一种可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制装置及方法与流程

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制装置及方法。

背景技术：

海洋油气储量丰富，其勘探开发已从浅海延伸至深海，面对深海恶劣的海洋环境，钻采作业的装备受到了严峻的挑战。海洋立管首当其冲，作为连接海底与海面的关键流体通道，其重要性和安全性不言而喻。长期暴露于深水中的海洋立管承受着海流的冲击、海水的腐蚀等物理化学危害。特别地，海流流速在一定范围时，从立管两侧泄放的旋涡会使立管振动频率锁定在固有频率，激发大幅振动，从而诱使立管发生疲劳断裂，引发不可估量的灾难性事故。为了降低由旋涡引发的振动对海洋立管的影响，通常的做法是在立管上安装附属的振动抑制装置。

常见的抑制装置主要分为两种：主动控制和被动控制。主动控制通过消耗外部能量主动干扰绕流流场，如旋转控制杆。主动控制需要消耗外部能量，安装不便且成本较高，在实际工程中很少采纳。被动控制主要通过改变立管的表面形状或附加额外的装置来改变绕流剖面，从而影响旋涡的产生和发展，如分离盘、整流罩、螺旋列板等。然而，它们对来流方向及流速较敏感，往往只能在局限的流速和流向工况下发挥抑制成效。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是针对现有海洋立管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、能够自动适应任意方向来流的可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制装置，由两个旋转支撑架和四块波状孔板组成。旋转支撑架为内、外圈嵌套的轴承，由内至外分别为轴承内圈、圆柱滚子和滚子保持架、轴承外圈，圆柱滚子由滚子保持架限位，并内嵌于轴承内圈和轴承外圈之间；旋转支撑架轴承内圈的内径等于立管外径，轴承外圈的外表面沿周向等间距分布四块支撑板，每块支撑板上开有两个垂向贯穿支撑板的内螺孔，内螺孔的轴线与旋转支撑架的轴线平行；两个旋转支撑架按间隔一块波状孔板的高度套装固定在立管外壁上。

波状孔板为一垂向截面成线性波浪状起伏的开孔薄板，波状孔板在垂向上、下等宽，波状孔板的上端面和下端面分别开有与上旋转支撑架和下旋转支撑架的支撑板内螺孔对应的螺纹孔，通过螺栓将四块波状孔板沿立管周向等间距固定在旋转支撑架上。波状孔板表面开有三列扰流孔，扰流孔贯穿波状孔板，同一列上的扰流孔直径相同，不同列的扰流孔直径不同，扰流孔直径沿立管径向由内至外孔径逐渐减小，即靠近立管的扰流孔最大，远离立管的扰流孔直径最小。

利用所述的可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制装置可以提供一种可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制方法。无论海流从哪个方向流经立管，都至少有两块波状孔板与海流形成攻角，波状孔板在海流的冲击下形成扭矩，从而带动整个装置绕立管旋转。旋转的波状孔板对立管周围的绕流流场不断切割，严重扰乱了边界层的分离和绕流旋涡的形成。同时，海流在波状孔板表面存在垂向和径向的流动调整，一方面，由于波状孔板在垂向成波状起伏，部分海流沿着波状孔板表面发生垂向运动，使得不同深度的海流发生空间上的调动，削弱了海流在平面上的绕流动能，改变了原来立管绕流的三维旋涡结构；另一方面，波状孔板上的扰流孔沿径向直径大小不一，使得部分海流从立管外侧转移到立管内侧大孔径的扰流孔通过，产生了径向上的流动调整，而较多的海流从立管内侧大孔径扰流孔通过时，给立管的绕流边界层注入了动量，延迟了立管绕流边界层的分离，从而减小尾流的宽度，降低立管前后的压差阻力。此外，海流通过旋转的波状孔板的扰流孔时形成了局部射流，进一步干扰了立管的绕流流场，且不同孔径的扰流孔处形成的局部射流速度大小不一，增加了绕流流场的紊动程度。因此，在旋转波状孔板的流场切割、海流垂向和径向的空间流动调整、扰流孔局部射流的共同作用下，使立管平面绕流动能减小，绕流流场受到深度干扰，破坏了尾部旋涡的形成和三维旋涡结构，从而实现涡激振动的抑制。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明装置的波状孔板在任意方向海流的冲击下，都可以带动旋转支撑架绕立管旋转，适应流向复杂多变的海洋环境；

2、本发明装置的波状孔板由轻质材料一次性加工而成，安装便捷，耐腐蚀。

附图说明

图1为本装置整体结构示意图；

图2为本装置单个波状孔板及旋转支撑架的拆分示意图；

图3为本装置旋转支撑架结构示意图；

图4为安装本装置前后立管绕流示意图；

其中：1、立管；2、波状孔板；3、扰流孔；4、旋转支撑架；5、轴承内圈；6、轴承外圈；7、圆柱滚子；8、滚子保持架；9、支撑板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1、图2所示，一种可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制装置，由两个旋转支撑架4和四块波状孔板2组成。旋转支撑架4为内、外圈嵌套的轴承，由内至外分别为轴承内圈5、圆柱滚子7和滚子保持架8、轴承外圈6，圆柱滚子7由滚子保持架8限位，并内嵌于轴承内圈5和轴承外圈6之间；旋转支撑架4轴承内圈5的内径等于立管1外径，轴承外圈6的外表面沿周向等间距分布四块支撑板9，每块支撑板9上开有两个垂向贯穿支撑板9的内螺孔，内螺孔的轴线与旋转支撑架4的轴线平行；两个旋转支撑架4按间隔一块波状孔板2的高度套装固定在立管1外壁上。

