一种抑制细长柔性立管涡激振动的被动型流动控制装置

摘要

本发明涉及一种抑制细长柔性立管涡激振动的被动型流动控制装置，其特征在于：它包括以90°等角度设置在立管外的四根控制杆和多个固定所述立管和控制杆所用到的固定装置，所述固定装置沿所述立管和控制杆的长度方向等间隔设置；所述控制杆可以为所述立管周围的既有附属管线，也可以为所述立管周围增设的杆件。所述的既有附属管线在立管外为100％覆盖，增设的控制杆在立管外沿轴向等间隔间断分布，总体覆盖率为立管总长的40％。四根控制杆与立管的圆心距可根据实际情况调节，以达到最佳抑制效果。本发明相对以往的深海立管涡激振动抑制装置更加安全可靠、适用范围更广泛、涡激振动抑制效果更好、同时又能有效节省投资，可以广泛用于抑制和减小涡激振动对深海细长柔性立管的工程危害。

说明书

技术领域

本发明涉及一种被动型流动控制装置，特别是关于一种抑制细长柔性立管涡激振动的被动型流动控制装置。

背景技术

目前，海洋油气资源的开采已经逐步走向深海，在深海海洋环境下，水深往往超过几千米，海流和波浪等海洋水动力环境也更加复杂，连接海底井口和上部平台的立管系统长细比很大，结构具有明显的柔性特征。当海流流经细长圆柱形截面立管结构时，往往会在立管两侧交替地形成涡旋脱落，对立管产生一个周期性的交变作用力，进而使得立管在与流向垂直的方向上发生明显的大幅横向振动；同时，立管的振动反过来又会对流场产生影响，加剧水流对结构的危害作用。当涡旋脱落频率与立管结构的固有频率比较接近时，漩涡的脱落频率有可能被立管的激发振动频率所捕获，发生“锁定”现象，引起结构的强烈振动，形成流固耦合涡激振动，加剧立管的疲劳破坏。当涡激振动发生时，除了会具有明显的横向振动外，立管也会沿流动方向发生顺流向弯曲和小幅高频振动，虽然顺流向的振动幅值较横向振动往往小一个数量级，但其振动频率更高，同时水流拖曳力所导致的立管大变形弯曲，使立管一直处于高应力状态，这些也都会加剧立管的疲劳破坏。深海细长柔性立管系统一旦发生破坏，维修难度大，费用高，不仅会使海洋油气资源的开采经受巨大的经济损失，同时还会造成严重的海洋环境污染。

当前，在深海油气资源开采中使用比较广泛的涡激振动抑制措施主要有螺旋条纹、整流罩和控制杆等。其中，螺旋条纹和整流罩均需要额外制造，造价比较高，实际的工程操作和安装工艺也比较复杂。而控制杆成本相对比较低廉，且施工、安装也较为方便。国内外学者在利用控制杆流动控制方面取得了不少研究成果，例如，Ming Zhao等(2008)研究了在主圆柱(立管)周围布置一个小圆柱(控制杆)的绕流场特性，并讨论了主、从圆柱间距以及相对夹角对主圆柱受力的影响作用；Md.Mahbub Alam等(2007)和Hyun Sik Yoon等(2009)研究了均匀流场中两个相同并列(side-by-side)圆柱的水动力特性，而Sangil Kim等(2009)和Jian Deng等(2006)则研究了串列(tandem)双圆柱的受力问题。但是以上这些具有代表性的研究工作主要针对圆柱所受到的拖曳力，而针对如何减小在立管结构发生涡激振动中起主导作用的横向力的研究成果相对较少，关于涡激振动抑制措施方面的成果更是鲜有涉及。最近，大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开展了采用三根控制杆进行立管涡激振动抑制方面的实验研究工作，并申请了名称为“一种水下管线涡激振动的抑制方法及装置”的中国专利，其申请号为200810225715.1。该专利是将三根控制杆按圆周等分布置在立管模型周围，保证来流方向与控制杆之间的夹角不会超过60°，使边界层的分离点上游和下游流场中总能存在一到两根控制杆，这样对不同的来流方向都能够起到一定的涡激振动抑制效果。但是，上述的三根附属管抑制方法主要针对一般的钻井立管周围存在既有附属管线的情况才适用。对于海洋油气工业中更为广泛的采油立管，其周围并不存在附属管线，此时，根据该申报专利中的方法，要求在立管周围的全长范围内安装附属控制杆，这对于实际的工程问题而言，无论是工程造价还是施工难度都较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种安全可靠、适用范围更广泛、涡激振动抑制效果更好、同时又能有效节省投资的抑制细长柔性立管涡激振动的被动型流动控制装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种抑制细长柔性立管涡激振动的被动型流动控制装置，其特征在于：它包括设置在立管周向间隔90°的四根控制杆和多个固定所述立管和四根控制杆用的固定装置，所述固定装置沿所述立管和控制杆的长度方向等间隔设置。

