示出作为VIV抑制装置沿管状结构的长度安装的一个或多个代表性侧板的俯视剖视图。图2B是示出作为VIV抑制装置沿管状结构的长度安装的代表性减阻装置的俯视剖视图。图3A-;3H示出根据不同实施例的用于将VIV抑制装置与仅管状结构的一个子集联接的几种不同的示例性方法或构造。图4示出根据一个或多个实施例的多个管状结构的示例性方法和构造，在所述多个管状结构中，至少两个，在该例子中为至少三个管状结构具有不同的外径。图5示出根据一个或多个实施例的类似于图4的示例性方法和构造，不同之处在于，除了不同的外径之外，管状结构的一个子集还具有与其联接的VIV抑制装置。图6A示出其中可实现本发明的实施例的海洋系统的实例，所述海洋系统包括浮式液化天然气(FLNG)设备。图6B显示了根据一个特定实施例的用于浮式液化天然气(FLNG)设备的示例性方法或构造，其中九个管状结构以3 X 3矩形阵列布置。
具体实施例方式在下面的说明中，陈述了许多具体细节。但是应可理解，可在没有这些具体细节的情况下实现本发明的实施例。在其他情况中，为了不使对本说明的理解模糊不清，没有详细显示公知结构和技术。图 1图1示出其中可实现本发明的实施例的海洋系统100的示例。海洋系统包括靠近水面104例如洋面的表面结构102。举例来说，表面结构可包括轮船、驳船、船舶、FPSO(浮式生产储存卸货装置)、TLP(张力腿平台)、spar平台、海上钻机、海上平台、浮式设备、浮式液化天然气设备或本领域中已知的其他浮式或表面结构。多个管状结构106与表面结构联接。在一个特定方面，管状结构可共同用于在一定深度提供冷水来冷却用作表面结构的浮式液化天然气设备。举例来说，管状结构可连接到海洋立管张紧装置、万向接头、球形接头等。在一个实施例中，管状结构具有圆形或椭圆形横截面。在另一个实施例中，管状结构的横截面不必是圆形或椭圆形的，而是可包括其他形状，例如但是不限于矩形。在图1的图示中，可看到两个管状结构106A，106B。可任选地包括多个管状结构， 例如至少三个、至少四个、至少六个、至少九个或更多。合适的管状结构的示例包括但不限于缆线、脐带缆、立管、海洋立管、立管竖管、船用管、输送管、管道等或其组合。这些结构可一直延伸到海底108，或仅部分地延伸到海底。在一些情况下，泥、原油、水和/或其他流体或电或电信号可通过该结构传输。管状结构通过一个或多个相互连接的导向套管或其他间隔件110A，IlOB物理连接在一起或相对于彼此保持就位。间隔件将管状结构以阵列、束、组、其他有序布置方式或其他集合形式连接或保持就位。举例来说，间隔件可以包括为盘状、片状、矩形、相互连接的多边形杆、轮和轮辐形状或其他形状的金属、塑料或具有足够强度的材料。间隔件可在其中具有孔或其他开口。孔或开口中的每一个可在其中容纳或插入所述管状结构中的一个。间隔件可帮助将管一起相对靠近但是间隔开地保持，以使管不剧烈地相互撞击或相互破坏。 一个或多个管状结构可用作间隔件的结构支撑。用作间隔件的结构支撑的管状结构可(直接或间接)连接到间隔件。对于阵列中或成组的其他管状结构，这样的管状结构不需要连接到间隔件，并且在管状结构具有例如圆形或椭圆形形状的情况下，可相反具有小于间隔件中的开口的直径的外(外部)直径(包括或不包括VIV抑制装置)。或者，管状结构的外(外部)直径(包括或不包括Viv抑制装置)可以与开口的直径相似，以使管状结构或管状结构上的VIV抑制装置和间隔件可处于接触(例如压配合)。管状结构布置在具有来流112的水中并非罕见。来流112可倾向于产生管状结构的流体动力拖曳和/或涡激振动(VIV)。而且，在利用间隔件(例如间隔件110A)联接或设置在一起的管状结构的阵列中，由来流112在所述阵列中的一个管状结构上直接引起的 VIV可被施加到该阵列的其他管状结构。这样的VIV通常是不期望的，并且如果不进行抑制，可能导致管状结构损坏、疲劳甚至过早失效。因此通常期望减小管状结构的VIV。在一些实施例中，可使用VIV抑制装置来帮助抑制VIV。适用于实现本发明的实施例的VIV抑制装置或结构的实例包括但不限于侧板、减阻装置、Herming装置、护罩、尾流分裂器和其他类型的VIV抑制装置或结构。