[发明专利]一种具有涡激振动抑制功能的扣入式止屈器

说明书

本发明公开了一种具有涡激振动抑制功能的扣入式止屈器，包括由两瓣对称抱合的壳体拼扣后形成的整体轮廓类似豆荚的外壳，其外表面沿轴向方向呈简谐波型变化；在对称抱合的两瓣壳体的轴向的中间及两端分别通过扣合固定结构使得外壳紧密的抱合在海底管道上；每个外壳在轴向方向上包括两个波峰和三个波谷，波高与波长之比大于0.05，波峰形成具有圆形横截面的VIV抑制段，波谷形成与海底管道紧密结合的止屈段；止屈器内径与海底管道外表面之间的缝隙不超过海底管道外径的1～2％。本发明不仅能够有效抑制不同来流方向下海底管道的涡激振动，还可以阻止管道在生命周期中可能发生的屈曲传播，从而实现了功能整合和简化设计的统一，同时降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及一种具有涡激振动抑制功能的新型扣入式止屈器，属于海洋管道工程领域。

背景技术

近年来，随着全球经济的快速持续发展，人们逐渐加大了对海洋油气资源的开采和利用。在海洋油气资源开采和运输的设施和设备中，海底管道能高效快速的将海底油井生产的石油和天然气等资源运送到陆地上，具有安装方便、造价较低和高效运输等优点。海底管道已成为海洋油气资源运输系统的关键部件，是海底能源物质运输的大动脉。

1.海底管道的屈曲传播和止屈器

由于深海巨大的外部压力和复杂的工作环境，海底管道在局部缺陷和外部载荷的作用下有可能发生局部压溃，进而形成屈曲传播导致管道大范围的失效。对于深海管道，维持其屈曲传播的外部压力往往要比诱发局部屈曲的外部压力小得多，因此以管道临界压溃压力为设计最大外压的海底管道一旦产生局部压溃，仅靠管道自身的结构强度并不能抵抗屈曲传播。理论上可以通过采用增加管道壁厚的方式有效增加管道的屈曲传播临界压力，但这会大量增加钢材用量及管道重量，增加工程建造成本，在经济上不可行。一个抑制海底管道屈曲传播的有效且经济的方法，就是沿着管道的长度方向相隔一定距离设置止屈器(Buckle Arrestor)。其工作原理就是允许管道发生局部屈曲，但是屈曲传播并不能跨越止屈器，这样就能使局部屈曲仅发生于两个止屈器之间。止屈器虽然在一定程度上很难避免管道发生局部屈曲，但却很好地保持了管道的整体性，在安全性和经济性中取得了比较好的平衡，减少了管道大范围失效和业主潜在经济损失的风险。

设计有效的止屈器能够在其工作范围内成功阻止管道屈曲的传播，常见的形式有厚壁圆环和缠绕棒条，根据安装方式的不同，一般可分为扣入式、普通焊接式、整体式和缠绕式止屈器。

2.海底管道的涡激振动抑制

位于海底的管道可能受到海流的影响，当流体绕过管道表面时，由于流体粘性等原因，管道后部会出现交替脱落的涡；这种交替脱落的漩涡运动会使圆柱体受到一系列脉动的横向作用力(升力)，升力的方向随着漩涡的脱落发生交替变化，从而引起管道整体结构上的振动(涡激振动-Vortex-induced Vibration,VIV)。在特定情况下，特别是当来流绕过圆柱体后形成的漩涡脱落频率接近管道结构的固有频率时，来流和管道之间的相互作用很容易引发结构共振，管道振荡的幅值急剧增大，导致结构的疲劳破坏，久而久之引发管道破裂、局部压溃等结构损坏，进而影响相应的生产活动甚至停产。因此如何加强结构，有效地降低结构受到的水动力载荷，削弱或者消除结构受到的涡激振动，成为管道设计中应当重点考虑的问题。

目前常见的涡激振动抑制装置包括螺旋列板、鳍形整流罩和扭曲柱体等等，其中螺旋列板对固定来流方向的涡激振动抑制效果较好，且造价较低，但缺点是会产生较大的流体阻力；整流罩整体抑制效果较好，但设计复杂，造价昂贵；扭曲柱体往往只能适应一个来流方向的工况，适应性较差。公开号为CN102207118A，公开日为2011年10月5日的中国专利文献中介绍了一种豆荚型涡激振动抑制装置，主要包括数段具有圆形横截面的外壳，该外壳的外表面沿管道的展向呈简谐波型变化，该装置对不同来流方向的涡激振动抑制效果较好。