一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置
技术领域
本发明涉及海洋立管抑振技术领域，特别是涉及一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置。
背景技术
立管是深海油气开发系统中，用于连接海洋平台和海底井口的连接管道。立管除了上下端有连接固定外，其余部分没有任何固定和支撑。因而，当海流流经立管表面时，在一定的流速下，立管两侧交替形成漩涡，漩涡脱落会对立管产生一个周期性的可变力，使立管在垂直流向上发生振动。由于旋涡会随着海流流体流动的尾流而脱落，当漩涡脱落频率与立管固有频率接近时，会引起立管强烈共振，形成涡激振动问题，长期处于这种环境下，立管会发生疲劳破坏。为减少涡激振动造成的立管疲劳破坏，延长立管的使用寿命，需要在立管设计时，考虑减轻涡激振动。目前，国际上主要通过改变立管表面形状以及在立管表面附加其他装置，来减少涡的产生，在源头上抑制涡激振动。
近年来，多数结构简单的抑振装置具有单向性特征，对全向涡激振动抑振效果不好。而结构复杂的全向性抑制措施性能较好，但是设计制造和安装成本较高，并且会造成立管拖曳力的增加，存在动态不稳定等问题，在工程上很难得以应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置。
为此，本发明提供了一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置，包括立管；
立管的外表面，嵌套有依次连接的多段立管套筒；
每段立管套筒的外表面，具有三个等间距焊接的扰流片组；
每个扰流片组包括呈螺旋线型分布的多个扰流片；
每个扰流片组中，任意相邻的两个扰流片的间隔距离相等。
其中，每段立管套筒的长度为立管外径的3～5倍；
立管套筒的内径与立管的外径相同，立管套筒直接嵌套在立管外表面；
立管套筒的壁厚等于0.1～0.12倍的立管外径。
其中，每段立管套筒由形状、大小相同的三个套筒组件，环绕拼接组成；
每个套筒组件的形状为圆弧形；
每个套筒组件上具有一个扰流片组，该扰流片组上的多个扰流片在套筒组件的对角方向上呈螺旋线型分布；
每段立管套筒具有的三个扰流片组的螺旋线相互平行；
任意相邻的两段立管套筒上的扰流片组相互衔接，呈螺旋线型分布，螺旋线型的螺距等于立管外径的9～15倍。
其中，在每段立管套筒中，每个套筒组件的左右两侧，分别具有轴向卡齿和轴向卡槽；
任意相邻的两个套筒组件的相对一侧，通过轴向卡齿和轴向卡槽相互咬合卡接。
其中，在每段立管套筒中，每个套筒组件的左侧上下两端以及右侧上下两端，分别焊接有一个眼板；
任意相邻的两个套筒组件的眼板对应设置，且通过螺栓固定连接。
其中，在每段立管套筒中，每个套筒组件的顶部和底部，分别具有环向卡齿和环向卡槽；
对于任意相邻的两段立管套筒，两段立管套筒相对的一侧，通过环向卡齿和环向卡槽相互咬合卡接。
其中，在每个套筒组件中呈螺旋线型分布的多个扰流片，其中，最上方的扰流片和最下方的扰流片分别位于每个套筒组件的两个对角点。
其中，每个扰流片的形状，为轴对称形状；
每个扰流片的左右两侧具有扰流片侧边，每个扰流片的上下两侧分别具有扰流片顶边和扰流片底边；
其中，扰流片侧边均为内凹弧线，弧线形状为圆、椭圆、抛物线或者双曲线；
扰流片底边的形状为与立管的外径有相同曲率的圆弧形状，扰流片底边的长度是立管外径的0.2～0.28倍；
扰流片底边的厚度是扰流片底边长度的0.2～0.4倍；
扰流片顶边的长度是扰流片底边长度的0.4～0.6倍；
扰流片顶边的厚度是扰流片顶边长度的0.2～0.4倍；
扰流片的高度为立管外径的0.2～0.26倍。
其中，呈螺旋线型的任意两个扰流片的间距为扰流片底边长度的0.05～0.3倍；
扰流片的装配方向与扰流片底边中点处的螺旋线切线方向相同。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置，其能够有效抑制海洋立管发生涡激振动，具有全向性抑振效率良好，同时阻力性能良好的特点，具有重大的实践意义。
此外，本发明提供的海洋立管螺旋型扰流抑振装置，结构设计科学，易于加工和安装、成本低廉，有利于推广应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置的整体结构示意图；
图2a为本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置中每段立管套筒所包括的一个焊接扰流片后的套筒组件的结构示意图；