合适的VIV抑制装置公开在以下文件中代理人卷号TH1433的美国专利申请号10/839，781 ；代理人卷号THOMl的美国专利申请号11/400，365 ；代理人卷号TH2508 的美国专利申请号11/419,964 ；代理人卷号 876的美国专利申请号11/420,838 ；代理人卷号 969的美国专利申请号60/781,846 ；代理人卷号TH1500的美国专利申请号 60/805, 136 ；代理人卷号TH3112的美国专利申请号60/866,968 ；代理人卷号TH3190的美国专利申请号60/866，972 ；美国专利号5，410，979 ；美国专利号5，410，979 ；美国专利号5，421，413 ；美国专利号6，179，524 ；美国专利号6，233,672 ；美国专利号6，561,734 ； 美国专利号6，565，287 ；美国专利号6，571，878 ；美国专利号6，685，394 ；美国专利号 6，702，026 ；美国专利号7，017，666 ；和美国专利号7，070, 361，所述专利文件以其全部内容以引用的方式并入本文中。
合适的用于安装VIV抑制装置的方法公开在以下文件中代理人卷号TH1853. 04 的美国专利申请号10/784，536 ；代理人卷号 463的美国专利申请号10/848，547 ；代理人卷号 900的美国专利申请号11/596,437 ；代理人卷号的美国专利申请号 11/468，690 ；代理人卷号 875的美国专利申请号11/612，203 ；代理人卷号 879的美国专利申请号60/806，882 ；代理人卷号 842的美国专利申请号60/拟6，553 ；美国专利号6，695，539 ；美国专利号6，928，709 ；和美国专利号6，994，492中，所述专利文件以其全部内容以引用的方式并入本文中。VIV抑制装置可在管状构件放置在水体中之前或之后安装在管状构件(例如浮力材料和立管)上。VIV抑制装置可具有蛤壳构造，并且可与和铰接件相对的闭合机构铰接，所述闭合机构例如为可通过ROV操作的机构。VIV抑制装置可在其端部具有铜板，以使其与相邻的VIV抑制装置或套环一起象风标一样运行。VIV抑制装置可部分由铜制成。图 2Α-2Β图2Α-2Β显示了 VIV抑制装置或结构的两个常见类型。这些装置或结构中的每一个适用于实现一个或多个实施例。图2Α是示出作为VIV抑制装置沿管状结构206的长度安装的一个或多个代表性侧板220的俯视剖视图。所述一个或多个侧板可以是螺旋形侧板，其围绕管状结构螺旋缠绕或卷绕，并且可描述为连接到管状结构。图2Β是示出作为VIV抑制装置沿管状结构206的长度安装代表性减阻装置222 的俯视剖视图，并且可描述为连接到管状结构。减阻装置具有鼻部2Μ和尾部226。减阻装置可根据海洋来流围绕管状结构旋转。再次参照图1，最左边的管状结构106Α具有连接到其或与其连接在一起的一个或多个抑制装置或结构114Α，114Β。传统的套环(未示出)可用于防止VIV抑制装置沿所述管状结构的长度移动。最右边的管状结构106Β不具有任何与其联接的VIV抑制装置或结构。根据一些实施例，多个立管或其他管状结构中的全部或仅一子集可具有连接到其的VIV抑制装置。在这些后类的实施例中，所述多个管状结构中的一个或多个其他管状结构可不具有连接到其的VIV抑制装置。将VIV抑制装置从管状结构中的一些管状结构省去(从而仅管状结构的一个子集具有VIV管状结构)可提供一些可能的优点。一方面，在全部管状结构上设置VIV抑制装置倾向于增大总设备成本。另一方面，与没有Viv抑制装置的管状结构相比较，安装具有VIV 抑制装置的管状结构通常更难、更耗时和/或更昂贵。VIV抑制装置可能通常使管状结构更笨重、更难操纵、更难对准和/或更难与间隔件联接。同样，收回具有Viv抑制装置的管状结构以例如进行清洗、检查和/或修理通常更难、更耗时和/或更昂贵。典型地，约20%到约80%的管状结构可具有与其联接的VIV抑制装置。通常，约 30%到约70%的管状结构可具有与其联接的VIV抑制装置。在一些情况下，约40%到约 60%的管状结构可具有与其联接的VIV抑制装置。并不要求管状结构沿其全长具有VIV抑制装置。换句话说，覆盖密度(覆盖有VIV抑制装置的管状结构的长度与总长相比较)可小于1。覆盖密度也可表达为管状结构长度的百分比，并且可小于100 %。通常，覆盖密度可在约50 %到约100 %的范围内，例如约60 % 到约90%。具有VIV抑制装置的管状结构的数量或百分比可通过增大选择的管状结构的覆盖密度来减小。相反，如果需要，覆盖密度可通过增大具有VIV抑制装置的管状结构的数量或百分比来减小。