深海立管唇式反向耦合双螺旋叶片式涡激振动抑制装置

摘要

本发明提供的是一种深海立管唇式反向耦合双螺旋叶片式涡激振动抑制装置。由多个基本模块组合而成，基本模块由导流罩和扰流叶片组成；导流罩为内径为立管的外径的半圆环状结构；基本模块按周向展开后扰流叶片从导流罩右上角到底边中点处沿直线布置、且在两端处各留有一定间隙，从轴向看扰流叶片的首尾分别距导流罩的纵、横轴各有一个夹角θ；左旋和右旋基本模块按照轴向截面对称安装于立管表面，形成一个基本扰流单元；各扰流单元沿着立管轴线首尾依次对接，上下两个扰流单元对接处绕立管轴线错开180度。本发明在立管的两侧以唇式反向耦合的形式对称布置两组扰流叶片，以使扰流效果达到最优化，使涡激振动对立管的疲劳寿命影响最小。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种深海立管的涡激振动抑制装置。 

背景技术

深海立管是海上平台(半潜平台、Spar平台、张力腿式平台、FPSO等)与海底井口的唯一连接结构，主要功能为将海底气田内的油气输送到海上生产平台，深海立管能否正常运转对于海上油气生产关系重大。在立管海损事故当中，几种主要的破坏形式(断裂，泄露)都与一种现象息息相关，就是涡激振动(VIV)现象。当海流经过圆柱形立管结构的物体时，会在立管后部的两侧出现交替的旋涡，形成一个周期性的交变力作用在立管上，使立管在与海流流向一致和垂直的方向上同时产生振动，且在与海流方向相垂直方向上的振动最为剧烈。同时结构的振动也会对流场产生影响，使旋涡增强，阻力加大。因此立管的涡激振动是一个典型的流固耦合现象。当旋涡脱落的频率与结构的固有频率接近或者相同时，就会引起立管的强烈振动，同时发生“锁定”现象，加剧立管的疲劳破坏。深海立管产生涡激振动的同时，也会对海上平台主体造成影响，使平台运动幅度加大，造成立管节点处应力增加，这对于刚性立管尤为严重。 

目前国外对深海立管涡激振动的抑制一般主要采用两种方式，一种是在立管来流方向的后部加装鱼鳍状导流板，另一种是加装多组的螺旋形的导流板，以减少涡激振动。但是以上两种装置成本比较高，重量较大，性价比偏低。国内尚无深海油田开发的经验，因此无深海立管涡激振动抑制装置的具体使用案例。 

申请号为200810158612.8，名称为海洋立管涡激振动的抑振方法及其抑振装置的专利文件中，公开的抑制装置为固定在导流罩上的扰流装置，该装置是有首尾相连的多个月牙形扰流肋组成的扰流肋条，而且扰流肋条以螺旋线缠绕的方式设置在导流罩的外表面上，其螺距为立管外径的5-15倍。 

申请号为200710060647.3，名称为海底管道涡激振动抑制方法的专利文件中，公开的是对海底管道涡激振动抑制方法，采用制作多对大小、弯曲弧度相同的舌状导流片，每片导流片从底边到顶端渐细，底边开有方波状切口，外壁上固定有Z字型激流丝；每一对导流片底边的方波状切口相配合；在海底管道上按照海底管道外径1.5-2.5倍的间距装配和固定导流罩，每个导流罩由两对导流片经过拼接和焊接，形成为中部凸起两顶端连接的对称壳体，将海底管道包覆在中部的部位。 

申请号为200810225715.1，名称为一种水下管线涡激振动的抑制方法及装置的专利文件 中，公开的的抑制装置采用了的是环绕主管周向按120度间隔设置三根控制杆，所述控制杆与主杆平行。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种经济，高效的深海立管唇式反向耦合双螺旋叶片式涡激振动抑制装置。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明的深海立管唇式反向耦合双螺旋叶片式涡激振动抑制装置由多个基本模块组合而成，所述基本模块又由导流罩和扰流叶片组成；导流罩为内径为立管的外径的半圆环状结构；基本模块按周向展开后扰流叶片在导流罩上的布置位置为：从导流罩右上角到底边中点处沿直线布置、且在两端处各留有一定间隙，从轴向看扰流叶片的首尾分别距导流罩的纵、横轴各有一个夹角θ；左旋和右旋基本模块按照轴向截面对称安装于立管表面，形成一个基本扰流单元；各扰流单元沿着立管轴线首尾依次对接，上下两个扰流单元对接处绕立管轴线错开180度，依次串联排列扰流单元使得扰流叶片呈唇式排列。 