所述控制杆为所述立管周围的既有附属管线。

在所述立管周围不存在附属管线时，所述控制杆为沿所述立管长度方向等间隔额外增设的等长涡激振动抑制杆，且所述涡激振动抑制杆沿所述立管长度方向的长度总和为所述立管全长的40％。

所述固定装置包括分为两部分通过螺栓连接的半圆形块体、一固定所述立管用的中心圆孔、沿径向开设有四固定控制杆用的长方形槽，每一所述长方形槽与其对应的所述固定装置的侧面连通，在每一与所述长方形槽连通的端面上设置有一通过螺栓顶住所述控制杆的螺栓孔。

每一所述半圆形块体的结合端面两侧的上、下分别对称设置有一带有螺丝孔的耳夹，对称的所述耳夹通过设置在所述螺丝孔中的螺栓固定连接成一体。

在所述长方形槽内设置调节所述控制杆与立管间间距用的垫片。

所述固定装置采用铝材料制作，在所述固定装置上开设有多个孔。

所述中心圆孔的侧面上开设有若干小槽。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明在立管周向以等间隔90°布置四根控制杆，因此可以保证对水流的来流方向仅具有45°的依赖性，避免了以往单根控制杆具有明显方向敏感性的缺点，同时还能够避免当实际洋流来流方向发生较大改变时，单根控制杆甚至可能加剧立管涡激振动的问题，因此从涡激振动的抑制效果上来看，采用目前等角度布置四根控制杆的方案更加安全可靠。2、由于本发明可以充分利用实际深海钻采工程中钻井立管周围既有的附属管线作为控制杆，因此可以大大降低工程成本。3、由于本发明在深海采油立管附近不存在附属管线的情况下，可以通过在立管外围额外增设涡激振动抑制杆来抑制涡激振动，增设的涡激振动抑制杆只需在立管外按照一定的分布规律，总长达到主管长度的40％即可获得良好的涡激振动抑制效果，因此节省投资成本。4、由于本发明充分考虑了控制杆直径及其与主管间距对不同流速范围内涡激振动的影响作用，因此能在较大的流动条件范围内起到良好的涡激振动抑制效果。5、由于本发明采用的四根控制杆等角度布置在立管周围，因此能在一定程度内增加立管结构的整体强度，提高结构安全。6、由于本发明在沿立管长度方向按照一定间隔设置有多个固定装置，所采用的固定装置包括两部分螺栓连接的半圆形块体、一中心圆孔、四长方形槽和螺栓孔，因此将控制杆固定到深海立管的过程中只需将两半圆形块体压紧固定在立管表面，同时将控制杆穿入长方形槽内，再利用螺栓穿过螺栓孔将控制杆挤压固定在长方形槽中即可，因此安装、固定、拆卸过程方便，便于工程施工。7、由于本发明在每一半圆形块体的结合端面两侧对称设置有两带有螺丝孔的耳夹，因此进一步方便了安装和拆卸。8、由于本发明在长方形槽内设置有垫片，因此可以灵活地调节控制杆与立管之间的间距。9、由于本发明固定装置采用铝材料制作，在固定装置上开设有多个孔，因此固定装置重量轻、不会明显改变结构的局部刚度条件。10、由于本发明的中心圆孔的侧面上还开设有若干小槽，因此在立管套入固定装置后可以在小槽内填入高蓬松材料，利于立管的牢固可靠。综上所述，本发明安全可靠、适用范围广泛、涡激振动抑制效果佳、工程造价低廉，可以广泛用于抑制和减小深海油气资源开采中的立管涡激振动工程危害。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明中40％覆盖率的控制杆的总体示意图

