具有竖直板的桁架立柱式涡激振动减震的制作方法
具有竖直板的桁架立柱式涡激振动减震的制作方法
【专利说明】具有竖直板的桁架立柱式涡激振动减震
[0001]交叉引用
[0002]本国际专利申请要求申请日为2012年9月17日，申请号为61/701，876的美国临时专利申请的优先权。
[0003]联邦赞助研发声明
[0004]不适用。
[0005]附录参照
[0006]不适用。
技术领域
[0007]本公开涉及用于减少钻井和开采的浮动平台上的振动的系统和方法。更具体地，本公开涉及系统和方法，以减少浮动平台的涡激振动，例如立柱式海上平台。
【背景技术】
[0008]海上油和气钻井和开采操作通常包括一平台，有时称作钻机，其上可安装有钻井、开采和存储设备，如果可能还有平台配备人员的住舱。浮动海上平台通常用于约500ft.(大约152m)和更深的水深度，且可通过例如锚固至海底的锚绳，位于平台的侧面上的电动推进器，或者该二者而保持定位在井位上。尽管浮动海上平台因响应于环境情况(如风和水移动)而移动使得浮动海上平台的操作更加复杂，然而其通常能够比固定平台在更深的水深度处工作。有几种类型的已知浮动平台，例如所谓的“钻井船”，张力腿平台(TLPs)，半潜式和立柱式平台。
[0009]例如，立柱式平台包括长的、细长的、有浮力的台体，其在浮动于竖直、操作位置时提供柱状或立柱式外观，其中上部分在水线上方延伸且下部分浸没在其下方。由于其相对细长、长形的形状，其具有较深的吃水，且因此与其它类型的平台相比基本上具有更好的升沉特征，例如在升沉时的更长的固有周期。因此，在很多年来一些人认为立柱式平台是非常成功的平台设计。用于油和气开发、钻井、开采、存储和天然气燃烧操作的立柱式浮动平台的示例如记载在以下专利文件中，如授予Gaber的美国专利第6，213，045号；授予Copple的美国专利第5，443，330号;授予Horton的美国专利第5，197，826号和第4，740，109号；授予Horton的美国专利第4，702，321号;授予Berthet等的美国专利第4，630，968号；授予Gjerde等的美国专利第4，234，270号;授予Monnereau等的美国专利第3，510，892号；以及授予Busking的美国专利第3，360, 810号。
[0010]尽管由于立柱式海上平台的长度，其固有地较不趋于升沉，然而仍通过将水平设置的板附接至立柱式台体的底部且有时将板围绕台体的周围而径向地延伸而改进升沉和运动控制。在Z轴线直角坐标系中，该水平板在X-Y轴线上具有较大的宽度和长度，以及较小的高度，其中由于在海上使用时该立柱式平台被垂直地设置，该Z轴线沿着所述立柱式平台的长度是竖直的。授予Johnson等的美国专利第3，500, 783号公开了从所述台体径向地延伸的翼片，其中具有在所述台体的底部处的升沉板，其中竖直地和径向地延伸的减震板被围绕所述平台的上和下浸没部分周向地间隔开，且水平减震板被固定至平台的底部以阻止平台的谐振。通过延伸立柱式平台的长度而进行对立柱式平台的升沉控制的进一步改进，其中开放式结构(例如桁架)在所述台体下方，且将水平地设置的板安装在开放式结构中。该桁架的开放式结构允许水位于所述水平板的表面的上方和下方，从而水有助于减弱立柱式平台的竖直移动。
[0011]尽管其相对成功，立柱式平台的当前设计提供了继续改进的空间。例如，由于其长形的、细长的形状，其在一些情况下在海上操作过程中的管理可比其它类型的平台更加复杂，例如在其平衡和稳定的控制方面。具体地，由于其长形的、细长的形状，立柱式平台可特别易受到涡激振动(VIV)或者涡激运动(VIM)(在此都称为“VIV”)，这可由作用在平台的台体上的强的水流导致。
[0012]更具体地，VIV是由于该流动的周期不规则性而引起的在面向外部流动的本体上的运动。流体表现有一些粘滞性，且围绕诸如水中的柱体等的本体的流体流动在与其表面接触时将形成边界层而减慢。在一些点处，该边界层可与本体分离。接着形成漩涡，改变沿着表面的压力分布。当漩涡没有相对于其中平面而围绕本体对称地形成时，在本体的各侧面上产生不同的提升力，从而引起横切于流动的运动。VIV是引起海上石油开发和开采平台、采油管和其它结构的疲劳损坏的重要因素。这些结构经受水流和顶端平台运动二者的影响，这引起流动结构相关运动。该相对运动可引起VIV “禁闭”(lock in) O当减小的速度Um处于根据流动情况的临界范围内时，“禁闭”发生且可根据以下公式表示:
[0013]l〈Ur = u Tn/D〈12 其中:
[0014]Ur:根据锚系浮动结构的固有周期的减小的速度
[0015]u:流体流动速度(米每秒)
[0016]Tn:在没有流动的静水中的浮动结构的固有周期(秒)
[0017]D:柱的直径或宽度(米)
[0018]换言之，当涡漩分离频率接近该结构的固有振动频率时，可发生禁闭。当发生禁闭时，可产生大规模的损坏振动。
