專利名稱：一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，特別是關(guān)于一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振
動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置。
背景技術(shù)：
目前，海洋油氣資源的開(kāi)采已經(jīng)逐步走向深海，在深海海洋環(huán)境下，水深往往超過(guò) 幾千米，海流和波浪等海洋水動(dòng)力環(huán)境也更加復(fù)雜，連接海底井口和上部平臺(tái)的立管系統(tǒng) 長(zhǎng)細(xì)比很大，結(jié)構(gòu)具有明顯的柔性特征。當(dāng)海流流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)圓柱形截面立管結(jié)構(gòu)時(shí)，往往會(huì)在 立管兩側(cè)交替地形成渦旋脫落，對(duì)立管產(chǎn)生一個(gè)周期性的交變作用力，進(jìn)而使得立管在與 流向垂直的方向上發(fā)生明顯的大幅橫向振動(dòng)；同時(shí)，立管的振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影 響，加劇水流對(duì)結(jié)構(gòu)的危害作用。當(dāng)渦旋脫落頻率與立管結(jié)構(gòu)的固有頻率比較接近時(shí)，漩渦 的脫落頻率有可能被立管的激發(fā)振動(dòng)頻率所捕獲，發(fā)生"鎖定"現(xiàn)象，引起結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)， 形成流固耦合渦激振動(dòng)，加劇立管的疲勞破壞。當(dāng)渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，除了會(huì)具有明顯的橫向 振動(dòng)外，立管也會(huì)沿流動(dòng)方向發(fā)生順流向彎曲和小幅高頻振動(dòng)，雖然順流向的振動(dòng)幅值較 橫向振動(dòng)往往小一個(gè)數(shù)量級(jí)，但其振動(dòng)頻率更高，同時(shí)水流拖曳力所導(dǎo)致的立管大變形彎 曲，使立管一直處于高應(yīng)力狀態(tài)，這些也都會(huì)加劇立管的疲勞破壞。深海細(xì)長(zhǎng)柔性立管系統(tǒng) 一旦發(fā)生破壞，維修難度大，費(fèi)用高，不僅會(huì)使海洋油氣資源的開(kāi)采經(jīng)受巨大的經(jīng)濟(jì)損失， 同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染。 當(dāng)前，在深海油氣資源開(kāi)采中使用比較廣泛的渦激振動(dòng)抑制措施主要有螺旋條 紋、整流罩和控制桿等。其中，螺旋條紋和整流罩均需要額外制造，造價(jià)比較高，實(shí)際的工程 操作和安裝工藝也比較復(fù)雜。而控制桿成本相對(duì)比較低廉，且施工、安裝也較為方便。國(guó)內(nèi) 外學(xué)者在利用控制桿流動(dòng)控制方面取得了不少研究成果，例如，Ming Zhao等(2008)研究 了在主圓柱(立管)周圍布置一個(gè)小圓柱(控制桿)的繞流場(chǎng)特性，并討論了主、從圓柱間 距以及相對(duì)夾角對(duì)主圓柱受力的影響作用；Md.Mahbub Alam等(2007)和Hyun Sik Yoon 等(2009)研究了均勻流場(chǎng)中兩個(gè)相同并列(side-by-side)圓柱的水動(dòng)力特性，而Sangil Kim等(2009)和Jian Deng等(2006)則研究了串列(tandem)雙圓柱的受力問(wèn)題。但是以 上這些具有代表性的研究工作主要針對(duì)圓柱所受到的拖曳力，而針對(duì)如何減小在立管結(jié)構(gòu) 發(fā)生渦激振動(dòng)中起主導(dǎo)作用的橫向力的研究成果相對(duì)較少，關(guān)于渦激振動(dòng)抑制措施方面的 成果更是鮮有涉及。最近，大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了采用三根 控制桿進(jìn)行立管渦激振動(dòng)抑制方面的實(shí)驗(yàn)研究工作，并申請(qǐng)了名稱為"一種水下管線渦激 振動(dòng)的抑制方法及裝置"的中國(guó)專利，其申請(qǐng)?zhí)枮?00810225715. 1。該專利是將三根控制 桿按圓周等分布置在立管模型周圍，保證來(lái)流方向與控制桿之間的夾角不會(huì)超過(guò)60。，使 邊界層的分離點(diǎn)上游和下游流場(chǎng)中總能存在一到兩根控制桿，這樣對(duì)不同的來(lái)流方向都能 夠起到一定的渦激振動(dòng)抑制效果。但是，上述的三根附屬管抑制方法主要針對(duì)一般的鉆井 立管周圍存在既有附屬管線的情況才適用。對(duì)于海洋油氣工業(yè)中更為廣泛的采油立管，其 周圍并不存在附屬管線，此時(shí)，根據(jù)該申報(bào)專利中的方法，要求在立管周圍的全長(zhǎng)范圍內(nèi)安
