專利名稱：采用可旋轉(zhuǎn)整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下立管渦激振動抑制裝置，特別是一種采用可旋轉(zhuǎn)整流罩的水 下立管渦激振動抑制裝置，屬于海洋立管設(shè)施鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石油供應(yīng)的日益短缺使得深海油氣開采受到了世界各國高度重視。深海開采系統(tǒng) 中有眾多的細長圓柱形結(jié)構(gòu)物，如鉆井隔水管、采油立管和懸跨輸液管線等，它們的總造價 超過整個深海采油系統(tǒng)的百分之五十。當波浪、海流流經(jīng)這些管線時，在一定的流速下會使 得管線尾跡產(chǎn)生周期性的旋渦脫落，當管線的固有頻率與旋渦脫落頻率接近時，就產(chǎn)生了 渦激共振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致立管的疲勞破壞。管線在持續(xù)的渦激共振的作用下，最終可能產(chǎn)生 疲勞破環(huán)，從而嚴重影響海洋作業(yè)，甚至帶來嚴重的工程和環(huán)境事故。因此，深海開采系統(tǒng) 管線渦激振動抑制問題的研究已顯得至關(guān)重要。為減少和防止渦激振動造成的破壞作用，增加海洋管線的使用壽命，通常在作業(yè) 中使用渦激振動抑制裝置?，F(xiàn)有的渦激振動抑制裝置主要可分為主動抑制和被動抑制兩 類。主動抑制技術(shù)是近期發(fā)展起來的，其原理是給流場加入外部能量從而達到抑制漩渦脫 落的目的。而被動抑制技術(shù)是指通過改變管線外部形狀或者安裝附加裝置來抑制管線尾跡 漩渦脫落?？紤]到深海流場的復(fù)雜性，海洋管線的渦激振動抑制很難應(yīng)用主動抑制技術(shù)，更 多的應(yīng)該考慮被動抑制方法。被動抑制方法中，控制桿、螺旋狀條紋、0型圈、表面突起、分 離盤和固定整流罩等方法已經(jīng)在一些工程場合中用來抑制渦激振動。現(xiàn)有技術(shù)中，專利號 為US2007/0104542A1名稱為hiring for a riser的發(fā)明專利是使用流線型結(jié)構(gòu)的固定 整流罩來抑制渦激振動。通過將整流罩圓弧部分正對來流方向，其尾部背對來流方向，可以 得到比較好的渦激振動抑制效果。當整流罩橫截面尾流方向形狀夾角θ在一定范圍內(nèi)時， 其抑制性能主要受整流罩長徑方向與來流方向之間的來流角α的影響。在來流角α不同 時，裝置的抑制效果可能會急劇降低，甚至?xí)黾庸芫€的流體力，這說明整流罩對來流方向 非常敏感，僅對特定來流方向上產(chǎn)生的渦激振動具有較好的抑制效果。因此，對于海洋河流 等水流方向時常變化的作業(yè)環(huán)境，固定整流罩的應(yīng)用具有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提供一種設(shè)計制造簡單、安裝方便的不 受來流方向影響的采用可旋轉(zhuǎn)整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明可旋轉(zhuǎn)整流罩是由一對旋轉(zhuǎn)模塊、整流罩固定墊和整流罩構(gòu)成。其中旋轉(zhuǎn) 模塊包括旋轉(zhuǎn)模塊固定件、旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件、滾子和軸向止動片。旋轉(zhuǎn)模塊固定件由對稱 的兩半環(huán)鋼質(zhì)構(gòu)件組成，旋轉(zhuǎn)模塊固定件的內(nèi)徑等于立管外徑D，內(nèi)外徑厚度取0. 12D至 0. 14D，在其頂面均勻加工有滾子槽。旋轉(zhuǎn)模塊固定件從兩側(cè)套在立管上，并使用螺栓連接 固定。球型滾子放置于旋轉(zhuǎn)模塊固定件的滾子槽內(nèi)。旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件也由對稱的兩半環(huán)鋼質(zhì)構(gòu)件組成，旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件的內(nèi)徑略大于立管外徑，內(nèi)外徑厚度為0. 15D至0. 2D，在其底 面上加工滾子環(huán)槽。直角結(jié)構(gòu)的軸向止動片，分別安裝在旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件的兩半環(huán)上，保證 旋轉(zhuǎn)模塊安裝好后旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件不會沿軸向移動，軸向止動片與旋轉(zhuǎn)模塊固定件底面留 有一定的空隙，以保證旋轉(zhuǎn)不受摩擦。旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件套在旋轉(zhuǎn)模塊固定件上面，其滾子環(huán) 槽8正好放置在滾子上面，兩半環(huán)之間使用螺栓連接，連接好后旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件可繞立管 的軸線自由轉(zhuǎn)動。整流罩的外形前圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀。其橫截面迎流方向部分為圓 弧，尾流方向部分沿圓弧切線光滑過渡直至相交，相交后延伸出一段用于安裝和拆卸的尾 部。整流罩和整流罩固定墊一起安裝在旋轉(zhuǎn)模塊外面，每個整流罩上下兩端分別安裝一個 旋轉(zhuǎn)模塊。