整流罩 |
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| 申请号 | CN201380076610.3 | 申请日 | 2013-04-12 | 公开(公告)号 | CN105247160B | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | 挪威国家石油公司; | 发明人 | 卡杰蒂尔·斯凯于格赛特; | ||||
| 摘要 | 一种整流罩设备，用于降低涡激振动或运动以及将围绕浸入 流体 介质中的本质上柱形的元件的拖曳降低到最小程度，包括：主要地为柱形的元件，围绕主要地为柱形的元件的可旋转安装的整流罩，所述整流罩包括具有主要地为柱形的具有外径(D)的横截面形状的壳体，所述壳体从0度的上部停止点至至少+/‑90度跟着所述柱形元件，并且在尾部方向在+/‑90度处连续为两个鳍型部分，并且限定弦长(C)，进一步包括+/‑90度的凸面弯曲尾部，因而朝向彼此成锥状，并且限定小于所述整流罩投射高度的尾端开口或间隙。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种整流罩设备，用于降低涡激振动或运动以及降低围绕浸入流体介质中的本质上柱形的元件的拖曳，包括： |
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| 说明书全文 | 整流罩技术领域背景技术[0002] 在过去几十年对石油和气体储量的寻找已经导致需要在更深的水域中探查。对于离岸生产者，这反过来导致需要构造可以承受强海洋流的结构，该强海洋流会威胁管线、立管或其它浸入组件的完整。 [0003] 海洋立管的VIV振幅已经周知会增加拖曳，并且会导致结构疲劳。一种已证明的抑制这种振动的方法是使用整流罩和箍条。这些遮盖件大体改变了沿柱面的流动，平稳了卡门漩涡的产生以便连贯作用减少或向下游作用足够远使得它们与主体部的相互作用减少。在目前现有技术中，有两种类型的结构，螺旋立管和整流罩，用于抑制围绕诸如立管或其它支撑性结构元件的垂直布置的浸入对象的VIV或涡致移动(VIM)。 [0004] 螺旋立管 [0005] 螺旋立管附接在结构的外侧以通过沿样本长度改变漩涡脱离模式和漩涡脱落的关联性来抑制VIV。最普通的螺旋立管的几何结构是三头(three-start)立管。这种立管包括三个沿样本长度螺旋缠绕并延伸的三角形或梯形剖面。该剖面长期固定在样本上，或者更普遍地使用附接在样本上的模块附接。无论什么附接方法，螺旋立管并不设计为在操作期间移动而是相对对象保持固定位置。限定立管总形状的两个主要参数：节距(P/D)和立管高度比(h/D)，其中P表示涉及流动主方向的节距，D是柱体的外径，以及h是从圆柱形构件到立管顶部的外剖面距离。另外，立管剖面自身的局部几何形表征螺旋立管。 [0006] 整流罩 [0007] 整流罩是附接结构构件以当遭受周围的流体流时改变构件的漩涡脱落模式。整流罩以允许整流罩围绕其所附接的结构构件(例如，海洋钻井立管)的中心旋转的方式附接。这允许整流罩周围流的方向排列一致。今天已经有各种横截面设计的整流罩。 [0008] 另外，也存在其他抑制VIV的方法，例如穿孔遮蔽物(perforated shrouds,)，但是所有都方法都使广泛用于当今工业的两组上述概念遭受一些负面。 [0009] 上述提及的这种现有技术系统在文献中记载并且在以下中给出。有关涡激振动和VIV抑制方法的书籍和论文： [0010] ●Sarpkaya,T.,1979,"Vortex-induced oscillations",Journal of Applies Mechanics 46,pp.241-258. [0011] ●Blevins,R.D.,1990,Flow-induced Vibrations,Van Nostrand Reinhold:NewYork,USA. [0012] ●Griffin,O.M.