图2b为本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置中每段立管套筒所包括的一个焊接扰流片后的套筒组件的部分结构侧视图；
图3a为本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置中的扰流片的侧视图；
图3b为本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置中的扰流片的正视图；
图3c为本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置中的扰流片的立体图；
图4a是本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置中的焊接扰流片后的立管套筒的正视图；
图4b是沿图4a所示A-A线的剖面图。
图中：1、扰流片顶边；2、扰流片侧边；3、扰流片底边；4、套筒组件；5、扰流片；6、扰流片组；7轴向卡齿；8、轴向卡槽；9、眼板；10、环向卡齿；11、环向卡槽；12、立管；13、螺栓；14、立管套筒。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1至图4，本发明提供了一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置，包括立管12；
立管12的外表面，嵌套有依次连接的多段立管套筒14(不限于图1所示的三个)；
每段立管套筒14的外表面，具有三个等间距焊接的扰流片组6；
每个扰流片组6包括呈螺旋线型分布的多个扰流片5；
每个扰流片组6中，任意相邻的两个扰流片5的间隔距离相等。
在本发明中，每段立管套筒14的长度为立管12外径的3～5倍；
立管套筒14的内径与立管12的外径相同，立管套筒14直接嵌套在立管12外表面；
立管套筒14的壁厚等于0.1～0.12倍的立管12外径，以确保套筒强度。
在本发明中，每段立管套筒14由形状、大小相同的三个套筒组件4，环绕拼接组成；
每个套筒组件4的形状为圆弧形；
每个套筒组件4上具有一个扰流片组6，该扰流片组6上的多个扰流片5在套筒组件4的对角方向上呈螺旋线型分布；
每段立管套筒14具有的三个扰流片组6上的螺旋线相互平行；
任意相邻的两段立管套筒14上的扰流片组6相互衔接，呈旋线型分布。也就是说，多段立管套筒14上的扰流片5，是在立管12的外部是呈螺旋线型连续分布。
在本发明中，具体实现上，在每段立管套筒14中，每个套筒组件4的左右两侧，分别具有轴向卡齿7和轴向卡槽8；
任意相邻的两个套筒组件4的相对一侧，通过轴向卡齿7和轴向卡槽8相互咬合卡接。
具体实现上，轴向卡齿7为“几”字形的卡齿。
在本发明中，具体实现上，在每段立管套筒14中，每个套筒组件4的左侧上下两端以及右侧上下两端，分别焊接有一个眼板9；
任意相邻的两个套筒组件4的眼板9对应设置，且通过螺栓13固定连接。
在本发明中，具体实现上，在每段立管套筒14中，每个套筒组件4的顶部和底部，分别具有环向卡齿10和环向卡槽11；
对于任意相邻的两段立管套筒14，两段立管套筒14相对的一侧，通过环向卡齿10和环向卡槽11相互咬合卡接。
具体实现上，环向卡齿10为“几”字形的卡齿。
需要说明的是，对于本发明，相邻的每段立管套筒14通过环向卡齿和环向卡槽咬合。每段立管套筒14由三片大小、形状均相同的套筒组件4，相邻套筒组件4通过轴向卡齿和轴向卡槽咬合；每个套筒组件4上焊有两个眼板9，用于螺栓固定相邻的套筒组件。
需要说明的是，如图2所述，每段立管套筒14中，相邻的两个套筒组件4的接缝线，由呈现“几”字形的轴向卡齿7和轴向卡槽8咬合，便于对接套筒组件4。
其中，相邻的套筒组件4在对接线(即接缝线)两端点各焊有一个眼板9，供相邻的套筒组件4在轴向卡齿和轴向卡槽咬合后通过螺栓13固定。两段立管套筒14上相邻的套筒组件4的接缝处，采用“几”字形的环向卡齿10和环向卡槽11咬合，从而避免相邻的两段立管套筒14在工作状态下发生相对滑移。
具体实现上，每个套筒组件4采用钢材或铝合金材料一次加工成型。
在本发明中，具体实现上，参见图2所示，在每个套筒组件4中呈螺旋线型分布的多个扰流片5，其中，最上方的扰流片5和最下方的扰流片5分别位于每个套筒组件4的两个对角点。
具体实现上，对于每个扰流片组6包括的呈螺旋线型分布的多个扰流片5，其中，螺旋线型的螺距等于立管(12)外径的9～15倍。
在本发明中，具体实现上，参见图2、图3所示，每个扰流片5的形状，为轴对称形状；