图 3A-3H图3A-;3H示出根据本发明的不同实施例与管状结构的阵列、束、组或其他集合形式的管状结构子集连接的VIV抑制装置的几种不同的示例性方法或构造。这些示了沿图1的剖线3/4/5穿过间隔件IlOA和所述多个管状结构106的剖视图。间隔件将管状结构联接在一起，或以阵列、束、组、其他有序布置方式或其相联接集合形式将所述管状结构相对于彼此保持就位。在这些图示中，圆圈表示管状结构。应意识到，管状结构不需要占据间隔件IlOA 中的开口的全部横截面积。阴影圆圈表示具有与其联接的VIV抑制装置的管状结构。无阴影圆圈表示没有VIV抑制装置的管状结构。虽然图3A-;3H显示了与管状结构阵列的一个子集(例如小于全部管状结构)连接的VIV抑制装置的不同示例，但是在另一个实施例中， VIV抑制装置可连接到阵列中的管状结构的每一个。任何前面提到的VIV抑制装置都是合适的。图3A-3F示出用于布置成3 X 3矩形阵列的九个管状结构的方法或构造，在该特定情况中，所述矩形阵列为基本上方形阵列。图3A示出根据一个实施例的第一构造，其中仅在3X3矩形阵列的全部四个拐角处的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。3X3矩形阵列具有分别在四个拐角位置106A、106C、106G和1061处的管状结构。这些拐角位置在本文中称为左上拐角106A、右上拐角106C、左下拐角106G和右下拐角 1061。该阵列还具有分别在四个侧边中心位置106B、106D、106F和106H的管状结构。这些侧边中心位置本文分别称为上侧106B、下侧106H、右侧106F和左侧106D。拐角位置和侧边位置组合形成阵列外周。3X3矩形阵列还具有在中心位置106E处的管状结构。四个拐角位置处的四个管状结构为仅有的具有连接到其的VIV抑制装置的管状结构。这四个管状结构帮助为整个阵列抑制VIV。有利的是，该布置方式是结实的，并且没有显示出对到来的海洋来流角度非常敏感。除了抑制VIV，具有VIV抑制装置的管状结构的涡旋脱落频率通常低于没有VIV抑制装置的管状结构。换句话说，相对于裸管状结构而言，VIV抑制装置可倾向于帮助将管状结构的VIV的激发频率“解谐”或减小。这可增大阵列的频率分离(disassociation)。这些具有不同频率的管状结构将更不可能使其振动耦合。结果，可减小阵列的振动。具有VIV抑制装置的管状结构与不具有与其联接的VIV抑制装置的其他管状结构基本上相互散布、交错或以其他方式错开。在阵列外周，仅每隔一个的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。在这样的交错布置方式中，相邻的管状结构倾向于具有不同的激发频率。如上所讨论的，通过这样的频率分离，作用在这些管状结构上的振动更不可能耦合，并且阵列的总振动可减小。在该构造中，九个中的四个或者说约44%的管状结构包括连接到其的VIV抑制装
9置。在外周上，八个中的四个或者说50%的更高百分比的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。图IBB示出根据一个实施例的第二构造，其中仅阵列的中心位置处的管状结构和全部四个拐角位置处的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。该构造类似于图3A的构造，不同之处在于，中心位置处的管状结构也具有连接到其的VIV抑制装置。如前面所述，在该构造中，具有VIV抑制装置的管状结构基本上与不具有VIV抑制装置的管状结构交错。如前面所述，在外周上，仅每隔一个的管状结构具有VIV抑制装置。 这样的交错可倾向于增大频率分离量，这还可帮助减小由于VIV造成的损坏。在该构造中，九个中的五个，或者说约55%的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。在外周上，八个中的四个，或者说50%的更高百分比的管状结构具有连接到其的VIV 抑制装置。图3C示出根据一个示例性实施例的第三构造，其中，仅阵列的四个侧边中心位置处的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。由于处于侧边位置处而不是处于拐角位置处的管状结构具有Viv抑制装置，因此该构造基本上与图3A的构造相反。