图3是本发明中控制杆的固定装置的结构示意图

图4是本发明中控制杆的固定装置1/2部分的结构示意图

图5是图2的主视图

图6是图2的侧视图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括设置在立管1周向间隔90°的四根控制杆2，这样设置的好处是：第一、可以充分利用实际深海采油工程中主管周围既有的附属管线；第二、四根附属管的等角度分布方式可以使立管系统对来流角度的适应性明显增强，避免了以往单根控制杆具有明显方向敏感性的缺点；第三、相对之前的三根控制杆方案，对水流的来流方向具有60°的依赖性进一步减小到45°(在附属管线数量更多的情况下效果更佳)，并且在附属管线的安装工艺和方法方面进一步考虑了施工的方便性和作业中的安全性。

如图2～6所示，在立管1上沿管长度方向每隔一段距离设置一固定装置3，其是一由铝材料制作成而成，其用于将四根控制杆2牢固固定在立管1外的一定距离处。立管1可以是钻井隔水管或采油立管，控制杆2是立管1周围的符合要求的既有的附属管线(比如：钻井回流附属管线)或额外增设的专门用于抑制涡激振动的杆件(下文简称“涡激振动抑制杆”)。控制杆2为既有附属管线时，控制杆2的长度为立管1的全长，即覆盖率达到100％。在立管1周围不存在附属管线的情况下，控制杆2为额外增设的四根等长涡激振动抑制杆，且涡激振动抑制杆沿立管1长度方向等间隔设置。涡激振动抑制杆不需沿立管1全长布置，只要各段涡激振动抑制杆沿立管1长度方向的长度总和达到立管1全长的40％，即覆盖率为40％即可获得较好的抑制效果。具体方式如下：假设实际立管1总长为L，可被等分为n(n＝1，2，3…)段，每一段的长度为L/n；每根涡激振动抑制杆的长度为h，将每组四根涡激振动抑制杆按照等间距的形式分段布置在立管1的外侧，并保证mh/L＝40％，其中m为涡激振动抑制杆的实际布置段数(m＜n)。对于每段增设的涡激振动抑制杆仍采用固定装置3固定到立管1上。

固定装置3包括两部分通过螺栓连接的半圆形块体31，每一半圆形块体31的结合端面两侧对称设置有两耳夹4，可以使螺栓通过耳夹4上的螺丝孔5将两半圆形块体31组合在一起。固定装置3的中心设置有一圆孔6，该圆孔的直径与立管1匹配；与此相对应，固定装置3上沿径向开设有四长方形槽7，相邻二槽7之间的夹角设置为90°，用于固定立管1周围的四根控制杆2。每一槽7与其对应的固定装置3的侧面连通，与每一槽7对应的端面上设置有一螺栓孔8，利用螺栓通过螺栓孔8可以将控制杆2压紧并固定在槽7内。

上述实施例中，还可以在槽7内设置垫片，方便调节控制杆2与立管1之间的间距，垫片可以采用多层铝质或橡胶垫层，但不限于此。

上述各实施例中，可以在固定装置3上开设有多个孔9，从而可以减小固定装置3的重量，进而可以使固定装置3对立管1结构的质量分布影响较小。

上述各实施例中，为了使涡激振动抑制装置与立管1的固定更为牢靠，防止抑制装置与立管1固定后发生移动和转动，圆孔6的侧面上还开设有若干小槽61，在立管上安装固定装置3时，小槽61内可以填入高蓬松材料，本实施例中，小槽61数目为4个，周向间隔90°。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。