一种海洋立管涡激振动抑制装置及抑制方法与流程

本发明属于海洋立管涡激振动抑制技术领域，涉及一种涡激振动抑制装置，更具体是涉及一种海洋立管涡激振动抑制装置。

背景技术：

随着海洋油气资源开采力度的加大，深水油气开采已成为未来趋势，海洋立管是海洋油气钻采的组成构件，是连接浮式钻井平台与海底生产系统的重要组成部分。海洋立管所处水下环境恶劣，受力复杂。当波流流经立管时，会在海洋立管尾部产生周期性的交替脱落的漩涡，漩涡的脱落改变了立管表面的应力分布，引发周期性的涡激振动，对立管造成了很大的破坏作用。减少海洋立管涡激振动对海洋石油开采具有十分重要的意义。

现有的涡激振动装置存在如下的缺点：

1、已公布的现有装置大多属于结构上的理论设计，其效果未得到CFD数值模拟验证，或未得到符合实际海洋环境参数(如：不同雷诺数范围、不同来流角度)的实况实验验证。

2、现有装置考虑的一般都是对立管附近流场进行干扰，使之破坏、延迟涡的形成与发展，未对立管或立管上套筒的边界层流体加以研究利用，因为边界层相比涡漩要弱得多，通过扩展剪切层、延迟涡的形成，可以减少立管的横向受力扰动。

专利号为US6685394B1、名称为“部分穿孔围板对涡激振动的抑制以及使用方法(Partial shroud with perforating for VIV suppression and method of using)”的专利，公开的涡激振动抑制装置的缺点是，对涡激振动的抑制没有考虑尾流的稳定；专利号为US9534618B1、名称为“带有多个构件的整流罩装置(Faring bodies with multiple parts)”的专利，公开的涡激振动抑制装置的缺点是没有考虑对来流的干扰，也不能根据不同来流方向进行旋转。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题和缺陷，主要针对涡激振动的问题，实现不同来流方向涡激振动的抑制，减少对立管的疲劳损坏，提供一种可拆装、性能可靠的后体排列尾翼型旋转式海洋立管涡激振动抑制装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种后体排列尾翼型旋转式涡激振动抑制装置，包括套装于立管1上的一抑制装置2、两个旋转单元3，抑制装置2两端各固定连接一个旋转单元3，旋转单元3夹持于立管1上。

进一步，所述的抑制装置2，由套筒2-1、至少两个连接体2-2和一后体尾翼2-3构成。其中所述套筒2-1为圆管状结构，连接体2-2为柱状体。后体尾翼2-3的断截面呈“V”字形，位于立管1来流方向的下游左右对称分布，“V”字形开口朝向下游。连接体2-2位于套筒2-1与后体尾翼2-3之间，一端固定连接套筒2-1，另一端与后体尾翼2-3固定连接。

进一步，所述的旋转单元3为行星齿轮式结构，包括中心轮3-2、至少4个行星轮3-3、外圈3-4、两块半圆环盖板3-1和底板3-2-2。中心轮3-2、行星轮3-3、外圈3-4依顺从里向外呈“内、中、外”分布且通过各自设有的轮齿相啮合连接。同时在旋转单元3底部设计有圆环形的底板3-2-2，底板3-2-2与中心轮3-2固定连接，两块半圆环的盖板3-1镜像对合安装在旋转单元3上部与中心轮3-2固定连接。从而使得旋转单元3形成密闭结构。旋转单元3夹持于立管1上。同时亦通过旋转单元3的外圈3-4使用螺栓固定在套筒2-1两端，连接处的螺栓数量至少为8个，两块半圆环盖板3-1通过至少4个螺栓相互固定。所有螺栓连接的数目可以根据具体情况确定。

进一步，所述的底板3-2-2及半圆环盖板3-1的外径均为外圈3-4外径的0.9～0.95倍。半圆环盖板3-1的内径取为套筒外径的0.95～0.99倍。使其能夹紧固定于立管1上，避免滑落与转动。底板3-2-2及半圆环盖板3-1的外表面与外圈3-4上下端面齐平。