如前面所述，在该构造中，具有VIV抑制装置的管状结构基本上与不具有VIV抑制装置的管状结构交错。如前面所述，在外周上，仅每隔一个的管状结构具有VIV抑制装置。 这样的交错可倾向于增大频率分离量，这还可帮助减小由于VIV造成的损坏。在该构造中，九个中的四个，或者说约44%的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。在外周上，八个中的四个，或者说50%的更高百分比的管状结构具有连接到其的VIV 抑制装置。当已知主要为海洋、河流或其他流动流体来流时，可通过更加低数量或百分比的具有VIV抑制装置的管状结构实现充分抑制或阻尼。特别地，在一个或多个实施例中，阵列可排列为使更高百分比的具有Viv抑制装置的管状结构处于面对主要海洋来流的前排上。图3D示出根据一个示例性实施例的第四构造，其中仅处于阵列的将首先经受主要海洋来流的前排的三个拐角位置处的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。该构造类似于图3A的构造，不同之处在于处于左下拐角位置处的管状结构不具有VIV抑制装置。箭头用于标示主要海洋来流。在本文使用时，术语“主要”海洋来流是包括其一般或最常见方向的一般或最常见的海洋来流。在阵列顶侧和右侧的五个管状结构构成前排。该前排首先经受主要海洋来流。在该构造中，九个中的三个，或者说约33%的管状结构包括与其联接的VIV抑制装置。在外周上，八个中的三个，或者说约37 %的更高百分比的管状结构包括VIV抑制装置。在前排上，五个中的三个，或者说约60%的更加高百分比的管状结构具有VIV抑制装置。应注意的是，与剩余的非前排管状结构相比，更高百分比的前排管状结构具有VIV 抑制装置。正是这些管状结构首先经受主要海洋来流，并且将倾向于经受处于其最高速度的海洋来流。这些更高的速度将倾向于使这些管状结构具有最严重的VIV。但是，在更高百分比的这些前排管状结构上使用VIV抑制装置倾向于抑制大部分的VIV。另外，已经沿前排使用了交错布置方式。这有助于增大频率分离量。而且，阵列排列成使处于右上拐角位置处的管状结构在所有其他管状结构之前首先经受主要海洋来流。该管状结构将倾向于经受处于其最高速度的海洋来流，并且将倾向于具有相对大量的VIV。但是，有利的是，该管状结构具有一个或多个VIV抑制装置。还应注意的是，该布置方式在紧接着其他上游或前排管状结构的尾流的下游或直接在尾流中设置了更多的管状结构。尾流指由实心体周围的流体流动造成的实心体下游的分离流动的区域，在一些情况下为湍流。尾流中平均流体速度倾向于更低。结果，这些下游管状结构倾向于经受较小速度的海洋来流，并且倾向于具有较小的VIV。另外，在其他管状结构的尾流中并且经受较小速度来流的管状结构倾向于具有更低的涡旋脱落频率和/或激发频率。这增加阵列的频率分离，有助于减小振动。与图3A相比较，处于左下角位置处的管状结构不具有一个或多个VIV抑制装置。 该管状结构在几个上游管状结构的下游，并且倾向于经受处于相对减小速度下的海洋来流。这使得其为相对优选的省去VIV抑制装置的候选者。因此，在一个或多个实施例中，将最后经受主要海洋来流的、在阵列的所有其他管状结构之后的管状结构可不具有一个或多个VIV抑制装置。预期采用在前排具有更加强抑制量的布置方式或构造。图3E示出根据一个示例性实施例的第五构造，其中处于阵列的将首先经受主要海洋来流的前排上位置处的四个管状结构具有连接到其的VIV装置。如前面所述，箭头用于标示主要海洋来流。阵列排列成使处于右上角位置处的管状结构首先经受主要海洋来流。该排列方式将更多的管状结构设置在上游管状结构的尾流中。在阵列顶侧和右侧上的五个管状结构构成首先经受主要海洋来流的前排。在该实施例中，具有VIV抑制装置的全部四个管状结构位于前排上。在该构造中，九个中的四个，或者说约44%的管状结构具有VIV抑制装置。在外周上，八个中的四个或者说50%的更高百分比的管状结构具有VIV抑制装置。在前排上，五个中的四个，或80%的更加高百分比的管状结构具有VIV抑制装置。因此，在该实施例或构造中，与剩余的非前排管状结构相比，更加高的百分比的前排管状结构具有VIV抑制结构。图3F示出根据一个示例性实施例的第五构造，其中阵列前排上仅一个管状结构和前排下游位置处的三个管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。