3裝附屬控制桿，這對(duì)于實(shí)際的工程問(wèn)題而言，無(wú)論是工程造價(jià)還是施工難度都較大。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種安全可靠、適用范圍更廣泛、渦激振動(dòng)抑 制效果更好、同時(shí)又能有效節(jié)省投資的抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的 被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于它包括設(shè)置在立管周向間隔90。的四根控制桿和多個(gè) 固定所述立管和四根控制桿用的固定裝置，所述固定裝置沿所述立管和控制桿的長(zhǎng)度方向 等間隔設(shè)置。 所述控制桿為所述立管周圍的既有附屬管線。 在所述立管周圍不存在附屬管線時(shí)，所述控制桿為沿所述立管長(zhǎng)度方向等間隔額 外增設(shè)的等長(zhǎng)渦激振動(dòng)抑制桿，且所述渦激振動(dòng)抑制桿沿所述立管長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度總和為 所述立管全長(zhǎng)的40%。 所述固定裝置包括分為兩部分通過(guò)螺栓連接的半圓形塊體、一固定所述立管用的 中心圓孔、沿徑向開(kāi)設(shè)有四固定控制桿用的長(zhǎng)方形槽，每一所述長(zhǎng)方形槽與其對(duì)應(yīng)的所述 固定裝置的側(cè)面連通，在每一與所述長(zhǎng)方形槽連通的端面上設(shè)置有一通過(guò)螺栓頂住所述控 制桿的螺栓孔。 每一所述半圓形塊體的結(jié)合端面兩側(cè)的上、下分別對(duì)稱設(shè)置有一帶有螺絲孔的耳
夾，對(duì)稱的所述耳夾通過(guò)設(shè)置在所述螺絲孔中的螺栓固定連接成一體。 在所述長(zhǎng)方形槽內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)所述控制桿與立管間間距用的墊片。 所述固定裝置采用鋁材料制作，在所述固定裝置上開(kāi)設(shè)有多個(gè)孔。 所述中心圓孔的側(cè)面上開(kāi)設(shè)有若干小槽。 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明在立管周向以等 間隔90°布置四根控制桿，因此可以保證對(duì)水流的來(lái)流方向僅具有45。的依賴性，避免了 以往單根控制桿具有明顯方向敏感性的缺點(diǎn)，同時(shí)還能夠避免當(dāng)實(shí)際洋流來(lái)流方向發(fā)生較 大改變時(shí)，單根控制桿甚至可能加劇立管渦激振動(dòng)的問(wèn)題，因此從渦激振動(dòng)的抑制效果上 來(lái)看，采用目前等角度布置四根控制桿的方案更加安全可靠。2、由于本發(fā)明可以充分利用 實(shí)際深海鉆采工程中鉆井立管周圍既有的附屬管線作為控制桿，因此可以大大降低工程成 本。3、由于本發(fā)明在深海采油立管附近不存在附屬管線的情況下，可以通過(guò)在立管外圍額 外增設(shè)渦激振動(dòng)抑制桿來(lái)抑制渦激振動(dòng)，增設(shè)的渦激振動(dòng)抑制桿只需在立管外按照一定的 分布規(guī)律，總長(zhǎng)達(dá)到主管長(zhǎng)度的40 %即可獲得良好的渦激振動(dòng)抑制效果，因此節(jié)省投資成 本。4、由于本發(fā)明充分考慮了控制桿直徑及其與主管間距對(duì)不同流速范圍內(nèi)渦激振動(dòng)的影 響作用，因此能在較大的流動(dòng)條件范圍內(nèi)起到良好的渦激振動(dòng)抑制效果。5、由于本發(fā)明采 用的四根控制桿等角度布置在立管周圍，因此能在一定程度內(nèi)增加立管結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度， 提高結(jié)構(gòu)安全。6、由于本發(fā)明在沿立管長(zhǎng)度方向按照一定間隔設(shè)置有多個(gè)固定裝置，所采 用的固定裝置包括兩部分螺栓連接的半圓形塊體、一中心圓孔、四長(zhǎng)方形槽和螺栓孔，因此 將控制桿固定到深海立管的過(guò)程中只需將兩半圓形塊體壓緊固定在立管表面，同時(shí)將控制 桿穿入長(zhǎng)方形槽內(nèi)，再利用螺栓穿過(guò)螺栓孔將控制桿擠壓固定在長(zhǎng)方形槽中即可，因此安裝、固定、拆卸過(guò)程方便，便于工程施工。7、由于本發(fā)明在每一半圓形塊體的結(jié)合端面兩側(cè) 對(duì)稱設(shè)置有兩帶有螺絲孔的耳夾，因此進(jìn)一步方便了安裝和拆卸。8、由于本發(fā)明在長(zhǎng)方形 槽內(nèi)設(shè)置有墊片，因此可以靈活地調(diào)節(jié)控制桿與立管之間的間距。9、由于本發(fā)明固定裝置 采用鋁材料制作，在固定裝置上開(kāi)設(shè)有多個(gè)孔，因此固定裝置重量輕、不會(huì)明顯改變結(jié)構(gòu)的 局部剛度條件。10、由于本發(fā)明的中心圓孔的側(cè)面上還開(kāi)設(shè)有若干小槽，因此在立管套入固 定裝置后可以在小槽內(nèi)填入高蓬松材料，利于立管的牢固可靠。