[发明专利]一种抑制细长柔性立管涡激振动的被动型流动控制装置

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。