该设计比依赖前排上的强抑制更多地依赖频率分离。箭头标示主要海洋来流。阵列顶侧和右侧上的五个管状结构构成首先经受主要海洋来流的前排。在该情况下，仅一个具有VIV抑制装置的管状结构位于前排上。该阵列排列成使处于右上拐角位置的首先经受主要海洋来流的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。该排列方式还将更多的管状结构设置在上游管状结构的尾流中。 应注意的是，将在阵列的所有其他管状结构后面最后经受主要海洋来流的左下部管状结构不具有VIV抑制装置。在该构造中，九个中的四个，或者说约44%的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。在外周上，八个中的三个或者说约37%的管状结构具有VIV抑制装置。在前排上，五个中的一个，或者说20%的管状结构具有VIV抑制装置。不要求为图3A-3F的3X3矩形阵列。在替代实施例中，多个管状结构可具有不同的其他数量的管状结构和/或不同的其他形状(例如圆形、星形、三角形等)。
图3G示出根据一个示例性实施例的另一个示例性构造，其用于以十二根管状结构的4X3矩形阵列布置的十二根管状结构。在该构造中，利用了前排的充分抑制量和充分的频率分离量的混合。箭头标示主要海洋来流。阵列排列成使处于右上角位置处的具有联接到其的VIV 抑制装置的管状结构首先经受主要海洋来流。该排列方式也在上游管状结构的尾流中设置了多个管状结构。而且，在相对更大的阵列中，由于作用于更大数量的管状结构的干扰效应和尾流效应，倾向于存在相对更大量的固有频率分离。另外，较少的VIV抑制的管状结构可有效减小振动。因此，在相对更大的阵列中，通常可能比具有少量至中等数量管的阵列使用相对更小数量或百分比的具有VIV抑制装置的管状结构。对于具有多于12根立管的阵列，根据特定实施情况，甚至20 %或25 %的管状结构可具有VIV抑制装置。在该构造中，12个中的六个或者说50%的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。在外周上，10个中的四个或者说40%的管状结构具有VIV抑制装置。在前排上，六个中的两个或者说约33 %的管状结构具有VIV抑制装置。非矩形阵列也是合适的。图3H示出根据一个实施例的用于以同中心阵列布置的九根管状结构的另一个示例性构造。在该情况下，同中心阵列是圆形的。或者，该阵列可以是椭圆形、卵形、星形形状、三角形等。箭头用于标示主要海洋来流。该阵列布置成使具有联接到其的VIV抑制装置的管状结构首先经受主要海洋来流。具有抑制装置的管状结构基本上与没有VIV抑制装置的管状结构交错。如前面所述，在外周上，仅每隔一个的管状结构具有VIV抑制装置。在该构造中，九个中的四个，或者说约44%的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。在外周上，八个中的四个或者说50%的管状结构具有VIV抑制装置。在前排上，五个中的三个或者说60 %的管状结构具有VIV抑制装置。在图3A-3H的任何构造中，VIV抑制装置可任选为传统型，并且可由任何合适的传统用于VIV抑制装置的材料构造。如果需要，在一个或多个实施例中，保护结构，例如覆盖物、盖、减震器等可任选地包括在VIV抑制装置上，以在与VIV抑制装置发生碰撞或接触时帮助防止机械损坏。所述保护结构可由柔韧的、弹性的或柔软的材料，例如橡胶、塑料、泡沫等构成。在一方面，VIV抑制装置的段的端部可任选地逐渐变细为比抑制装置的段的其余部分的外径更小的外径，这可便于穿过间隔件安装和/或插入。典型地，如果具有安装于其上的VIV抑制装置的管状结构穿过间隔件中的开口插入，如果抑制装置的首先穿过所述开口插入的端部逐渐变细为较小的外径，则倾向于更容易将抑制装置/管状结构与所述开口对准并且将其插入所述开口中。在图3A-3H的任何构造中，在一个或多个实施例中，虽然不是必须要求的，但是可任选地使用多种不同类型和/或尺寸的VIV抑制装置，而非使用一种类型和/或尺寸的VIV 抑制装置。例如，具有VIV抑制装置的立管子集中的一些可具有第一类型的VIV抑制装置 (例如侧板)，而子集的另一些可具有第二不同类型的VIV抑制装置(例如减阻装置)。使用不同类型的VIV抑制装置的一种策略可能是改变立管的激发频率和/或增强阵列的频率分离。不同类型可任选地相对于彼此交错，以提供进一步的频率分离。