[0019]对立柱式平台上的VIV的通常解决方案是提供沿着台体的外周围的箍条。该箍条通常是分段的、螺旋形地设置的结构，其围绕台体以两排或更多条排从台体径向地向外延伸。箍条在减小VIV上是有效的。示例例如授予Brown等的，用于流体浸没式台体的“systemfor reducing hydrodynamic drag and VIV” 的美国专利号第 6，148，751 号，以及授予Richter 等的，标题为“precast, modular spar system having a cylindrical open-endedspar”的美国专利第6, 244, 785号。此外，授予Horton的美国专利第6, 953, 308号公开了从台体径向地延伸的箍条，和径向地延伸的水平升沉板。在WO 2010/030342A2中公开了用于立柱式台体的箍条设计的显著改进，其包括例如可在安装时展开的折叠箍条。然而，箍条可以是劳动密集的，且难以不损坏地安装和运输至立柱式平台的安装点。
[0020]在美国专利公开第2009/0114002号中公开了对涡激力和运动的不同地说明的方案，其中在非流线型本体上的表面粗糙度减小了涡激力和运动，且可被应用至挠性或刚性柱体，例如水下管线，海底取油管，和立柱式海上平台。
[0021]还需要提供浮动平台的VIV的改进和更有效的减小。
【发明内容】
[0022]本公开提供了以多个切向设置的侧板减小涡激振动(VIV)的有效的系统和方法，其中切向设置的侧板在横向于冲击侧板的水流的侧板的两个面上都具有开放空间。在至少一个实施方式中，该侧板可被切向地设置成围绕立柱式平台台体下方的开式桁架结构周围，用于让一定量的水被设置在其间。在另一个实施方式中，侧板可被切向地设置成离开台体的周围以利用板和台体之间的开放空间形成间隔，用于让一定量的水设置在其之间。在各实施方式中，当横向水流的VIV移动导致平台的移动时侧板使水围绕板分离，且侧板阻碍水流中平台的VIV移动。该侧板方法和系统可单独使用或者可与常规的径向延伸的箍条和径向板结合使用。
[0023]该公开提供了用于减小在海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括:海上平台的台体；海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面下方，水具有水流；且一个或多个侧板围绕桁架、台体或该二者的周围与其切向地连接，该侧板形成用于横向于水流的板的两侧上的水的开放空间，该切向侧板被配置成使得当海上平台横向于水流移动时引起围绕侧板的水分离，且将海上平台中的VIV相对于海上平台没有切向侧板时的VIV减小至少20%。
[0024]该公开还提供了用于减小在海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括:海上平台的具有一直径的台体；所述海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面下方，该水具有水流；和一个或多个切向侧板，其被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体或该二者的周围，所述侧板形成用于在横向于水流的板的两侧的水的开放空间，该切向侧板被配置成使得当海上平台横向于所述水流移动时使水围绕所述板分离，所述侧板的尺寸设置成其宽度为所述直径的至少5%，其长度为所述直径的至少15%。
[0025]该公开还提供了用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的方法，该海上平台具有台体；所述海上平台的桁架被配置成至少部分地浸没在水的表面下方，该水具有水流；且一个或多个切向侧板被切向地围绕所述桁架、所述台体或者该二者而连接，所述切向侧板形成用于在横向于水流的板的两侧的水的开放空间，包括:当海上平台相对于水流而横向移动时，将水流在侧板的一个或多个边缘上分离；通过水的分离产生对所述桁架、所述台 体或者该二者的横向移动的阻碍；以及将海上平台中的VIV相对于海上平台没有板的时的VIV减小至少20%。
【附图说明】
[0026]图1A是根据本公开的海上平台的示意正视图，该海上平台具有至少一个在横向上连接至平台的桁架的切向侧板，且被配置成减小涡激振动(VIV)。
[0027]图1B是图1A中所示的具有至少一个侧板的海上平台的示意侧视图。
[0028]图1C是海上平台的示意顶横剖视图，其具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板。
[0029]图1D是海上平台的示意顶横剖视图，该海上平台具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板，示出了大体横切于水流的平台的VIV移动。