綜上所述，本發(fā)明安全可 靠、適用范圍廣泛、渦激振動(dòng)抑制效果佳、工程造價(jià)低廉，可以廣泛用于抑制和減小深海油 氣資源開(kāi)采中的立管渦激振動(dòng)工程危害。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明中40%覆蓋率的控制桿的總體示意圖 圖3是本發(fā)明中控制桿的固定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是本發(fā)明中控制桿的固定裝置1/2部分的結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是圖2的主視圖 圖6是圖2的側(cè)視圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括設(shè)置在立管1周向間隔90。的四根控制桿2，這樣設(shè) 置的好處是第一、可以充分利用實(shí)際深海采油工程中主管周圍既有的附屬管線；第二、四 根附屬管的等角度分布方式可以使立管系統(tǒng)對(duì)來(lái)流角度的適應(yīng)性明顯增強(qiáng)，避免了以往單 根控制桿具有明顯方向敏感性的缺點(diǎn)；第三、相對(duì)之前的三根控制桿方案，對(duì)水流的來(lái)流方 向具有60°的依賴性進(jìn)一步減小到45。(在附屬管線數(shù)量更多的情況下效果更佳)，并且 在附屬管線的安裝工藝和方法方面進(jìn)一步考慮了施工的方便性和作業(yè)中的安全性。
如圖2 6所示，在立管1上沿管長(zhǎng)度方向每隔一段距離設(shè)置一固定裝置3，其是 一由鋁材料制作成而成，其用于將四根控制桿2牢固固定在立管1外的一定距離處。立管l 可以是鉆井隔水管或采油立管，控制桿2是立管1周圍的符合要求的既有的附屬管線(比 如鉆井回流附屬管線)或額外增設(shè)的專門用于抑制渦激振動(dòng)的桿件(下文簡(jiǎn)稱"渦激振 動(dòng)抑制桿")?？刂茥U2為既有附屬管線時(shí)，控制桿2的長(zhǎng)度為立管1的全長(zhǎng)，即覆蓋率達(dá)到 100% 。在立管1周圍不存在附屬管線的情況下，控制桿2為額外增設(shè)的四根等長(zhǎng)渦激振動(dòng) 抑制桿，且渦激振動(dòng)抑制桿沿立管1長(zhǎng)度方向等間隔設(shè)置。渦激振動(dòng)抑制桿不需沿立管1 全長(zhǎng)布置，只要各段渦激振動(dòng)抑制桿沿立管1長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度總和達(dá)到立管1全長(zhǎng)的40%， 即覆蓋率為40%即可獲得較好的抑制效果。具體方式如下假設(shè)實(shí)際立管1總長(zhǎng)為L(zhǎng)，可被 等分為n(n二 1，2，3…)段，每一段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)/n ;每根渦激振動(dòng)抑制桿的長(zhǎng)度為h，將每組 四根渦激振動(dòng)抑制桿按照等間距的形式分段布置在立管1的外側(cè)，并保證mh/L = 40%，其 中m為渦激振動(dòng)抑制桿的實(shí)際布置段數(shù)(m < n)。對(duì)于每段增設(shè)的渦激振動(dòng)抑制桿仍采用 固定裝置3固定到立管1上。 固定裝置3包括兩部分通過(guò)螺栓連接的半圓形塊體31，每一半圓形塊體31的結(jié)合端面兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有兩耳夾4，可以使螺栓通過(guò)耳夾4上的螺絲孔5將兩半圓形塊體31組 合在一起。固定裝置3的中心設(shè)置有一圓孔6，該圓孔的直徑與立管1匹配；與此相對(duì)應(yīng)， 固定裝置3上沿徑向開(kāi)設(shè)有四長(zhǎng)方形槽7，相鄰二槽7之間的夾角設(shè)置為90° ，用于固定立 管1周圍的四根控制桿2。每一槽7與其對(duì)應(yīng)的固定裝置3的側(cè)面連通，與每一槽7對(duì)應(yīng)的 端面上設(shè)置有一螺栓孔8，利用螺栓通過(guò)螺栓孔8可以將控制桿2壓緊并固定在槽7內(nèi)。
上述實(shí)施例中，還可以在槽7內(nèi)設(shè)置墊片，方便調(diào)節(jié)控制桿2與立管1之間的間 距，墊片可以采用多層鋁質(zhì)或橡膠墊層，但不限于此。 上述各實(shí)施例中，可以在固定裝置3上開(kāi)設(shè)有多個(gè)孔9，從而可以減小固定裝置3 的重量，進(jìn)而可以使固定裝置3對(duì)立管1結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布影響較小。 上述各實(shí)施例中，為了使渦激振動(dòng)抑制裝置與立管1的固定更為牢靠，防止抑制 裝置與立管1固定后發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，圓孔6的側(cè)面上還開(kāi)設(shè)有若干小槽61，在立管上安裝 固定裝置3時(shí)，小槽61內(nèi)可以填入高蓬松材料，本實(shí)施例中，小槽61數(shù)目為4個(gè)，周向間隔 90° 。 上述各實(shí)施例中，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置、及其連接都是可以有所變化的，在本 發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范 圍之外。