减小振动的另一种方式是通过使用具有多个不同外径的管状结构。因此，其他实施例涉及多个立管或其他管状结构，其中至少两个立管或其他管状结构具有不同外径。在一个或多个实施例中，至少三个管状结构可具有不同的外径。管状结构的直径影响其涡旋脱落频率及其VIV谐振频率。特别地，与具有较小水力直径的管状结构相比较，具有相对较大水力直径的管状结构倾向于具有较低的涡旋脱落频率和较低的激发频率。因此，在组、阵列、束或其他联接集合形式中包括具有不同外径的管状结构，可有助于通过增大阵列的频率分离水平而使组、阵列、束或其他集合形式的振动频率解谐。另外，上游管状结构通常比处于其尾流中的下游管状结构具有更高的涡旋脱落频率。因此，当相对较大直径的管状结构处于相对较小直径的管状结构下游时，通常可能产生较大的频率分离。在一个或多个实施例中，对于主要海洋来流，具有相对较大直径的管状结构可处于具有相对较小直径的管状结构的尾流中或下游。在一个或多个实施例中，对于主要海洋来流，多个上游管状结构的平均直径可小于处于其尾流中的多个下游管状结构的平均直径。典型地，最大直径可在比最小直径大5%到200%的范围内(以最小直径的百分比表达)。通常，最大直径可在比最小直径大10%到150%的范围内。在一些例子中，最大直径可在比最小直径大25%到100%的范围内。但是，该范围不受任何已知的直径差异的限制。在一个或多个实施例中，外鞘或其他涂层可包括在管状结构外部上，以增大管状结构的外径。术语涂层不限于类似油漆的涂敷方法等，而是更广泛地涵盖与管状结构的外部联接的材料。在一个或多个实施例中，具有多种不同厚度的涂层可包括在不同管状结构的外部上，以增大管状结构的外径，并且提供多种不同的外径。涂层可能用于除了增大直径以外的目的。例如，涂层可包含热绝缘材料，以使管状结构中的流体热绝缘。作为另一个示例，涂层可包含浮力材料。图4:图4示出根据一个或多个实施例的多个管状结构的示例性方法或构造，其中，至少两个，在该例子中至少三个管状结构具有不同的外径。如前面所述，该图为沿图1的剖线 3/4/5穿过间隔件110和多个管状结构106的剖视图。类似于图3A-3F，九个管状结构以3X3矩形阵列布置。在该构造中，处于中心位置处的管状结构106E和处于四个拐角位置处的四个管状结构106A、106C、106G和1061都具有第一外径。处于上侧中心位置处的管状结构106B和处于右侧中心位置处的管状结构 106F都具有第二外径。处于左侧中心位置处的管状结构106D和处于下侧中心位置处的管状结构106H都具有第三外径。如图所示，第一外径可小于第二外径，第二外径可小于第三外径。如果需要，一个或多个管状结构可具有与其他三个外径不同的另一个第四外径。箭头标示主要海洋来流。处于左侧位置的较大直径管状结构106D在处于上侧位置处的较小直径的管状结构106B的下游和尾流中。同样，处于下侧位置的较大直径管状结构106H在处于右侧位置的较小直径的管状结构106F的下游和尾流中。上游管状结构(例如106B、106C和106F)的平均直径小于其尾流中的下游管状结构(例如106D、106H和106G)
13的平均直径。图 5 还可与在管状结构的一个子集上包括VIV抑制装置相组合来使用具有不同直径的管状结构。图5示出根据一个或多个实施例的类似于图4的示例性方法和构造，不同之处在于，除了不同的外径，管状结构的一个子集还具有连接到其的VIV抑制装置。在一个实施例中，阴影圆圈为具有VIV抑制装置的管状结构。无阴影圆圈代表不具有VIV抑制装置的管状结构。在另一个实施例中，阴影圆圈为不具有抑制装置的管状结构。无阴影圆圈代表具有VIV抑制装置的管状结构。不同的外径和VIV抑制装置这两种方式都可有助于减小振动。通常，对于特定实施例，外径的变化越大，充分减小振动(包括可能没有振动)所需的VIV抑制装置的数量越小。同样，对于特定实施例，Viv抑制装置的数量越大，充分减小振动(包括可能没有振动) 所需的外径的变化越小。本发明的范围不限于图4和图5中所示的特定构造。各种其他布置方式或构造将对于本领域技术人员是显而易见的，并且具有本发明的有益效果。作为又一种对付振动的方法，与主要进行VIV抑制相反，还预期采用以下技术方案主要目的在于增加阻尼、产生频率分离或造成不同涡旋脱落频率的装置或结构可以是管状结构的阵列或其他相关联或连接集合形式的一部分，或者与管状结构的阵列或其他相关联或连接集合形式相连接。