每个扰流片5的左右两侧具有扰流片侧边2，每个扰流片5的上下两侧分别具有扰流片顶边1和扰流片底边3；
其中，扰流片侧边2均为内凹弧线，弧线形状可以为圆、椭圆、抛物线、双曲线等常见曲线；
扰流片底边3的形状为与立管12的外径有相同曲率的圆弧形状，扰流片底边3的长度是立管12外径的0.2～0.28倍；
扰流片底边3的厚度是扰流片底边3长度的0.2～0.4倍；
扰流片顶边1的长度是扰流片底边3长度的0.4～0.6倍；
扰流片顶边1的厚度是扰流片顶边1长度的0.2～0.4倍；
扰流片5的高度为立管12外径的0.2～0.26倍。
具体实现上，呈螺旋线型的任意两个扰流片5的间距为扰流片底边3长度的0.05～0.3倍；
扰流片5的装配方向与扰流片底边3中点处的螺旋线切线方向相同。
需要说明的是，每个扰流片组6，由形状大小相等的多个扰流片5组成。
具体实现上，扰流片5采用钢材或铝合金材料一次加工成型。
需要说明的是，对于本发明，根据扰流片组6内相邻扰流片5的距离以及装配的方向，将扰流片5呈螺旋线型，焊接到套筒组件4表面。
对于本发明，具体实现上，如图4所示，本发明的螺旋型立管扰流抑振装置安装方式为：先安装一段立管套筒14，即将装配好的套筒组件4安装到立管12上，然后安装相邻的套筒组件4，咬合相邻的套筒组件4之间的轴向卡齿7与轴向卡槽8，并用螺栓13紧固相邻的套筒组件的眼板9。然后，再安装其他相邻的其他段的立管套筒14，相邻的立管套筒14之间通过环向卡齿10与环向卡槽11咬合，以确保扰流片组成的螺旋线的连续性，呈螺旋线型间隔分布。
为了更加清楚地理解本发明，下面结合具体实施例，来对本发明进行说明。
如图1所示，立管12由三段立管套筒14和扰流片5组成。每段立管套筒14长度为3倍的立管12外径，壁厚为0.1倍的立管12外径，并由三片大小形状相同的套筒组件4拼接成。
如图2所示，套筒组件4上的扰流片组6由形状大小相等的扰流片5组成，相邻扰流片5的扰流片底边3中点之间的距离为扰流片底边3长度的1.1倍，扰流片5的装配方向与扰流片底边3中点处的螺旋线方向相同。扰流片5采用钢材或铝合金材料一次加工成型。根据所述扰流片组内相邻扰流片5的距离以及装配的方向，扰流片5呈螺旋线型分布，焊接到套筒组件4外表面。螺旋线型的螺距等于立管12外径的9～15倍。
如图3所示，扰流片5轴对称，扰流片侧边2均为抛物线。扰流片底边3为与立管12外径有相同曲率的圆弧，长度是立管12外径的0.2倍，扰流片底边3的厚度是扰流片底边3长度的0.2倍。扰流片顶边1的长度是扰流片底边3长度的0.4倍，扰流片顶边1的厚度是扰流片顶边长度的0.2倍。扰流片高度为立管12外径的0.2倍。
如图2、3、4所示，套筒组件4之间通过卡齿7和卡槽8对齐，用螺栓13紧固眼板9。相邻的两段立管套筒14通过卡齿10和卡槽11对齐。
基于以上技术方案可知，本发明是对海洋立管螺旋列板装置的改进，具体是改进在固定在立管外表面的立管套筒上的扰流片，在立管套筒上焊接等距连续的、呈螺旋线型分布的多个扰流片，使流体流经立管时，均匀环绕的螺旋扰流片能够对立管周围的绕流场施加扰动，从而破坏漩涡的形成。其中，在同一条螺旋线上的相邻扰流片之间的间隙及弧线形扰流片的侧边，能够引导流体穿过，沿着螺旋线均匀分布的扰流片间隙，能够有效起到分流作用，降低作用于立管上的拖曳力。
与现有技术相比较，本发明提供的海洋立管螺旋型扰流抑振装置，具有如下有益效果：
1、本发明结构简单、制造安装成本低，能够达到传统螺旋列板装置95％以上的涡激振动抑制效果，同时拖曳力较传统螺旋列板装置降低20％，具有良好的抑振效果和阻力性能。
2、在任意方向外流作用下，通过扰流片对流体的扰动、破坏漩涡产生和脱落，降低立管振动幅值，减轻立管涡激振动，延长立管的使用寿命。
3、本发明经过模型实验验证性能：通过3D打印技术制造的小比例模型，在多组拖曳受迫振动试验表明，在相同拖曳速度和强迫振幅下，本发明方案能够达到传统螺旋列板装置95％以上的涡激振动抑制效果，同时拖曳力较传统螺旋列板装置的80％。因此，使用本装置不仅可以减轻立管的涡激振动，而且阻力性能良好。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种海洋立管螺旋型扰流抑振装置，其能够有效抑制海洋立管发生涡激振动，具有全向性抑振效率良好，同时阻力性能良好的特点，具有重大的实践意义。
此外，本发明提供的海洋立管螺旋型扰流抑振装置，结构设计科学，易于加工和安装、成本低廉，有利于推广应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