进一步，所述的外圈3-4的轮齿3-4-1上下两平面均设计有密封圈槽3-4-4，两块半圆环盖板3-1之间也有密封槽3-1-3。安装完成后齿轮均处于密闭空间内，避免海水中异物进入造成旋转单元3失效，以及减少旋转单元3啮合齿轮的腐蚀生锈等问题。

进一步，所述的套筒2-1外表曲面上设置有若干半球形凹坑2-1-2，半球形凹坑2-1-2的排列方式为矩阵式或品字形排列，经CFD计算，半球形凹坑直径为套筒2-1外径的1/20～1/10。两个半球形凹坑2-1-2之间距离取为球径的1～2倍。半球形凹坑2-1-2面积占套筒2-1外表曲面面积的8％至20％。套筒2-1两端面设计有与旋转单元3连接的螺孔，每个端面螺孔的数量至少为8个。套筒2-1的壁厚与半球形凹坑直径相同。

进一步，所述的连接体2-2长度为套筒2-1外径的1/3～1/2。分布方式为：在套筒曲面靠近两端处各分布一个连接体2-2，连接体2-2之间等间距分布。连接体2-2的表面为光滑表面或带有至少4个顺流向导流槽，导流槽等间距分布。连接体2-2的断截面为如下几种形式中的任一种：

a.断截面为矩形，长边取为半球形凹坑2-1-2直径的4～6倍，短边取为半球形凹坑2-1-2直径的2～4倍，短边沿水平方向；

b.断截面为正方形，边长取为半球形凹坑2-1-2直径的2～6倍；

c.断截面为椭圆形，长轴取半球形凹坑2-1-2直径的4～6倍，短轴取半球形凹坑2-1-2直径的2～4倍，短轴沿水平方向；

d.断截面为圆形，其直径取半球形凹坑2-1-2直径的2～6倍。

进一步，所述的后体尾翼2-3长度与套筒2-1相同，“V”字形的夹角α为80°～100°，“V”字形的每条边长度为套筒2-1外径的0.65～0.75倍。后体尾翼2-3的壁厚与套筒壁厚相同，后体尾翼2-3上设有若干与后体尾翼2-3的壁面垂直且呈矩阵式或品字形排列的通孔2-3-1，通孔2-3-1的截面形状为如下几种形式中的任一种：

a.圆形，通孔2-3-1的直径与套筒2-1表面半球形凹坑2-1-2的直径相同；

b.椭圆形，长轴取半球形凹坑2-1-2直径的1～2倍，短轴取半球形凹坑2-1-2直径的0.5～1倍；

c.长方形，长度取为半球形凹坑2-1-2直径的1～2倍，宽度取为半球形凹坑2-1-2直径的0.5～1倍；

d.正多边形，其外接圆直径取为半球形凹坑2-1-2直径的0.5～1.5倍。

抑制装置2和旋转单元3的材料选取上需满足质量轻、较好的机械强度、耐腐蚀、加工方便等要求。以下是制造本发明装置选取的材料方案：

a.选取钢材，抑制装置2和旋转单元3的表面可以镀一层金属铬，减少生锈。其中旋转单元3内部可选用不锈钢材料；

b.选取铝合金材料，其优点在于材质较轻、强度高、耐腐蚀、易加工；

c.选取聚氨酯材料，其优点在于具有较高的机械强度和氧化稳定性，使用寿命长，耐温性在零下20°至高温120°，聚氨酯产品无毒无味、环保无污染、重量轻降低载荷；

d.选取碳纤维复合材料，其优点在于重量轻、强度高。相比于钢材，在等强度条件下，其重量只有钢的1/5。

本发明的一种后体排列尾翼型旋转式涡激振动抑制装置的工作原理与抑制方法，具体过程如下：

当海流流经立管1时，会在海洋立管尾部产生周期性的交替脱落的漩涡，漩涡的脱落改变了立管1表面的应力分布，引发周期性的涡激振动，对立管造成了很大的破坏作用。当漩涡脱落的频率与立管本身固有的频率接近时，会形成“锁定”现象，立管会剧烈的振动，对立管造成严重的疲劳损坏。因此在立管上安装涡激振动抑制装置十分必要。本发明装置通过CFD计算结果发现，表面半球形直径为套筒2-1外径的1/20～1/10，且加装后体尾翼的设计方案大大降低了涡量的强度，减少了涡激振动的振幅。