&Ranberg,S.E.,1982,"Some recent studies of vortex shedding with application to marine tubulars and risers",ASME Journal of Energy resources Technology,104,pp.2-13. [0013] ●Bearman,P.W.,1984,"Vortex shedding from oscillating bluff bodies",Annual review of Fluid Mechanics,16,pp.195-222. [0014] ●Zdravkovich,M.M.,1997,Flow around circular cylinders,Vol.1:Fundamentals,Oxford University Press:London,UK. [0015] ●Naudascher,E&Rockwell,D.,1993,Flow-Induces Vibrations:An Engineering Guide.Balkema:Rotterdam,Netherlands. [0016] ●Faltinsen,O.M.,2005,Hydrodynamics of High-Speed Marine Vehicles.Cambridge University Press. [0017] ●Kristiansen,T.,2009,Two-dimensionalnumerical and experimental studies of piston-mode resonance.Ph.D.thesis,Norwegian University of Science and Technology. [0018] ●Newman,J.N.,1977,Marine Hydrodynamics.The MIT Press,Cambridge,Massachusetts. [0019] ●Sumer,B.M.& J.,1997,Hydrodynamics around Cylindrical Structures.World Scientific:Singapore. [0020] ●Skaugset,K.B.,2003,On the Suppression of Vortex Induced Vibrations of Circular Cylinders by Radial Water Jets,Ph.D.thesis,Norwegian University of Science and Technology. [0021] 该领域的专利公布文本包括下述：US5410979、US 5421413、US5984584、US6010278、US6067922、US6179524B1、US6196768B1、US6223672B1、US2006/0021560A1和EP2049805B1。 [0022] 以下，详细解释提到的现有技术的状态。术语螺旋立管在现有技术中熟知，应注意以下的方面和限制。 [0023] 抑制涡激振动(VIV)的能力： [0024] 螺旋立管的具体尺寸需要来实现适当的VIV抑制特性。节距和立管高度是重要参数。一般地，增加立管高度具有VIV抑制特性的积极效果。然而，这也伴随着高拖曳力的代价。 [0025] 高拖曳力： [0026] 如上述解释，螺旋立管会增加结构构件上的拖曳力。这表示结构容量问题和潜在的操作限制。在海洋钻井立管的情形中，这可以在预张拉、顶部和底部角度限制以及立管中的最大张力方面限制操作。因此，在强流中钻井单元会被迫暂停钻井操作。 [0027] 整流罩方面，并且尤其是现有技术中熟知的海洋整流罩，应注意下述方面和限制： [0028] 抑制涡激振动(VIV)的能力： [0029] 附接整流罩作为VIV抑制设备的主要原因是降低结构件上的振动和材料疲劳。然而，目前的整流罩具有变化的抑制性能。