[发明专利]一种海洋立管涡激振动抑制装置

说明书

本发明涉及一种涡激振动抑制装置，所述装置包括筒状旋转部分和尾翼，其中，所述筒状旋转部分适于相对其内部穿过的部件转动，所述尾翼为双尾翼，两个所述尾翼自所述筒状旋转部分沿径向凸起，每个所述尾翼大致为长方形板，两个所述尾翼之间的夹角为30±5度。本发明尾翼可以绕立管自由转动，可以自适应来流方向的改变。旋转双尾翼结构的设置，对单根和多跟立管都能显著提高立管的作业适用范围和抗疲劳能力，节约作业成本，提高了立管的使用寿命和安全性，同时避免了传统涡激振动装置对于单一来流方向的限制，拓宽了来流方向多变等复杂环境条件下的使用范围。

技术领域

本发明涉及油气开采中钻井立管或生产立管的辅助设施技术领域，具体涉及一种海洋立管涡激振动抑制装置。

背景技术

石油天然气是影响我国经济建设和可持续发展的三大战略资源之一，油气资源的短缺已成为制约我国经济发展的瓶颈。深海油气占全球油气资源的三分之一以上，开发深海油气资源事关海洋强国和能源安全等国家重大发展战略。深海油气开发离不开如海洋石油981钻井平台这样的油气开采装备，而立管是连接海上平台和海底井口之间的唯一通道，是海上油气开采的咽喉。立管直接面对恶劣的海洋环境，在一定流速作用下，当旋涡脱落频率和立管的固有频率相等时，就会诱发立管的涡激振动，影响立管的安全作业，大大增加立管疲劳破坏的风险，增加海上油气开采的时间和成本，更为严重的是立管一旦发生疲劳破坏，会带来灾难性的工程和环境事故。因此开展立管涡激振动抑制装置的研发，有效抑制立管的涡激振动，对于深海油气开采至关重要。

当流体流经立管等圆柱结构时，将发生绕流现象。当雷诺数增大到一定数值时，流体旋涡将交替地从圆柱尾部脱落，并在尾迹中形成规则、反向、交替出现的旋涡系列，这一旋涡系列被称为卡门涡街，如图1。若圆柱为弹性支撑，或者柔性管体允许发生弹性变形时，脉动流体力将引发圆柱或者管体周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体-结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”(Vortex-Induced Vibration：VIV)。而对于多圆柱系统，如图2所示，由于相邻圆柱尾流和圆柱本身的耦合作用，产生远比单圆柱的涡激振动更加剧烈的振动。

立管的涡激振动会影响其安全作业，大大增加立管疲劳破坏的风险，增加海上油气开采的时间和成本，更为严重的是立管一旦发生疲劳破坏，会带来灾难性的工程和环境事故。因此开展立管涡激振动抑制装置的研发，有效抑制立管的涡激振动，对于深海油气开采至关重要。

目前涡激振动抑制方法主要分为两大类，第一类是主动控制，第二类是被动控制。主动控制是通过一定的技术手段如射流等，给流场加入外部能量，改变或者消除立管的旋涡脱落，进而抑制立管的涡激振动。主动控制会消耗能量并且相对复杂。而被动控制主要是通过改变立管的形状、粗糙度或者在立管表面增加一些附属装置来抑制旋涡脱落，进而抑制立管的涡激振动，具有设计简单、制作安装容易且成本较低等优点。海洋环境复杂，主动抑制技术应用起来非常困难，所以针对海洋立管的涡激振动抑制问题，大多数研究者更多的是考虑被动抑制方法。

经过几十年的研究，已提出如附加整流罩、分离盘、螺旋导板、附属管等多种形式的被动抑制装置。但是在实验研究或者实际工程中发现，一些传统的涡激振动抑制装置如整流罩、分离盘等，在一定条件下，会产生比不附加这些装置的立管更加剧烈的振动，甚至会发生驰振现象，产生的危害比立管涡激振动更加严重；而且固定在立管上的抑制装置，仅会对特定来流方向上涡激振动有抑制效果，但是海洋环境十分复杂，流向多变，所以固定的抑制装置具有很大的局限性，不能有效地在实际海洋工程中使用。此外，一些传统的抑制装置只对单根立管有抑制作用，而对于多根立管的涡激振动抑制效果则会失效。海洋工程中立管往往不止一根，所以亟需发展既能针对单根还能够针对多根立管的涡激振动具有抑制效果的装置。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种涡激振动抑制装置，不但能够有效地抑制立管的涡激振动，还具有复杂来流方向适应性，同时对于多根立管的涡激振动也有很好的抑制效果。

本发明提出一种涡激振动抑制装置，所述装置包括筒状旋转部分和尾翼，其中，