这可有助于增大系统的总抑制。这样的装置的实例包括螺旋轴向翼片、轴向非螺旋翼片和圆周翼片。在一个或多个实施例中，翼片或其他装置或结构可以是柔性的或包含柔性材料，以进一步提供阻尼。在一个或多个实施例中，吸附海洋生长物 (而不是抑制海洋生长物)的涂层可添加到管状结构外部，以增强阻尼。其他实施例涉及相关联或相连接管状结构的装配方法。一种装配方法可包括首先安装结构支撑管状结构，所述结构支撑管状结构具有一个或多个与其相连的间隔件。例如， 在图3A-3F中示出的矩形阵列中，中心管状结构(例如管状结构106E)可沿结构支撑的长度(例如结构支撑的多个段的长度)首先连接到一个或多个间隔件。然后，一个或多个其他管状结构可分别螺纹连接、插入或以其他方式引入穿过间隔件中的开口。所述管状结构可具有在引入所述开口之前连接到其的VIV抑制装置，或VIV抑制装置可之后连接。在一个或多个实施例中，在最终的组件中，一些但不是全部管状结构，或一子集的管状结构具有连接到其的VIV抑制装置。在一个或多个实施例中，在最终的组件中，多个管状结构，在一些情况下至少三个管状结构具有不同的外径。其他实施例涉及在相连接或相关联的管状结构中抑制振动的方法。在一个或多个实施例中，利用仅与相联接或相关联阵列或组的一子集的管状结构相连的VIV抑制装置抑制振动。在一个或多个实施例中，具有多种外径(例如至少三种不同外径)的管状结构可在多个不同频率下振动。图 6A 禾口 6B:图6A示出其中可实现本发明的实施例的海洋系统600的示例。该海洋系统包括在大洋表面104上/中的浮式液化天然气(FLNG)设备602。FLNG设备是表面结构的一个特定实例。FLNG设备可冷却并且液化天然气，或者加热并且气化LNG。与FLNG设备602连接的阵列或组中的一个或多个管状结构可用于从海洋向FLNG设备供水。或者，立管阵列可用作钻机立管阵列、开采立管阵列、TLP链束等。在该实施例中，海洋系统600包括多个管状结构或立管606 (例如九个管状结构)。 每一个立管具有第一端和第二端。第一端连接到FLNG设备。第二端通常向下伸入到海洋中，但是不必需伸入到海底。举例来说，第二端可具有约130到170米的深度，但是这并非要求的。由于海洋来流，管状结构606可从竖直方向偏移约40度(未示出)。为了适应这样的偏移，管状结构606可通过万向接头、球形接头、立管吊架或其他可枢转或可铰接连接器与FLNG设备连接。管状结构606与多个导向套管或间隔件610A、610B、610C物理联接或连接在一起。 间隔件可具有开口，管状结构中的相应管状结构穿过所述开口布置。在一个实施例中，可提供足够的间隔件来防止管状结构彼此碰撞。在一个实施例中，管状结构606中的一些或全部可用作进水立管。进水立管可吸入处于一定深度的冷水640，并且将冷水向上传输到FLNG设备。冷水可输入FLNG设备的换热器中，以冷却天然气来帮助液化天然气。来自换热器出口的加热的海水可在表面处排放回到海洋，或通过不同的立管或一组立管传输回到一定深度。如果需要，过滤器可任选地联接到管状结构606的底部的每一个。过滤器可有助于防止土壤、海洋生物(例如海草、海藻、鱼等)等进入管状结构中。过滤器可能倾向于随时间推移而阻塞。清洗过滤器通常相对较难。例如，将一个或多个管状结构606从阵列取下以使过滤器可进行清洗通常成本高、劳动密集和/或耗时。在一个或多个实施例中，不是每次过滤器阻塞时取下管状结构，而是可使阵列或组包括冗余进水管状结构(立管)，从而可任选地包括冗余进水管状结构，以在一些过滤器阻塞之后仍可提供充足的水。在一方面， 可使用该管状结构直到其过滤器阻塞，然后可将其取下，并且将具有清洁过滤器的新的管状结构重新提供上线。另一方面，具有VIV抑制装置的管状结构可不用于进水，并且可不具有过滤器，而是可主要用于VIV抑制，而没有VIV抑制装置的裸管可具有过滤器，并且用于进水。这些裸管状结构倾向于在其过滤器阻塞时更易于收回。图6B显示了根据一个特定实施例的用于以3X3矩形阵列布置的九个管状结构的示例性方法或构造。该图为沿图6A的剖线6B穿过多个管状结构606的剖视图。该阵列具有沿外周的八个管状结构和处于中心的一个立管。沿外周的八个管状结构可用作进水立管，以向FLNG设备提供冷水。中心处的管状结构用作间隔件的结构支撑结构(立管)。处于中心的立管可向表面传输水或可不向表面传输水(即可用作进水立管或可不用作进水立管)。在一个特定实施例中，沿外周的八个管状结构可具有约42英寸的外径和约1英寸的壁厚，而处于中心的结构支撑管状结构可具有约M英寸的外径和约0. 75英寸的壁厚。 沿外周的八个管状结构可以约一个外径或约42英寸的距离等距间隔开。为了向FLNG设备 602提供充足的冷却水，在一个实施例中，可不需要每一个管状结构在任何时刻都运行。因而，一个或多个管状结构可用作冗余进水立管。在该示例性方法或构造中，仅处于3X3矩形阵列的全部四个拐角处的管状结构具有与其连接的VIV抑制装置。或者，可任选地使用本文公开的其他布置方式或构造。实例1
