[发明专利]一种可抑制涡激振动的水下管道

说明书

技术领域

本发明属于水下设施铺设技术领域，具体涉及一种可抑制水下涡激振动的管道。

背景技术

海洋采油、勘探等系统中有众多细长管道（或管线）结构物，用以固定平台及输送燃油等，是海洋工程船舶或是海洋平台作业时必不可少的结构物。这些管道的截面形状多为圆形，如采油立管及天然气管道等等，这些管道长期浸没在海水中，承受着水流的作用，而水流在流动过程中又因压力分布不均而产生漩涡，漩涡的形成和脱落诱发产生管道产生涡激振动现象。当漩涡脱落频率接近或是等于管道固有频率时，管道的振动加强，漩涡的脱落过程将受结构振动控制而具有与结构振动频率相同的脱落频率，产生“锁定”现象，使其处于高应力状态，加剧管道疲劳，尤其对于柔性管系的长细比很大的管道，会发生严重的变形扭曲，大大降低管道使用寿命。

目前，一般采用抑制方法抑制管道涡激振动现象，按抑制原理分为主动抑制和被动抑制两类。主动抑制是指在管道投入使用期间人为地或者通过设计动力或操控装置主动扰乱流场，控制流场漩涡脱落模式以达到抑制振动的目的。但是在实际使用中，成本很大，操作不易实施。被动抑制是指不需外部动力能量和实时控制，而是添加附属可扰流装置控制漩涡生成方式，破坏漩涡发展过程，常用的装置有整流罩、分隔板、螺旋侧板、轴向板条、控制杆等，但是成本加大，额外安装困难，其中，螺旋侧板作为圆柱体表面突起抑制装置，通过分离剪切层或分离线，扰乱漩涡发放尾流场，且因其具有各向同性，能适应复杂多变的海洋环境。但是由于螺旋侧板的存在增大了立管的迎流面积，导致沿流向阻力增加。加之其安装和控制要求较高。

根据经典流体力学理论，物体的截面形状若为流线型，粘性流体流经物体表面时不会出现边界层的离题现象，能显著地降低了漩涡发放出现的可能性。基于这一原理，当管道外形呈流线型时，抑制涡激振动的效果将会大大增强。

发明内容

本发明的目的是为了更好地抑制管道涡激振动现象，根据经典流体力学原理，提供一种整体外形成螺旋式的能有效抑制任意方向来流的水下管道，无需外加动力或操控装置以及附属可扰流装置。

本发明采用的技术方案是：本发明由管道的下端横截面沿轴向经中心轴向上螺旋拉伸而成，下端横截面的外边界是六段60°圆弧切向首尾相连而成，六段60°圆弧按顺时针旋向布置依序是圆弧a、b、c、d、e、f，圆弧a的圆心O₁ 、圆弧c 的圆心O₂ 、圆弧e的圆心O₃至下横截面中心点O之间的三个线段长度相等，三个线段之间的夹角均为                                                ，以R=O₁O₂+ O₁A为半径作圆与圆O₂ 、圆O₃相切，在与圆O₂ 和圆O₃相切点之间的圆弧即为圆弧d，O₁A是圆弧a的半径；以O₂为圆心，以半径R作圆与圆O₁ 、圆O₃相切，在与圆O₁ 、圆O₃相切点之间的圆弧即为圆弧f；以O₃为圆心，以半径R为作圆与圆O₁ 、圆O₂相切，在与圆O₁ 、圆O₂相切点之间的圆弧即为圆弧b。

本发明结构简单，整个为单一螺旋体，对来流方向性不敏感，且截面光顺呈流线型，对任意方向来流均具有抑振效果，抗流强度和抑振性能优异，可提高使用寿命；不需借助外在抑振装置，省去了额外的安装，节省了成本。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明可抑制涡激振动的水下管道的立体结构示意图；

图2为管道下端横截面的结构放大示意图；

图3为图2的横截面结构生成示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明可抑制涡激振动的水下管道自成一体，为单一个体，将管道的下端横截面沿管道的轴向经中心轴向上螺旋拉伸而成，管道的上端横截面的形状与下端横截面的形状相同。

如图2和3所示，下端或者上端横截面的外边界是六段60°圆弧切向首尾相连而成，外围光滑流畅，这六段60°圆弧按顺时针旋向布置依序是圆弧a、b、c、d、e、f。