[0030]图1E是海上平台的示意侧局部剖视图，该海上平台具有连接至海上平台的桁架的切向侧板，示出了在切向侧板上的水分离以阻挡移动和减小VIV移动。
[0031]图2A是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有在纵向上连接至该平台的桁架的至少一个切向侧板，且该切向侧板被配置成减小VIV。
[0032]图2B是图2A中所示的海上平台的示意侧视图，其中该海上平台具有至少一个切向侧板。
[0033]图2C是海上平台的示意顶局部横剖视图，其中该海上平台具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板。
[0034]图2D是海上平台的示意顶横剖视图，其中该海上平台具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板，示出了在切向侧板上的水分离以阻止移动且减小VIV移动。
[0035]图3是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中具有至少一个横向切向侧板，在比图1A中所示的更低的高度连接至平台的桁架且被配置成减小VIV。
[0036]图4是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有被配置成减小VIV的在横向上的至少一个切向侧板和在纵向上的至少一个切向侧板。
[0037]图5A是根据这里的公开的海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有至少一个切向侧板，其被连接至平台的台体的周围且被配置成减小VIV。
[0038]图5B是海上平台的示意顶横剖视图，其中该海上平台具有连接至该海上平台的台体的周围的切向侧板，示出了在该侧板上的水分离用于阻碍移动并减小VIV移动。
[0039]图5C是图5B的一部分的示意放大视图。
[0040]图6是根据本公开的海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有连接至该平台的台体且被配置成减小VIV的至少一个切向侧板。
[0041]图7是海上平台的示意顶视图，其中示出了平台自VIV的横切和轴向移动的幅度。
[0042]图8是平台在一时间段上的横向移动的幅度的示意图。
[0043]图9是海上平台的VIV移动的三个示例性测试的示意图表，表示没有切向侧板，具有在横向上的切向侧板，和具有沿纵向上的切向侧板在水流以各种方向冲击板时的情形。
【具体实施方式】
[0044]上述附图以及以下对具体结构和功能的说明不对申请人的发明以及所附权利要求的范围进行限制。此外，附图和说明被提供以教导本领域技术人员怎样制造和使用所要求专利保护的发明。本领域技术人员应理解，为了简明起见，本发明商业实施例并非所有技术特征都进行了说明或展示。本领域技术人员应理解结合本发明特征的实际商业实施方式的发展将要求多种具体应用决定以实现用于商业实施方式中的研发者的最终目标。该具体应用决定可包括且不限于适合系统相关，商业相关，政府相关和其它限制，其可由于具体应用、位置而时常变化。尽管研发者的工作在绝对意义上是复杂和耗时的，然而该工作将是本领域技术人员得益于本公开的常规程序。应理解这里所公开和教导的发明易进行多种和不同修改和可选形式。单个术语的使用，例如但不限于“一”不旨在对项目的数量进行限制。此外，使用相关的术语，例如但不限于“顶”，“底”，“左”，“右”，“上”，“下”，“向下”，“向上”，“侧”等在说明书中用于澄清对附图的具体参照的目的而不旨在限制本发明或所附权利要求的范围。在合适的情况下，一些构件被标记为在数字后还有字母，以表示被编号构件的具体元件，从而帮助参照【附图说明】结构，但除非具体说明否则不对权利要求进行限制。当大体参考该元件时，没有字母的数字用于包括标记有字母的元件。此外，该指示不限制可用于该功能的元件的数量。
[0045]本公开提供了通过多个切向设置的侧板减小涡激振动(VIV)的有效系统和方法，该侧板在横向于冲击侧板的水流的两面上具有开放间间。在至少一个实施方式中，侧板可被设置成切向地围绕在立柱式平台(spar platform)的台体下方的开式桁架结构(opentruss structure)的周围，用于让一定量的水被设置在其之间。在另一个实施方式中，侧板可被切向地设置成离开台体的周围，以由在板和台体之间的开放空间形成间隔，用于让一定量的水被设置在其之间。在各实施方式中，侧板使得当横向水流的VIV移动引起平台的移动时，侧板使得围绕该板的水分离，且侧板阻止平台在水流中的VIV移动。侧板的该方法和系统可被单独使用或者可与多个常规的径向延伸的箍条(strake)和径向板结合使用。
