[发明专利]一种用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置

说明书

本发明公开了一种用于海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，其包括抑制装置本体和固定件，该抑制装置本体包括套筒，套设于所述海洋柔性立管的外壁且能够绕其旋转；平面分隔板，外表为平面的叶片根部固定于所述套筒的外周面上而顶部向外延伸，其上均布有多个导流孔；S型分隔板，外表是S型的曲面形叶片，根部固定于所述套筒的外周面上外周面上而顶部向外延伸；固定件，环形卡扣，成对对称设置于所述抑制装置本体的两端部，套设于所述海洋柔性立管并阻挡所述平面分隔板和所述S型分隔板脱落。本发明海洋柔性立管的涡激振动抑制装置，结构简单，适应各角度来流方向的同时破坏海洋流场，有效抑制立管的旋涡脱落，降低阻力系数，达到抑制由旋涡激发的立管的振动。

技术领域

本发明涉及海洋柔性立管涡激振动的试验装置，吸收了现有抑制装置的优点，考虑其不足，可以实现360度来流作用下的无能耗涡激振动抑制。

背景技术

随着社会进步，经济的迅猛发展，人类对化石能源的需求与日俱增。为了满足经济发展的需要和解决近年来陆上常规资源枯竭导致的能源危机，人们在开发新能源的同时，将油气勘探开发延伸向深海。未来，随着我国深海计划的不断完善、资金的不断投入和技术的不断发展，海洋油气探明储量和产量将保持快速增长。海洋勘探开发生产中，立管是不可或缺的部分，它承担着勘探、开采、传输等功能。随着对海洋油气资源开发的不断深入，作业水深也越来越深，对立管的要求也逐步提高。尤其在深水环境中海流复杂，立管将会受到高温、高压的影响，变得尤为脆弱。同时，立管又受到内外流的影响，是开采过程中薄弱易损构件之一。

当流体流过海洋柔性立管外壁面时，会在立管后端产生周期性旋涡，边界层分离引起旋涡脱落，从而立管会受到流向和横向的交变力，这就导致了立管的涡激振动（VIV）。当旋涡的脱落频率与立管自振频率相近时，立管振动会加剧，振幅加大，产生共振现象，也称锁定（lock-in）现象。这会加速立管的疲劳损伤，从而耽误作业周期，造成巨大的经济损失和生态环境破坏。

研究海洋柔性立管在海流作用下的振动机理是为了降低或者抑制立管涡激振动，增加立管的使用寿命和安全性。因此，研究立管涡激振动的抑制方法具有明确的理论和实际意义。防止或抑制涡激振动的方法主要有主动控制和被动控制。主动式的抑制装置是将外表扰动引入流场从而控制旋涡脱落,达到抑制的目的。与主动控制装置不同的是，被动控制装置设计简单、能够标准化制定、安装简单、维护容易和成本低廉，在实际海洋油气开采中，被动控制装置的利用往往占有更大的比重。被动控制一般可以采用两类方法：调整结构的动力特性或改变漩涡发生的条件和尾流状态，以达到减弱流体所产生的振荡力的目的。国内已有的试验装置（如专利申请号：CN107701122A）是一种开窗引流和旋摆结合的抑制装置，可以完美解决传统装置的方向敏感性问题，但因其结构复杂、造价昂贵，并不能有效应用于实际开发和生产。又如试验装置（专利申请号：CN106285511A）是一种有支撑杆的复合扰动式立管涡激振动抑制装置，它利用叶片轴承拖动旋桨转动解决方向适应性问题，但其结构复杂，且支撑杆的强度无法保证，而深海维修又耗资巨大，因此也不能广泛应用于实际生产中。

常见的被动抑制装置有螺旋列板、导向翼、控制杆、分隔板和轴向板条等。现今国内外对立管涡激振动抑制方法存在的不足主要有：

1．主动抑制装置需要额外的动力消耗，安装复杂，工序繁多,尚未达到推广要求。主动控制需要消耗额外的能量来实现涡激振动的抑制，因此在实际海洋环境中使用还存在一定的困难。

2.具有方向敏感性，如分隔板、飘带，如果将波状表面沿流向转动一定角度则其抑制作用会显著降低甚至消失。

3.轴向板条这类虽然对涡激振动响应振幅具有很好的抑制效果，但造价却十分昂贵，不适用于深海管线。

4.安装推力套环的导向翼能够自由转动以适应流向的变化，从而成为全向性装置,其缺点是体积和自重较大，制作和安装成本高，对于深海大尺度立管，采用此抑制措施并不经济。