以直角坐标系中x轴正方向为0°方向。当来流方向为0°方向时，后体尾翼2-3通过旋转单元3转向来流方向下游180°处。当来流方向发生变化，来流方向为30°或90°时，立管1周围流场压力发生变化，后体尾翼2-3通过旋转单元3转向来流方向下游210°或270°处。抑制装置的旋转如同我们所熟知的风向标一样，随流体方向的变化而变化，后体尾翼2-3始终处于来流方向的下游。

当来流流经套筒2-1时，由于套筒2-1上分布有半球形凹坑2-1-2，套筒2-1周围的流场被扰动，减弱了形成漩涡的能量。经CFD验证，相对于已公布的其他类似形式的抑制装置，套筒2-1表面半球形凹坑2-1-2的设计减少立管横向振动的效果可达到20％以上。

由于增加后体尾翼2-3，解决了现有抑制装置中尾流速度的急剧变化带来的不稳定性的缺点。当来流剪切层离开套筒2-1的边缘，沿着连接体2-2表面上的顺流向导流槽重新附着到后体尾翼2-3的表面，由于剪切层的波动相对较小，且能量较弱。因此，通过扩展剪切层，延缓漩涡的形成，可以减小近尾流区压力的波动。

当来流剪切层附着在后体尾翼2-3表面上时，两侧形成了闭合环流，这种对称环流阻止了在近尾流区域内从一边到另一边形成交替的卡门涡街；反过来，它稳定了近尾流区，延迟了卡门涡街的形成；由于该环流在横向的压力梯度是对称的，出现了一种力消除效应，近尾流区波动压力梯度减小，延迟了漩涡的形成，稳定了附近的尾流区，从而降低了振动的幅度；同时后体尾翼2-3上的通孔2-3-1减弱了顺流向阻力增加，使得近尾流区域压力梯度减小，实现了涡激振动的抑制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明装置带有密闭式旋转单元，适用于不同海流方向，同时能避免异物进入及减少腐蚀生锈等问题。该旋转单元为行星齿轮式设计，行星齿轮式的设计其特征在于旋转运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。

2、本发明装置套筒外表曲面半球形凹坑的设计，经CFD验证，比以往的涡激振动抑制装置有更好的效果。

如图12所示，该装置在不加装后体尾翼时，套筒表面设计有3种不同尺寸的半球形凹坑。通过观察受力曲线，半球形直径为套筒外径1/20和1/10的设计方案比球径为套筒外径1/5的方案对涡激振动的抑制效果优化明显，且半球形直径为套筒外径1/20的方案优化效果最好。将最优的方案与表面光滑的套筒及表面为方形凹坑的套筒进行对比：

如图13所示，表面光滑的套筒设计方案，平均受力范围为-0.01942N至0.0165N，表面为方形凹坑的设计方案，平均受力范围为-0.015222N至0.01466N，表面半球形直径为套筒外径1/20的设计方案，平均受力范围为-0.01175N至0.01198N。

与表面光滑的套筒进行对比，表面半球形直径为套筒外径1/20的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了33.94％。与表面为方形的凹坑套筒进行对比，表面半球形直径为套筒外径1/20的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了20.58％。通过CFD计算结果发现，表面半球形直径为套筒外径1/20设计方案降低了涡量的强度。

3、本发明装置安装一后体尾翼。在这样的排列下，降低了立管横向振幅，涡激振动得要抑制。

如图14所示，带分流板的整流罩抑制装置设计方案，平均受力范围为-0.003124N至0.003134N，表面半球形直径为套筒外径1/20且加装后体尾翼的设计方案，平均受力范围为-0.000955N至0.001069N。

在加装后体尾翼后，与带分流板的整流罩抑制装置进行对比。表面半球形直径为套筒外径1/20且加装后体尾翼的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了67.66％。与表面光滑的套筒设计方案进行对比，表面半球形直径为套筒外径1/20且加装后体尾翼的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了94.37％。