如图2所示，波状孔板2为一垂向截面成线性波浪状起伏的开孔薄板，波状孔板2在垂向上、下等宽，波状孔板2的上端面和下端面分别开有与上旋转支撑架4和下旋转支撑架4的支撑板9内螺孔对应的螺纹孔，通过螺栓将四块波状孔板2沿立管1周向等间距固定在旋转支撑架4上。波状孔板2表面开有三列扰流孔3，扰流孔3贯穿波状孔板2，同一列上的扰流孔3直径相同，不同列的的扰流孔3直径不同，扰流孔3直径沿立管1径向由内至外孔径逐渐减小，即靠近立管1的扰流孔3最大，远离立管1的扰流孔3直径最小。

如图4所示，利用所述的可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制装置可以提供一种可旋转变孔径波状孔板的涡激振动抑制方法。无论海流从哪个方向流经立管1，都至少有两块波状孔板2与海流形成攻角，波状孔板2在海流的冲击下形成扭矩，从而带动整个装置绕立管1旋转。旋转的波状孔板2对立管1周围的绕流流场不断切割，严重扰乱了边界层的分离和绕流旋涡的形成。同时，海流在波状孔板2表面存在垂向和径向的流动调整，一方面，由于波状孔板2在垂向成波状起伏，部分海流沿着波状孔板2表面发生垂向运动，使得不同深度的海流发生空间上的调动，削弱了海流在平面上的绕流动能，改变了原来立管1绕流的三维旋涡结构；另一方面，波状孔板2上的扰流孔3沿径向直径大小不一，使得部分海流从立管1外侧转移到立管1内侧大孔径的扰流孔3通过，产生了径向上的流动调整，而较多的海流从立管1内侧大孔径扰流3孔通过时，给立管1的绕流边界层注入了动量，延迟了立管1绕流边界层的分离，从而减小尾流的宽度，降低立管1前后的压差阻力。此外，海流通过旋转的波状孔板2的扰流孔3时形成了局部射流，进一步干扰了立管1的绕流流场，且不同孔径的扰流孔3处形成的局部射流速度大小不一，增加了绕流流场的紊动程度。因此，在旋转波状孔板2的流场切割、海流垂向和径向的空间流动调整、扰流孔3局部射流的共同作用下，使立管1平面绕流动能减小，绕流流场受到深度干扰，破坏了尾部旋涡的形成和三维旋涡结构，从而实现涡激振动的抑制。

具体实施例：

安装本发明装置时，首先组装两个旋转支撑架4，将轴承内圈5、圆柱滚子7和滚子保持架8、轴承外圈6由内至外进行组装，在将圆柱滚子7和滚子保持架8内嵌于轴承内圈5和轴承外圈6的过程中加入润滑油以保证旋转支撑架4的旋转性能；然后，按间隔一块波状孔板2的高度，将两个旋转支承架4一上一下套装固定在立管1外壁上，并将上、下两个旋转支撑架4支撑板9的内螺孔对齐。将四块波状孔板2放置于旋转支撑架4之间，用螺栓旋入旋转支撑架4支撑板9的内螺孔和波状孔板2的螺纹孔，通过螺栓将四块波状孔板2沿立管1周向等间距固定在旋转支撑架4上。

安装完毕后，将安装有该装置的立管1放置于海流中。无论海流从哪个方向流经立管1，都至少有两块波状孔板2与海流形成攻角，波状孔板2在海流的冲击下形成扭矩，从而带动整个装置绕立管1旋转。旋转的波状孔板2对立管1周围的绕流流场不断切割，严重扰乱了边界层的分离和绕流旋涡的形成。同时，海流在波状孔板2表面存在垂向和径向的流动调整，一方面，由于波状孔板2在垂向成波状起伏，部分海流沿着波状孔板2表面发生垂向运动，使得不同深度的海流发生空间上的调动，削弱了海流在平面上的绕流动能，改变了原来立管1绕流的三维旋涡结构；另一方面，波状孔板2上的扰流孔3沿径向直径大小不一，使得部分海流从立管1外侧转移到立管1内侧大孔径的扰流孔3通过，产生了径向上的流动调整，而较多的海流从立管1内侧大孔径扰流3孔通过时，给立管1的绕流边界层注入了动量，延迟了立管1绕流边界层的分离，从而减小尾流的宽度，降低立管1前后的压差阻力。此外，海流通过旋转的波状孔板2的扰流孔3时形成了局部射流，进一步干扰了立管1的绕流流场，且不同孔径的扰流孔3处形成的局部射流速度大小不一，增加了绕流流场的紊动程度。因此，在旋转波状孔板2的流场切割、海流垂向和径向的空间流动调整、扰流孔3局部射流的共同作用下，使立管1平面绕流动能减小，绕流流场受到深度干扰，破坏了尾部旋涡的形成和三维旋涡结构，从而实现涡激振动的抑制。