[发明专利]一种隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法

说明书

本发明涉及一种隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法，其特征在于：其包括其包括带尾翼的分离盘、对称设置在分离盘的尾翼两侧的两振动管柱、以及对称设置在所述分离盘尾翼与两所述振动管柱之间的两套可变刚度和可变阻尼系统与馈能控制系统。采用分离盘附加振动管柱结构，附加的振动管柱可直接干扰隔水管后方漩涡形成与脱落过程，涡激振动抑制效果更优，同时设计了馈能控制系统，可以实现自我供能与实时控制。本发明结构简单，可靠性高，装配简便，自适应强，可广泛用于各种海洋油气钻井作业中。

技术领域

本发明涉及海上油气钻井领域的涡激振动抑制装置，尤其是涉及一种隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法。

背景技术

在海洋油气钻井过程中，当海流流经海洋油气管柱时，由于流体的粘性和边界层分离，它会在管柱后方产生漩涡释放，即卡门涡街现象。周期性脱落的漩涡对油气管柱施加了一定频率的激振力，进而引起海洋油气管柱产生涡激振动现象，若漩涡泄放频率与油气管柱固有频率相同或相近，海洋油气管柱振动加剧，振幅加大，将发生频率锁定现象。海洋油气管柱长期受到涡激振动作用容易发生疲劳失效事故，从而导致巨大的环境破坏和经济损失。

现存的隔水管涡激振动抑制装置主要分为主动抑制和被动抑制方法，主动抑制方法发展的时间并不长，而且需要不断提供外部能量，深水环境中供能问题仍需解决。被动抑制方法是通过改变管柱几何形状或者在油气管柱上附加额外的装置实现影响漩涡脱落的目的，但适应性差，而海洋环境复杂多变，海流流速随水深和时间在不断变化，被动抑制方法无法同时适应于所有的海况。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种涡激振动抑制效果更优，可以实现自我供能与实时控制的隔水管涡激振动自适应抑制装置及方法，设计了馈能系统和控制系统，馈能系统可以回收隔水管涡激振动产生的能量作为控制系统的能量来源，控制系统通过反馈信号实时改变隔水管涡激振动抑制装置的系统刚度，从而适应复杂多变的海洋环境。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种隔水管涡激振动自适应抑制装置，其包括带尾翼的分离盘、对称设置在分离盘的尾翼两侧的两振动管柱、以及对称设置在所述分离盘尾翼与两所述振动管柱之间的两套可变刚度和可变阻尼系统与馈能控制系统。

所述可变刚度和可变阻尼系统包括大刚度弹簧下支撑座、大刚度弹簧、弹簧连接器、被动式磁流变液阻尼器、小刚度弹簧和小刚度弹簧上支撑座；所述大刚度弹簧下端通过所述大刚度弹簧下支撑座固定设置在所述分离盘尾翼上，所述大刚度弹簧上端通过所述弹簧连接器与所述小刚度弹簧串联连接；所述小刚度弹簧下端固定设置在所述弹簧连接器上，所述小刚度弹簧上端通过所述小刚度弹簧支撑座与所述振动管柱相连接；所述被动式磁流变液阻尼器插设在所述小刚度弹簧内，且所述被动式磁流变液阻尼器的外筒底端固定于所述弹簧连接器上部，所述被动式磁流变液阻尼器的伸缩杆顶端固定于所述小刚度弹簧上支撑座下部，所述被动式磁流变液阻尼器通过信号线与所述馈能控制系统相连。

所述馈能控制系统包括能量回收系统和控制系统；所述能量回收系统将所述振动管柱与所述分离盘尾翼的相对运动产生的机械能转换为电能发送到所述控制系统，所述控制系统利用所述能量回收系统发送的电能，以及所述振动管柱与所述分离盘尾翼的相对运动生成控制信号发送到所述可变刚度和可变阻尼系统。

所述能量回收系统包括齿条、齿轮、加速齿轮组、发电机、发电机支架；所述发电机通过所述发电机支架固定设置在所述分离盘的尾翼上，所述发电机的扭矩输入端通过所述加速齿轮组与所述齿轮相连，所述齿轮与所述齿条内端相连，所述齿条外端与所述振动管柱相连，所述齿轮与齿条相配合将所述振动管柱的直线运动转化为所述加速齿轮组的旋转运动，所述加速齿轮组带动所述发电机转动产生电能。