例如，整流罩在其中按预期工作的流条件窗被限制。因为对于给定的位置，经历的流条件窗(例如海洋流)不是确定的而是在量级和方向上变化，对于所有操作条件都获得出色的VIV抑制特性都重要。因此，仅工作在特定流条件窗中的整流罩设计是非期望的。 [0030] 总体稳定性： [0031] 目前的整流罩对于特定的当前流可以变得整体不稳定。这是共振现象。与这种整体不稳定相关的运动对结构构件可以是毁灭性的。运动会变得比与VIV响应相关的运动大得多，并且可以导致快速的材料疲劳或结构超载。对于离案应用，相关的烃含量损失和健康、安全以及环境(HSE)风险的可能性相对高。 [0032] 结构件上的总负载： [0033] 整流罩一般地与相对低的拖曳力关联。然而，相比目前的设计存在巨大改善空间。整流罩上的局部力已经熟知在部署、取回和操作期间损害整流罩。这种损伤尤其是在大整流罩的情形中，并且与来自船井或水柱上部中的波动相互作用关联，这些地方波动是最主要活动。在操作期间，整流罩的单个组件上的流体力可以变得足够大以致整流罩在结构上瓦解或抛锚，防止风标效应(weather-vaning)。由于熟知这种情况会使钻井操作停止，因此由需要新的变下且稳健的整流罩以避免这种情形。 [0034] 稳健性 [0035] 操作问题： [0036] 当在离岸钻井单位上部署整流罩时，几个关键操作变化与整流罩的尺寸和重量关联。小而轻的整流罩可以克服许多操作问题。 [0037] 存储： [0038] 目前的整流罩或螺旋立管在钻井单元上需要相对大的存储空间。一些钻井单元具有很有限承载这种设备的空间。 [0039] 安装和取回的时间和成本 [0040] 对于钻井操作关键的成本因素是部署和取回海洋立管的时间。使用常规螺旋立管或海洋整流罩会停止正常的操作，由于将VIV抑制设备附接在海洋立管的每个节点上所包含的手工劳动。增加的总部署和取回时间不仅会耗费操作时间，也会增减可用执行操作所需要的天气窗口的需求。离案钻井单元需要高的日费率，因而增加安装和部署时间可以证明很昂贵。 [0041] 安装和取回的HSE： [0042] VIV抑制设备高的单元重量和尺寸不仅费时，而且代表在安装和取回阶段中的HSR风险。 [0043] 安装可行性： [0044] 由于钻井单元上有限的空间，需要更简单和更紧凑的系统和方法用于存储和部署。 发明内容[0045] 因此，本发明的目的是提供整流罩系统，其比现有技术更有效和经济。 附图说明[0047] 图1a-1c示出根据现有技术的整流罩类型； [0048] 图2示出SCC1横截面； [0049] 图3示出SCC1立体图； [0050] 图4示出具有柱形元件的SCC1立体图； [0051] 图5示出SCC2横截面； [0052] 图6示出SCC1、SCC2、SCC1-30整流罩和空管的雷诺数(Re)对拖曳系数(CD)； [0053] 图7示出单管线实验：图1a的现有技术平行鳍(PAPF)整流罩的弦长比(C/D)对拖曳系数(CD)； [0055] 图9示出串联SCC1-SCC1的名义上的折合速度(U*)对A*，下游管线振幅运动； [0056] 图10示出串联SCC1-PAPF实验的U*对A*，PAPF整流罩的下游管线振幅运动； [0057] 图11示出串联SCC1-SCC1实验的雷诺数(Re)对拖曳系数(CD)，SCC1的下游管线的拖曳； [0058] 图12示出串联SCC1-PAPF实验雷诺数(Re)对拖曳系数(CD)，PAPF整流罩的下游管线的拖曳； [0059] 图13a-c示出图1b、1c的现有技术整流罩以及SCC1整流罩的理论稳定性分析曲线。 具体实施方式[0060] 本发明对背景部分和图1a至图1c中提到的现有技术表现出相巨大改善，现有技术提及的缺点通过下述实施方式解决。 [0061] 整流罩设备 [0062] 短蟹爪(SCC)： [0063] 本发明是新的具体的整流罩设计，其通过完整测试，显出相比目前技术高级的性能。这种设备附接在圆形柱面上用于抑制涡激振动(VIV)或涡激运行(VIM)。该设备能够围绕柱面旋转，并且因此能够周围流的方向排列一致。 [0064] SCC的形状 [0065] 整流罩的形状是特定于本发明的。当描述形状时，涉及整流罩应用所围绕的圆形柱面时使用角坐标。在上下文中，在稳定的非黏性的流中具有外径(D)的圆形柱面元件的上游停止点表示为0度，而下游停止点是180度。本发明进一步定义： [0066] a)整流罩的形状是在+/-90度的尾部凸面弯曲(SCC1)，因而朝向彼此成锥状并且限定小于整流罩投射高度(standoff height)的尾端开口。. [0067] b)整流罩还可以在+/-90度的上游(前部)凸面弯曲，并且限定小于整流罩投射高度的尾部开口、间隙。 [0068] c)弦长(C)：本发明的实施方式中整个整流罩弦长比可以等于或小于C/D＝1.4。 [0069] d)尾部开口、间隙大于整流罩投射高度(standoff height)的80％。本发明也覆盖小于80％的开口，但是从测试看，如果开口、间隙大于80％，本发明具有最好的性能。 [0070] 对有所有实施方式，整流罩投射高度定义为从整流罩外部测量，整流罩相对鳍之间的最大横截面距离。术语凸面(convexly)指的是从外部看到整流罩的凸面形式，其具有向外离开柱形元件的突出部，可以相比双凸光学透镜，并且是具有向内凹陷的凹面相反。图2-5示出SCC1和SCC2整流罩的横截面图、立体图和围绕柱面元件安装的。表1给出在流体动力学测试中使用的SCC1整流罩尺寸的非限制性示例。对于以下给出的尺寸，和根据本发明的范围，值之间的比值比它们的实际尺寸更重要。 [0071] [0072] 表1短蟹爪1(SCC1)测试尺寸。该测试使用在横梁上轴向的三个跨距到跨距(span)的整流罩(北部、中心、南部)实施。 [0073] 除了基本的SCC1整流罩外，第二整流罩SCC，SCC2构造和测试。SCC2具有在稍远的下游具有其最大直径。图5示出SCC2整流罩的横截面。最大的投射高度定义为迎面水流所经历的最大突出部。表2给出流体动力学实验测试中所使用的SCC2整流罩尺寸的非限制性例子。对于以下给出的尺寸，并且根据本发明范围，值之间的比值比它们的实际尺寸更重要。 [0074] [0075] [0076] 表2示出短蟹爪2(SCC2)测试尺寸。该测试使用在横梁上轴向的三个跨距到跨距(span)的整流罩(北部、中心、南部)实施。 [0077] 根据本发明的整流罩设备和实施方式可以由选自包括可半弯曲的可成型的聚乙烯、聚亚安酯、乙烯基树脂、聚乙烯氯化物和玻璃纤维的一组材料的低腐蚀性材料制造。其它材料可以轻易地由本领域技术人员设想。 [0078] 实验设置 [0079] 测试设置 [0080] 具有整流罩的自由VIV实验在具有牵引模式中实施，该模式具有在下游被牵引杆牵引的柱面。拖车速度根据VIV的表现和牵引架限制主要从0.4至4.5m/s变化，并给出高达约1.4百万的雷诺数。阻尼架中的螺旋弹簧也变化，导致2至24的名义上的折合速度U*(VRN)。对于SCC1、SCC2和PAPF整流罩，该自由测试以四个不同值的弹簧刚度完成。上述提及的每个整流罩在接近20至128kN/m范围的弹簧刚度中测试，这相当于0.6至1.5的系统频率。空的圆柱以20和45kN/m测试以以约0.6至约0.9Hz执行条件测试。 [0082] 基本数据分析包括按以下定义确定振动(VIV)振幅A*和名义上的折合速度U*： [0083] [0084] [0085] 其中σZ是错流(z)运动振幅的标准偏差，DR是参考直径采用整流罩的外径(最大厚度)。V是拖车速度或流体速度。固有频率fN(V＝0)通常取自水试验，然而对于这些试验，需要低流速来排列单元。 [0086] CD，CD＝拖曳系数 [0087] CLV，CL＝升力系数(具有柱面错流速度阶段中的升力) [0089] 结果简要 [0090] SCC1和SCC2整流罩：拖曳、单管线试验 [0091] 具有SCC1的管线的试验使用两种不同弹簧组以改变固有频率。弹簧常量在拖曳值(drag value)不具有任何重大效果。