附图说明

图1是本发明的立管、抑制装置、旋转单元装配组合图；

图2是本发明的抑制装置的等轴侧视图；

图3是本发明的抑制装置的横剖面图；

图4是本发明的抑制装置的侧视图；

图5是本发明的旋转单元与立管(局部)、抑制装置(局部)固定连接示意图；

图6是本发明的旋转单元只加一个盖板时的示意图；

图7是本发明的旋转单元内部结构示意图；

图8是本发明的旋转单元的外圈零件图；

图9是本发明的旋转单元的盖板零件图；

图10是本发明的旋转单元的中心轮零件图；

图11是本发明的旋转单元的行星轮零件图；

图12是本发明的CFD验证方案：表面半球形直径为套筒外径的1/20、1/10、1/5时的圆柱受力时历曲线图；

图13是本发明的CFD验证方案：表面光滑、表面带方形凹坑、表面半球形直径为套筒外径的1/20的圆柱受力时历曲线图；

图14是本发明的CFD验证方案：带分流板式整流罩、表面半球形直径为套筒外径的1/20且加装后体尾翼的抑制装置受力时历曲线图；

图中附图标记说明：

1.立管；

2.抑制装置；2-1.套筒；2-1-1.螺孔；2-1-2.半球形凹坑；2-2.连接体；2-3.后体尾翼；2-3-1.通孔；

3.旋转单元；3-1.半圆环盖板；3-1-1.螺孔；3-1-2.固定螺孔；3-1-3.密封槽；3-2.中心轮；3-2-1.轮齿；3-2-2.底板；3-2-3.密封圈槽；3-2-4.螺孔；3-3.行星轮；3-3-1.轮齿；3-4.外圈；3-4-1.轮齿；3-4-2.沉孔；3-4-3.螺孔；3-4-4.密封圈槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种后体排列尾翼型旋转式涡激振动抑制装置，如图1、图2、图3、图4所示，抑制装置2的套筒2-1套装于立管1上，套筒2-1两端各安装一旋转单元3，并使用螺栓通过螺孔2-1-1与旋转单元3的外圈螺孔3-4-3连接固定。套筒2-1曲面两端在同一方向各刚性连接一连接体2-2，两个连接体2-2另一端再与后体尾翼2-3刚性连接。

如图1、图5、图6、图8所示，外圈3-4属于内啮合齿轮，外圈上表面均匀分布至少8个螺孔3-4-3，其上有沉孔3-4-2，外圈上下面各有一密封圈槽3-4-4，密封圈槽3-4-4内放置耐磨陶瓷密封圈，其特征在于耐磨、有弹性、耐腐蚀。外圈3-4通过螺孔3-4-3使用螺栓与套筒2-1连接固定。外圈3-4在安装后会卡固于盖板3-1与底板3-2-2之间。

如图5、图8、图9所示，通过固定螺孔3-1-2使用螺栓将盖板3-1夹持于立管1上，两块盖板3-1上共有至少10个螺孔3-1-1，与中心轮上螺孔3-2-4对应，并使用螺栓连接固定。两块盖板3-1接触面上有密封槽3-1-3，密封槽3-1-3内放置耐磨陶瓷密封圈。

如图6、图7、图10、图11所示，中心轮3-2套装于立管1上，并通过至少10个螺孔3-2-4与盖板3-1使用螺栓来连接固定。中心轮3-2周围放置至少4个行星轮3-3，均匀分布于中心轮3-2四周。行星轮3-3的轮齿3-3-1与外圈3-4的轮齿3-4-1、中心轮3-2的轮齿3-2-1啮合，组成行星齿轮系，是旋转单元3的重要组成部分。

本发明的一种后体排列尾翼型旋转式涡激振动抑制装置的抑制方法是：

当海流方向发生变化时，立管1周围流场压力发生变化，后体尾翼2-3通过旋转单元3转向立管1后部。后体尾翼2-3始终能够起到稳定尾流的作用。

本发明的一种后体排列尾翼型旋转式涡激振动抑制装置通过CFD模拟验证不同的凹坑，其抑制效果如下：

以抑制装置中立管套筒为研究对象，立管与套筒之间间隙在计算中忽略不计，立管与套筒组合后在计算中简化为一圆柱。并对光滑圆柱与表面带不同尺寸、不同形式凹坑的圆柱进行对比。本次数值模拟采用2维计算模型。采用Solidworks建模，Hexpress画网格，Fine/marine进行数值模拟计算。套筒圆柱直径D取10mm，高度取5mm。