兩端的旋轉(zhuǎn)模塊和整流罩之間分別用螺栓緊固連接，整流罩圓弧部分與立管同 軸ο如果水下立管長徑比很大，可在其上每隔一段距離安裝多段所述渦激振動抑制裝 置，每段所述整流罩的長度取4D至8D。本發(fā)明有益效果1、整流罩采用流線型設(shè)計，此種結(jié)構(gòu)能有效抑制渦激振動，從而 減小渦激振動引起的疲勞、斷裂等失效形式對海洋作業(yè)的有害影響。2、由于使用可自由旋 轉(zhuǎn)的方式安裝整流罩，可使該裝置隨水流流向改變方向，有效解決抑制效果受來流方向限 制的缺陷，可以適應(yīng)流向頻繁發(fā)生變化的深海環(huán)境，因此增加了在工程上的使用范圍。3、本 發(fā)明裝置只需在立管上每隔一定距離安裝一對旋轉(zhuǎn)模塊，再套上流線型整流罩，制造安裝 簡單方便，施工工藝較易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度在可接受范圍之內(nèi)。


圖1為本發(fā)明裝置立體結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明裝置整流罩剖面示意3為本發(fā)明裝置旋轉(zhuǎn)模塊立體結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明裝置旋轉(zhuǎn)模塊固定件頂面示意5為本發(fā)明裝置旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件底面示意中1.立管；2.旋轉(zhuǎn)模塊固定件；3.旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件；4.軸向止動片；5.整流罩固定 墊；6.整流罩；7.固定件滾子槽；8.轉(zhuǎn)動件滾子環(huán)槽；9.螺栓；10.滾子。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步描述。如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本發(fā)明包括一對旋轉(zhuǎn)模塊、整流罩固定墊5和 整流罩6。其中旋轉(zhuǎn)模塊包括旋轉(zhuǎn)模塊固定件2、旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3、滾子10和軸向止動片 4。旋轉(zhuǎn)模塊固定件2由對稱的兩半環(huán)鋼質(zhì)構(gòu)件組成，旋轉(zhuǎn)模塊固定件2的內(nèi)徑等于立管1 外徑D，其內(nèi)外徑厚度取0. 12D至0. 14D，在其頂面均勻加工有滾子槽7。旋轉(zhuǎn)模塊固定件2 從兩側(cè)套在立管1上，并使用螺栓9連接固定。滾子10直徑為旋轉(zhuǎn)模塊固定件2內(nèi)外徑厚 度的0. 5至0. 8倍，滾子10放置于旋轉(zhuǎn)模塊固定件2的每個滾子槽7里。旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3也由對稱的兩半環(huán)鋼質(zhì)構(gòu)件組成，旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3內(nèi)徑略大于立管1外徑，以保證轉(zhuǎn)動 不受摩擦，內(nèi)外徑厚度為0. 15D至0. 2D，其底面上加工滾子環(huán)槽8。直角結(jié)構(gòu)的軸向止動片 4，分別安裝在旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3的兩半環(huán)上，其可以保證旋轉(zhuǎn)模塊安裝好后旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動 件3不會沿軸向移動，但軸向止動片4與旋轉(zhuǎn)模塊固定件2底面留有一定的空隙，以保證旋 轉(zhuǎn)不受摩擦。旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3套在旋轉(zhuǎn)模塊固定件2上面，其滾子環(huán)槽8正好放置在滾 子10上面，兩半環(huán)之間使用螺栓9連接，連接好后旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3可繞立管1的軸線自 由轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)模塊固定件2和旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3均采用分開兩個半環(huán)的設(shè)計優(yōu)點在于，相 比于整體環(huán)狀結(jié)構(gòu)的模塊，它可以保證不受立管1長度以及不同地方直徑差異帶來的安裝 困難。整個旋轉(zhuǎn)模塊采用類似推力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以減小因整流罩6不對稱重力帶來的 結(jié)構(gòu)變形以及轉(zhuǎn)動摩擦阻力，另外在整流罩6空心部分可添加小密度浮力材料，甚至可以 完全消除這種不利因素。整流罩6的外形前圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀。其橫截面迎流方向部分為 圓弧，尾流方向部分沿圓弧切線光滑過渡直至相交，相交后延伸出一段用于安裝和拆卸的 尾部。整流罩6和整流罩固定墊5 —起安裝在旋轉(zhuǎn)模塊外面，每個整流罩6上下兩端分別 安裝一個旋轉(zhuǎn)模塊。兩端的旋轉(zhuǎn)模塊和整流罩6之間分別用螺栓9緊固連接。