在具有和不具有螺旋侧板的按比例缩小的3X3立管阵列模型上进行水箱测试。 当包括螺旋侧板时，螺旋侧板仅包括在阵列的四个拐角立管上。该构造类似于图3A中所示构造。该测试和测试结果总结在表1中。表 权利要求
1.一种系统，包括在流动的流体环境中的结构的阵列，所述阵列包括至少3个结构；和在所述结构中的至少2个上的涡激振动抑制装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述结构的阵列在水体内。
3.根据权利要求1-2中的一项或多项所述的系统，其中，所述结构的至少一端连接到浮式船。
4.根据权利要求1-3中的一项或多项所述的系统，其中，所述涡激振动抑制装置安装在所述结构的20%到80%上。
5.根据权利要求1-4中的一项或多项所述的系统，其中，所述涡激振动抑制装置安装在所述结构的30%到60%上。
6.根据权利要求1-5中的一项或多项所述的系统，其中，所述结构沿所述结构的长度在多个位置处彼此联接。
7.根据权利要求1-6中的一项或多项所述的系统，其中，所述阵列包括至少一个内部结构和围绕所述内部结构形成外周的多个外部结构，其中，所述涡激振动抑制装置安装在所述外部结构的40%到65%上。
8.根据权利要求1-7中的一项或多项所述的系统，其中所述流动的流体环境包括主要来流方向，并且其中，所述阵列中的首先遇到主要来流的结构包括至少一个涡激振动抑制装置
9.根据权利要求1-8中的一项或多项所述的系统，其中，所述涡激振动抑制装置选自侧板和减阻装置。
10.根据权利要求1-9中的一项或多项所述的系统，其中，所述涡激振动抑制装置包括至少两种不同类型的装置。
11.根据权利要求1-9中的一项或多项所述的系统，其中，所述阵列包括第一结构和第二结构，所述第一结构具有比所述第二结构大至少20%的直径。
12.根据权利要求1-11中的一项或多项所述的系统，其中，所述流动的流体环境包括主要来流方向，并且其中，所述阵列中的首先遇到主要来流的结构包括比所述阵列中的其它结构小至少15%的直径。
13.根据权利要求1-12中的一项或多项所述的系统，其中，所述阵列包括至少6个结构。
14.根据权利要求1-13中的一项或多项所述的系统，其中，所述结构包括管，每一个管包括贯穿其的用于输送流体的孔。
15.一种抑制结构的阵列的涡激振动的方法，包括 在所述结构的10%到90%上安装涡激振动抑制装置。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括将多个所述结构彼此连接。
17.根据权利要求15-16中的一项或多项所述的方法，还包括改变所述结构中的至少一个的直径，以使第一结构具有比第二结构大至少30%的直径。
18.一种系统，包括在流动的流体环境中的结构的阵列，所述阵列包括至少3个结构，其中，所述结构沿所述结构的长度在多个位置处彼此联接；和在所述结构的至少2个上的涡激振动抑制装置，并且其中，所述结构中的至少一个不包括涡激振动抑制装置。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述涡激振动抑制装置安装在所述结构的 20%到 90%上。
20.根据权利要求18-19中的一项或多项所述的系统，其中，所述涡激振动抑制装置安装在所述结构的40%到70%上。
全文摘要
本发明公开了一种系统，包括在流动的流体环境中的结构的阵列，所述阵列包括至少3个结构；和在所述结构中的至少2个上的涡激振动抑制装置。
文档编号E21B17/01GK102292556SQ200980155122
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年1月22日
发明者D·L·亨宁, D·W·艾伦, G·L·凯珀, L·李, M·埃夫蒂米乌 申请人:国际壳牌研究有限公司