本次计算均在Re＝10000的流场中进行，运动粘性系数取为1.18×10^(-6)m²/s(15℃海水)，采用非稳态、单相流计算，计算域前后左右面均设置为远场EXT，上下面设置为MIR，时间步长0.001s。

通过Fine/Marine数值模拟计算，并通过监测圆柱在横向受力大小，用横向上受力大小来反映圆柱的振动情况。同时监测涡的形成与发展，通过涡来反映立管受力情况。

本次计算将采用对比、改进的方式，逐步优化设计。在圆柱曲面剖出直径分别为0.5mm(套筒外径的1/20)、1mm(套筒外径的1/10)、2mm(套筒外径的1/5)的半球形凹坑，凹坑分布于圆柱表面，将此三种情况对比选出最佳的半球直径尺寸。将表面半球形凹坑的最佳方案与表面光滑圆柱以及表面为方形凹坑的圆柱(专利US6685394B1)简化模型进行计算结果对比，确定最佳设计方案。

通过对图12中表面带不同半球直径的圆柱受力时历曲线比较发现，半球形直径为套筒外径1/20和1/10的设计方案比半球形直径为套筒外径1/5的方案对涡激振动的抑制效果明显，且直径为套筒外径1/20的方案优化效果最好。

如图13所示，表面光滑的圆柱设计方案，平均受力范围为-0.01942N至0.0165N，表面方形凹坑的设计方案，平均受力范围为-0.015222N至0.01466N，表面半球形直径为套筒外径1/20的设计方案，平均受力范围为-0.01175N至0.01198N。

与表面光滑的圆柱套筒进行对比，表面半球形直径为套筒外径1/20的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了33.94％。与表面为方形的凹坑套筒进行对比，表面半球形直径为套筒外径1/20的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了20.58％。通过CFD计算结果发现，表面半球形直径为套筒外径1/20的设计方案降低了涡量的强度，起到了较好的优化效果。

之后对带半球形凹坑的圆柱套筒方案再进行优化，增加一后体尾翼，并与带分流板的整流罩抑制装置进行对比，确定最终优化方案。

本发明的一种后体排列尾翼型旋转式涡激振动抑制装置通过对比不同的抑制装置，其抑制效果如下：

以加装后体尾翼的抑制装置为研究对象，其中模型、网格生成和Fine/marine中的计算参数设置均与步骤二相同。

如图14所示，为进一步改进表面半球形直径为套筒外径1/20的设计，在圆柱后方0.5D(D为圆柱直径)处设置一后体尾翼装置，用于使剪切层重新附着，更好的稳定尾流，减少尾涡对立管的影响。该设计与带有分流板的整流罩抑制装置(专利US9534618B1)简化模型进行计算结果对比。

如图14所示，带分流板的整流罩抑制装置，平均受力范围为-0.003124N至0.003134N，表面半球形直径为套筒外径1/20且加装后体尾翼的设计方案，平均受力范围为-0.000955N至0.001069N。

在加装后体尾翼后，与带分流板的整流罩抑制装置进行对比，表面半球形直径为套筒外径1/20且加装后体尾翼的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了67.66％。与表面光滑的圆柱套筒设计方案进行对比，表面半球形直径为套筒外径1/20且加装后体尾翼的设计方案对涡激振动的抑制效果优化了94.37％。

鉴上所述，说明表面半球形直径为套筒外径1/20且加后体尾翼的设计达到了比较理想的抑制涡激振动的效果。对剪切层的重新附着进行观察发现，当剪切层附着在后体表面上时，两侧形成了闭合环流。由于该环流在横向的压力梯度是对称的，出现了一种力消除效应，从而降低了振动的振幅。起到了较好的抑制涡激振动、减少立管疲劳损坏的效果。

以上所述，仅为本发明的一个具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。