權(quán)利要求
一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于它包括設(shè)置在立管周向間隔90°的四根控制桿和多個(gè)固定所述立管和四根控制桿用的固定裝置，所述固定裝置沿所述立管和控制桿的長(zhǎng)度方向等間隔設(shè)置。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于所述控制桿為所述立管周圍的既有附屬管線。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特 征在于在所述立管周圍不存在附屬管線時(shí)，所述控制桿為沿所述立管長(zhǎng)度方向等間隔額 外增設(shè)的等長(zhǎng)渦激振動(dòng)抑制桿，且所述渦激振動(dòng)抑制桿沿所述立管長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度總和為 所述立管全長(zhǎng)的40%。
4. 如權(quán)利要求1或2或3所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于所述固定裝置包括分為兩部分通過(guò)螺栓連接的半圓形塊體、一固定所述立 管用的中心圓孔、沿徑向開(kāi)設(shè)有四固定控制桿用的長(zhǎng)方形槽，每一所述長(zhǎng)方形槽與其對(duì)應(yīng) 的所述固定裝置的側(cè)面連通，在每一與所述長(zhǎng)方形槽連通的端面上設(shè)置有一通過(guò)螺栓頂住 所述控制桿的螺栓孔。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于每一所述半圓形塊體的結(jié)合端面兩側(cè)的上、下分別對(duì)稱設(shè)置有一帶有螺絲孔的耳 夾，對(duì)稱的所述耳夾通過(guò)設(shè)置在所述螺絲孔中的螺栓固定連接成一體。
6. 如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于在所述長(zhǎng)方形槽內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)所述控制桿與立管間間距用的墊片。
7. 如權(quán)利要求1或2或3或5或6所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于所述固定裝置采用鋁材料制作，在所述固定裝置上開(kāi)設(shè)有多個(gè)孔。
8. 如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于所述固定裝置采用鋁材料制作，在所述固定裝置上開(kāi)設(shè)有多個(gè)孔。
9. 如權(quán)利要求1或2或3或5或6或8所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于所述中心圓孔的側(cè)面上開(kāi)設(shè)有若干小槽。
10. 如權(quán)利要求4所述的一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于所述中心圓孔的側(cè)面上開(kāi)設(shè)有若干小槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抑制細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的被動(dòng)型流動(dòng)控制裝置，其特征在于它包括以90°等角度設(shè)置在立管外的四根控制桿和多個(gè)固定所述立管和控制桿所用到的固定裝置，所述固定裝置沿所述立管和控制桿的長(zhǎng)度方向等間隔設(shè)置；所述控制桿可以為所述立管周圍的既有附屬管線，也可以為所述立管周圍增設(shè)的桿件。所述的既有附屬管線在立管外為100％覆蓋，增設(shè)的控制桿在立管外沿軸向等間隔間斷分布，總體覆蓋率為立管總長(zhǎng)的40％。四根控制桿與立管的圓心距可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳抑制效果。本發(fā)明相對(duì)以往的深海立管渦激振動(dòng)抑制裝置更加安全可靠、適用范圍更廣泛、渦激振動(dòng)抑制效果更好、同時(shí)又能有效節(jié)省投資，可以廣泛用于抑制和減小渦激振動(dòng)對(duì)深海細(xì)長(zhǎng)柔性立管的工程危害。
文檔編號(hào)F15D1/00GK101725593SQ200910237489
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者付英軍, 勾瑩, 呂林, 吳浩, 唐國(guó)強(qiáng), 宋吉寧, 張建僑, 李廣偉, 滕斌, 王世圣, 許亮斌, 謝彬 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司;中海石油研究中心;大連理工大學(xué)