整流罩6的 圓弧部分與立管1同軸，并通過旋轉(zhuǎn)模塊繞立管1軸線自由轉(zhuǎn)動。整流罩6橫截面圓弧部 分內(nèi)徑等于旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件3外徑，厚度為0.02D至0.05D，橫截面尾流方向形狀夾角θ為 75°至30°，尾部長度L為0. 2D至0. 4D。當來流方向改變時，在表面兩側(cè)壓力差的作用下，通過旋轉(zhuǎn)模塊的轉(zhuǎn)動，整流罩6 將自動穩(wěn)定于兩個平衡位置。從而改變來流夾角α，使渦激振動抑制始終保持在一個較好 的范圍內(nèi)。經(jīng)實驗驗證，整流罩6達到平衡時，來流夾角α很大程度上取決于形狀夾角θ， 形狀夾角θ越小，來流夾角α也越小。實驗結(jié)果表明，當形狀夾角θ保證在75°至30° 范圍內(nèi)時，該裝置可減少立管1時均阻力和脈動升力分別達到30%至60%左右，并有效減 小渦激振動幅度。如果水下立管1長徑比很大，可在其上每隔一段距離安裝多段所述渦激振動抑制 裝置，每段所述整流罩6的長度取4D至8D。
權(quán)利要求
1.一種采用可旋轉(zhuǎn)整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置，包括一對旋轉(zhuǎn)模塊、整流 罩固定墊(5)、整流罩(6)，其特征在于旋轉(zhuǎn)模塊包括旋轉(zhuǎn)模塊固定件O)、旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動 件(3)、滾子(10)和軸向止動片⑷；旋轉(zhuǎn)模塊固定件(2)由對稱的兩半環(huán)鋼質(zhì)構(gòu)件組成， 在其頂面均勻加工有滾子槽(7)；旋轉(zhuǎn)模塊固定件( 從兩側(cè)套在立管(1)上，并使用螺 栓(9)連接固定；滾子(10)放置于旋轉(zhuǎn)模塊固定件O)的滾子槽(7)內(nèi)；旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件 (3)也由對稱的兩半環(huán)鋼質(zhì)構(gòu)件組成，在其底面上加工滾子環(huán)槽(8)；直角結(jié)構(gòu)的軸向止動 片G)，分別安裝在旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件C3)的兩半環(huán)上；旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件C3)套在旋轉(zhuǎn)模塊固 定件( 上面，其滾子環(huán)槽(8)正好放置在滾子(10)上面，兩半環(huán)之間使用螺栓(9)連接； 整流罩(6)外形前圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀；橫截面迎流方向部分為圓弧，尾流 方向部分沿圓弧切線光滑過渡直至相交，相交后延伸出一段尾部；整流罩(6)和整流罩固 定墊( 一起安裝在旋轉(zhuǎn)模塊外面，每個整流罩(6)上下兩端分別安裝一個旋轉(zhuǎn)模塊；兩端 的旋轉(zhuǎn)模塊和整流罩(6)之間分別用螺栓(9)緊固連接，整流罩(6)圓弧部分與立管同軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用可旋轉(zhuǎn)整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置，其特征是 所述的旋轉(zhuǎn)模塊固定件O)內(nèi)徑等于立管(1)外徑D，內(nèi)外徑厚度取0. 12D至0. 14D ；旋轉(zhuǎn) 模塊轉(zhuǎn)動件(3)內(nèi)徑略大于立管(1)外徑，內(nèi)外徑厚度為0. 15D至0. 2D ；滾子(10)直徑為 旋轉(zhuǎn)模塊固定件O)內(nèi)外徑厚度的0. 5至0. 8倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用可旋轉(zhuǎn)整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置，其特征 是所述的整流罩(6)橫截面圓弧部分內(nèi)徑等于旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)動件C3)外徑，壁厚取0.02D至 0.05D，橫截面尾流方向形狀夾角θ為75°至30°，尾部長度L為0. 2D至0.4D。
全文摘要
采用可旋轉(zhuǎn)整流罩的水下立管渦激振動抑制裝置，屬于海洋立管設(shè)施鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是為水下立管安裝可隨水流流向改變方向的可旋轉(zhuǎn)整流罩，包括一對旋轉(zhuǎn)模塊、整流罩固定墊、整流罩。其特征是整流罩外形前圓后尖，表面光滑，略像水滴的形狀。整流罩圓弧部分與立管同軸，其與主管之間采用方便安裝和拆卸的旋轉(zhuǎn)模塊連接，使其可以繞立管自由轉(zhuǎn)動。整流罩空心部分添加小密度浮力材料，可以消除整流罩不對稱重力帶來的結(jié)構(gòu)變形以及轉(zhuǎn)動摩擦阻力。本發(fā)明因有效抑制渦激振動，故可提高水下立管的抗疲勞強度，從而大大降低工程造價。同時克服不少渦激振動抑制裝置對于來流方向的限制，在海洋河流等水流方向時常變化的環(huán)境中具有很高的應(yīng)用價值。
文檔編號F15D1/00GK102071883SQ20101057161
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者王嘉松, 谷斐 申請人:上海交通大學(xué)