[发明专利]海洋立管海流响应表面附加层

说明书

技术领域

本发明属于海洋石油钻采装备技术领域，涉及的是一种海洋立管表面对海流响应的附加层的设计方法与装置。

背景技术

在海洋石油钻探与开采过程中，海洋立管是最为重要的一种输运或者隔水设备。这些细长的海洋立管在海洋环境中必然要经受各种海流作用，立管承受应力，从而可能损坏并失效。一种典型的损坏形式是立管涡激损坏，该损坏方式已经被证明。当海流流经立管时，在一定的流速条件下，将在其后两侧周期性地形成并释放涡漩。涡漩周期性形成与脱落将对立管产生交替作用力，迫使立管在与流向垂直方向上横向振动；立管振动反过来影响流场，增强涡漩。这种相互作用即是流固耦合作用。立管除会发生横向振动，由于海流阻力，立管也会发生纵向振动。当涡漩频率与结构振动频率一致时，涡漩与结构振动将锁定，结构振动持续增强，涡激作用力将导致立管疲劳破坏。在涡激作用力之外，海流也对立管产生拖曳力和冲击力。只要海流运动，围绕立管的流场状态发生改变，立管必然要承受海流运动产生的作用力，并可能在一定范围内随海流运动摇摆。立管在这些运动和应力作用下将会损坏和失效，甚至可能引发灾难。

目前，海流运动对立管的影响主要考虑涡激振动作用力，对其它海流作用力则考虑得很少。通常使用抑制装置来抑制涡激振动，这些装置体积、重量相对较大，使用范围有较多限制。本发明旨在提供一种简单、经济、适用范围广的一种兼有涡振抑制功能的又能对海流作用进行有效响应的海洋立管海流响应表面附加层（简称表面附加层）设计的方法与装置。

发明内容

本发明针对海流作用广泛，从制作、安装、维护简单且经济、适用范围广的角度出发，提供一种兼有预防涡漩产生和响应海流运动的立管表面附加层的设计方法与装置。

本设计中，基体承载扰流体，它包覆在立管上，以将本装置固定在立管上。基体可以就是立管外表面本身；基体可以是一薄层，像一张纸、一张铁皮或者塑料皮，又或者像一张防滑垫等；可以是平的，也可以是波浪形的。基体材料可以是刚性的或者弹性的，甚至可以是海绵体。扰流体是有一定厚度的丛式体，它可以是杂乱的形式，也可以是有序的形式。它可以是不规则曲线体，也可以是规则的几何曲线体，如矩形、三角形等。

本发明提供一种海洋立管海流响应表面附加层，它的一种典型特征是：海洋立管海流响应表面附加层由扰流体和基体构成。扰流体为丛式体，固定在基体上，基体固定在立管上，直接与立管外表面接触。丛式体由丛式单元构成，每个丛式单元是一簇曲线体。曲线体的几何特征为曲线或者直线，可以在各方向弯曲变形。丛式单元分布在基体上，基体为圆环柱体。

本发明能响应来流作用，对来流进行反作用，从而改变立管附近的流场状态。本表面附加层在生产时可以直接加工成圆环柱体，也可以先加工成长方体，再进行切割、拼接成圆环柱体。扰流体与丛式单元可以分别生产，也可以与立管一起加工。本表面附加层固定在立管上分两种类型：已加工成圆环柱体时可直接套装在立管上，或者固定在套管上。当还是长方体时，将它包覆在立管上进行对接和固定。

(1)基于以上设计，本海洋立管海流响应表面附加层有如下优点：

(2)生产简单、安装简单且灵活，经久耐用，维修简单，整个装置非常经济，适应范围广。

(3)能够响应各种海流作用，有较好的涡激振动抑制作用，可以缓冲与分散海流作用力。

(4)对立管有保护作用，可以缓冲物体撞击。

(5)容易进行批量生产，并且可以方便地切割得到所需要本表面附加层的一段。

(6)可以与立管加工成一个整体。

附图说明

图1本表面附加层沿母线展开后的横截面剖视图。

图2本图给出图1中丛式单元、曲线体与基体上表面形状。

图3本表面附加层加装在海洋立管上一节的示意图，包括横截面与轴截面剖视图。

图4本表面附加层三个单元一起加装海洋立管上轴截面剖视图。

图中：1．扰流体，2．基体，3．丛式单元，4．曲线体，5．基体上表面。

具体实施方式

本文提供一种海洋立管海流响应表面附加层，它由扰流体1和基体2构成。扰流体1为丛式体，固定在基体2上，基体套在立管上，直接与立管外表面接触。丛式体由丛式单元3构成，每个丛式单元是一簇曲线体4。曲线体4的几何特征为曲线或者直线，可以在各方向弯曲变形。丛式单元3分布在基体上，基体为圆环柱体。

本表面附加层中的扰流体1中的曲线体4可以有几种表现形式：任意弯曲形状、规则的矩形和三角形等。本表面附加层中基体2上表面5可以是平面和波浪面，基体可以是刚性和弹性的。

对已经加工成圆环柱体的本表面附加层在立管外表面的安装方法有：(1)直接套接在立管外表面；(2)通过卡扣等构件固定在外表面。对长方体（即尚未加工成圆环柱体）的本表面附加层的安装方法是：将其包覆在立管外表面，在对接处对基体2进行焊接或者扣接，或者采用其它对接方法。本表面附加层也可与立管加工成一个整体，这样就免去安装过程。基体套在立管上，可以是固定的，也可以是能旋转的。