本发明还可以包括： 

1、导流罩的厚度与内径D的关系满足厚度为0.04D，导流罩的轴向长度为1.5-2.0m。 

2、所述中夹角θ为10°-15°。 

3、扰流叶片的横剖面为等腰三角形。 

4、所述等腰三角形的底边长z＝0.05D-0.2D，高d＝0.25D-0.5D，且底边连接在导流罩的外表面。 

本发明针对深海立管涡激振动的产生机理，设计出一种能够有效地改变立管周围流场，抑制立管涡激振动的装置。该装置主要由附着于立管外的导流罩以及扰流叶片构成。扰流叶片是由螺旋形排列的首尾相连的弯刀形扰流叶片所组成。该发明的特色在于在立管的两侧以唇式反向耦合的形式对称布置两组扰流叶片，以使扰流效果达到最优化，使涡激振动对立管的疲劳寿命影响最小。 

本发明是一种新型、高效的深海立管涡激振动抑制装置，该装置的主要构成为基本模块，基本模块的尺寸由立管的实际外径尺寸确定。基本模块由导流罩和扰流叶片组成，将4-8个基本模块上的扰流叶片按反向耦合双螺旋的形式排列，并对称安装在立管上，形成一个抑制单元，将多个抑制单元组合在一起，形成本涡激振动抑制装置。 

该装置较国外的螺旋连续式抑制装置更加先进，可以将涡激振动的抑制效果提高40％以上，并节省了材料，装置的重量也降低了30％左右，另外该装置的制造、安装成本也有显著下降，更加明显的优势是该装置使立管的受力更加均匀，避免了由于单向螺纹型排列的扰流叶片所造成的立管扭转现象。 

本发明的效果主要包括： 

1、采用分组模块化生产、分散安装方法，能有效地减少螺旋叶片上的应力集中现象； 

2、采用了唇形耦合螺旋叶片式的布置形式，可以有效地抑制海流所引发的涡激振动。采用该装置能使立管的涡激振动幅值减小40％； 

3、若采用微毒性塑料作为主要的材料，能有效降低成本，简化制作工艺，并可有效抑制海洋生物的生长，也可为立管提供一定的浮力。 

附图说明

图1基本模块侧视图(右旋)； 

图2基本模块轴向视图(右旋)； 

图3a基本模块周向展开图(右旋)，图3b为图3a的A-A截面图； 

图4扰流单元立体图； 

图5四个扰流单元串联装配后的立体图。 

具体实施方式

本发明的深海立管唇式反向耦合双螺旋叶片式涡激振动抑制装置主要由多个基本模块组合而成，基本模块又由导流罩1和扰流叶片2组成。由于该装置从侧向上看，其扰流叶片的组成形式像一个附在立管上的嘴唇，因此称为唇式反向耦合双螺旋叶片式涡激振动抑制装置。 

每个基本模块由导流罩和扰流叶片组成；基本模块根据扰流叶片方向又分为左旋和右旋两种，两种基本模块关于轴向截面对称。导流罩为半圆环状结构，内径为立管的外径D，厚度为0.04D，轴向长度可根据需要调整，以1.5-2.0m为宜。将基本模块按周向展开，扰流叶片在导流罩上的布置位置为：从导流罩右上角到底边中点处，沿直线布置，且在两端处各留有一定间隙。从轴向看，扰流叶片的首尾分别距导流罩的纵、横轴各有一个夹角θ，如图2所示，其中夹角θ为10°-15°。扰流叶片的横剖面为等腰三角形，等腰三角形的底边长z＝0.05D-0.2D，高d＝0.25D-0.5D，且底边连接在导流罩的外表面。(注：基本模块(左旋)与基本模块(右旋)完全一样，只是方向不同，故没有画出。) 

将左旋和右旋基本模块按照轴向截面对称安装于立管表面，形成一个基本扰流单元。然后将扰流单元沿着立管轴线首尾依次对接，上下两个扰流单元对接时绕立管轴线错开180度。依次串联排列扰流单元，使得扰流叶片呈唇式排列。