SCC1和SCC2整流罩以及空管或立管的拖曳系数，作为雷诺数的函数在图6中给出。另外，SCC1整流罩的测试结果以30度节距固定也是熟知的。在特定环境下在海洋中部署期间，整流罩可以在原位抛锚。这是由于过多的海生物和其他机械原因。对于该实验，中心的SCC1整流罩，参考表1相对两个相邻的整流罩固定在30度的角度。SCC1整流罩的拖曳系数作为振幅(A*)的函数在图8中给出。测试结果已经显示出SCC2整流罩比SCC1整流罩显示稍微小的拖曳(drag)，大约4％，但是SCC1整流罩在VIV抑制上比SCC2整流罩某种程度上更有效。PAPF整流罩单管线实验：具有两种不同弦/直径比。 [0092] 标准SCC1的弦长具有1.4或更小的弦长比。PAPF整流罩具有更长的弦长，具有1.75的标准弦长比。因为安装和可用存储空间这是不利的。具有1.75和1.5的弦长比的PAPF整流罩被构造并且以确定效果(如果有的话)为目标进行测试，该效果为缩短PAPF整流罩使得它们接近SCC1整流罩的弦长比。 [0093] 具有1.75和1.5的弦长比的PAPF整流罩的力和运动时间跟踪是在400000至950000的雷诺数范围中测试。在两种情形中，存在大的VIV。确定PAPF整流罩的拖曳系数受弦长比影响。观察到当弦长比从1.75降低到1.5时，平均拖曳系数从0.5增加至0.65。该结果在示出作为弦长比函数的现有技术的平行鳍整流罩的拖曳的图7中可见。 [0094] 该结果显示降低的弦长比增加了拖曳。这些值也比SCC整流罩的拖曳力高很多。导致降低至1.5弦长比的PAPF整流罩的弦长比降低仍然显示出比具有1.4弦长比的SCC1高约30％的拖曳力。这归因于SCC1和SCC2的设计，具有弯曲的鳍。此外，测试已经显示具有当弦长比(C/D)进一步减小至1.278时SCC整流罩一致地低拖曳。 [0095] 图7示出对于PAPF整流罩两种不同弦长比的拖曳力，而图8示出对于不同运动振幅SCC1上的拖曳力。既然SCC1整流罩抑制VIV，来自SCC1的拖曳力显示在图7的左边。然而SCC1整流罩具有0.43的拖曳(drag)，PAPF整流罩显示0.57的最小拖曳(增加大于32％)。此外，可以看出在PAPF拖曳值比SCC整流罩有更大的可变性。推测这是由于现有技术整流罩较低的VIV抑制效率。这还意味着PAPF整流罩可以在甚至比1.5更小的弦长比下显示更高的拖曳。应当注意的是使用PAPF设计，趋势是更短的弦长带来拖曳增加和力拖曳变性增加。这不同于SCC整流罩的情形。 [0096] 串联/干涉测试结果 [0097] 串联测试这样实施：跟随固定上游立管的下游立管自由振动。上游立管安装由整流罩。下游立管安装有整流罩，其中测试不同整流罩的组合。下游SCC1整流罩的VIV振幅和拖曳在这种为上游SCC1整流罩的偏距(5D和10D，其中D是上游整流罩的外径)设置的串联中测试。以类似方式，下游进行测试1.75和1.5弦长比的PAPF整流罩，其与安装在上游管线上的SCC1整流罩串联。此外，在该串联设置中，测试上游SCC1整流罩的偏距(5D和10D)。还测试0D和1D的整流罩间垂直偏移。 [0098] 出于比较目的，参见“单SCC”的图9和具有“单PAPF Clp75”和“单PAPF Clp5”二者的图10，示出按A*(A星)描绘的U*(U星)。作为参考，“Clp75”指的是1.75的弦长比，而“Clp5”指的是1.5的弦长比。这分别清楚地示出SCC1在整个范围抑制VIV，而PAPF整流罩(C/D＝1.75和1.5)不能有效抑制VIV。看出C/D短至1.5的PAPF整流罩产生最高的A*值。 [0099] 该结果还显示与PAPF整流罩相比当跟随另一立管时SCC1具有相当的优势。 [0100] 以下附图进一步示出该结果。在图10中我们看出PAPF整流罩当其跟随另一结构时在宽范围内呈现出相当的响应。如图9中所示，SCC1响应更平坦，然而并且具有仅在非常窄的范围内获得较大的响应，由于结构构件跟随上游结构设置。这些是涉及记载PAPF和SCC1整流罩类型之间差别的重要图示。 [0101] 图11和图12示出给出的拖曳差别。再次，可以看出在很宽的雷诺数范围中SCC1整流罩具有比PAPF整流罩低很多的拖曳系数。 [0102] 稳定性理论研究 [0103] 图13a至图13c示出3种整流罩种类的稳定性分析的模拟结果，其基于布莱文斯(Blevins)(1990)和纽曼(1977)标准，以及使用具有克里斯蒂安森(kristiansen)(2009)和福尔廷森(faltinsen)(2005)给出的进一步引出和参数化的劳斯法的迭代。 [0104] 在无阻尼整流罩情形下的多项式形式在y轴上(q(u)[(kg m/s)4])给出为： [0105] q(U)＝q4U4+q2U2+q0＝0 [0106] 并且由给出的每个整流罩类型的底部曲线表示。X轴以m/s表示流速。对于增加实证阻尼项(q1U)的仿真情形，y轴的多项式采用系数形式： [0107] q(U)＝q4U4+q2U2+q1U+q0＝0 [0108] 其中 [0109] [0110] 并且ξ是无量纲数。较高ξ值导致较高阻尼。 [0111] 每种整流罩类型的底部曲线表示无阻尼项(q1U)的仿真。当曲线上的q(U)的值是负的时不稳定和摆动出现。临近底部无阻尼曲线的下一曲线包括具有0.04ξ的阻尼项q1U。下一临近曲线包括具有0.08ξ的阻尼项q1U。下一临近的、顶部曲线包括具有0.16ξ的阻尼项q1U。 [0112] 术语q4、q2和q0进一步有以下表达： [0113] q4＝(Mκ-τmfr)2, [0114] q2＝2k{2κ(mfr)2-I(Mκ+τmfr)}, [0115] q0＝k2I2 [0117] 对于具有连续的非负q(U)值的系统，它们还是无条件地稳定。重点强调SCC的结果，可以看出在具有某种程度的正常阻尼的真实世界条件下，SCC1整流罩可以看到呈现出极大稳定性，然而，图1b和图1c的现有技术整流罩呈现出比SCC1整流罩需要更多阻尼。 [0118] 与现有技术相比，根据本发明的另一优势是分离的整流罩沿立管的垂直长度全部独立操作。考虑到当在水柱中操作整流罩时，立管顶部的环境与底部段的完全不同。基于此，具有在许多环境下都稳定的整流罩时重要的。现有技术的整流罩可以在立管的一段很好工作，然而它们在其它段上不能很好工作。在一水平产生的不稳定可以导致在其它段不稳定。 [0119] 从许多实验室实验以及理论学习中看出，具有平行鳍和/或长鳍，具有较高弦长比的整流罩设备一般是低效率且低稳定性的。本发明的组合特征显示为更流体动力有效的且更小、更轻的整流罩，体积较小、更易于存储且更易于安装而无需ROV。另外，本发明视为可部署在更宽范围的流态中，对应全世界各种地理环境所经历的可变的海洋流环境。 [0120] 与现有技术相比，根据本发明所有实施方式实现的主要优点和改善包括以下： [0121] 对于离岸钻井操作，没有由源自涡激振动(VIV)的钻井立管疲劳引起的操作限制，这节约了离岸操作员的时间和成本。 [0122] 尺寸/重量：在离岸钻进装备上安装/组织VIV抑制装备所花费的时间减少。这也节约了离岸操作员的时间和成本。 [0123] 钻井立管上的低拖曳力：在立管和附接元件上的应力减小。 [0124] 性能：抑制涡激振动(VIV)的能力增加： [0125] 拖曳力：与已知技术相比降低 [0126] 总体稳定性：所有环境均具有稳定性能 [0127] 稳健性：抑制设备的稳健性增加 [0128] 尽管前述发明已经通过出于清楚理解目的的图示和示例进行一定程度的详细描述，很容易显然的是本领域普通技术人员鉴于本发明的教导可以对其进行某些变型和改进而不脱离所附权利要求范围。 [0129] 尽管本发明已经在附图和前述描述汇总详细示出和描述，这种示出和描述视为示意性或示例性且非限制性的，并且其不意欲将本发明限制在所公开的实施方式。仅仅的事实是在相互不同的从属权利要求中引用的特定特征不表示这些特征的组合不能有力地使用。 |
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