[0046]图1A是根据本公开的海上平台的示意正视图，其中海上平台具有至少一个切向侧板，其在横向上连接至平台的桁架且被配置成减少涡激振动(VIV)。图1B是图1A中所示的海上平台带有至少一个侧板的示意侧视图。图1C是海上平台的示意顶横剖视图，其具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板。图1D是海上平台的示意顶横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的桁架，示出了平台的大体横切于水流的VIV移动。图1E是海上平台的示意侧局部横剖视图，该海上平台具有连接至海上平台的桁架的切向侧板，示出了在切向侧板上的水分离，用于阻挡和减轻VIV移动。将结合附图进行说明。
[0047]海上平台2可以是任何形状和尺寸，且以示意性的目的示出为立柱式海上平台。该海上平台大体具有能够浮动的台体和浸没在水表面50下用于稳定平台本体的结构。在该示例性实施方式中，海上平台2包括具有桁架6的台体4，该桁架6连接至台体的底部且深深地延伸进入水，其中平台具有沿着平台长度的纵轴线46，且当海上平台处于操作位置时大体竖直地对齐。该桁架为“开式”结构，因为水可流经其中，经过形成该结构的柱8和支架10。为了示意的目的，该开放空间大体被标记为12，其中以12A、12B表示具体区域等等。一个或多个水平的升沉板14被设置成横向地横过桁架且彼此竖直地间隔开，以通过开放空间12限定桁架隔间(truss bay) 16，该开放空间12横向地位于柱8之间且纵向地(大体竖直地)位于两个升沉板之间以限定隔间方形区域。该升沉板14滞留(entrap)在升沉板的表面上的水，并抑制由于波动作用以及其它竖直位移水流移动引起的海上平台2的竖直移动。龙骨18大体被设置在海上平台2的底部处。该龙骨18大体是封闭的区域，其有时能够进行浮力调节。由于保持在龙骨中的压舱材料，该龙骨18通过较低的重心而向平台提供稳定性。尽管升沉板14和龙骨18提供一定的稳定性，然而海上平台的横向移动仍然可引起对平台的操作和结构破坏。台体具有直径D且桁架具有宽度Wt，其中对角尺寸通常大体等于直径D。为了示意的目的，台体的长度示出为Lh，桁架的长度示出为LT，且总长度示出为h。
[0048]更具体地，在所示的实施方式中，桁架具有四个桁架隔间16A、16B、16C、16D，其通过三个升沉板14A、14B、14C而间隔。在台体4的底部与升沉板14A之间的开放空间12A允许水流流经隔间16A。在升沉板14A和升沉板14B之间的开放空间12B允许水流流经桁架隔间16B，在升沉板14B与升沉板14C之间的开放空间12C允许水流流经桁架隔间16C，且开放空间12D允许水流流经在升沉板14C与龙骨18之间的桁架隔间16D。在图1A中，示出了两个切向侧板22A、22B具有板的长度Lp以及板的宽度Wp。侧板22被大体切向地设置成围绕桁架外围，即，围绕桁架的一个或多个面48，例如面48A。在该实施方式中，切向侧板22被横向地定向，即，较长的长度Lp横过桁架隔间且宽度胃^皮纵向地对齐。侧板的形状是示意性的，且可使用其它形状，例如圆形、椭圆形、多边形以及其它几何和非几何形状和尺寸。
[0049]在大体横向于围绕台体4或者通过平台的桁架6的水流的VIV移动过程中，在平台前后移动时，切向侧板22引起经过板的边缘36范围上的水的分离。此外，对于具有升沉板14的实施方式，诸如侧板22A等的侧板可覆盖开放区域12的一部分，从而水分尚WS发生在围绕切向侧板处且流经在升沉板之间的桁架隔间的开放区域12，该桁架隔间如桁架隔间16B。在图1A中所示的实施方式中， 切向侧板22被设置在第二和第三桁架空间16B、16C中。然而，如对具体的应用优选的，侧板22可被设置在其它隔间中，且该示例是非限制性的。
[0050]在至少一个实施方式中，侧板22可覆盖在升沉板之间的桁架隔间的隔间方形区域的至少25%。此外或可替换地，该切向侧板被尺寸设置成宽度Wp为台体的直径D的至少5%，且长度Lp为台体的直径的至少15%。通过不同的度量，切向升沉板可被尺寸设置成将海上平台中的VIV减小在海上平台在没有切向侧板的情况下的VIV的至少50%，且更有利地至少90%。然而，尺寸可变化。例如，切向侧板的尺寸可基本更大，但大体小于完整的隔间方形区域，以允许分离的水流经侧板的边缘。作为多种尺寸的另一个示例，该板可被尺寸设置成使得VIV减小的量可为20%至100%以及其之间的任何分数或者任何增量，例如50、55、60、65等等百分比，和在这些值之间的任何进一步的增量，例如51 %，52%，53%，54%等，以及类似的任何其它百分比。在至少一个实施方式中，且仅用于示意而不是限制性的，台体的长度可以是200尺(61m)，桁架Lt的长度可以是300尺(91m)，且总的高度L ^可以是500尺(152m)。此外，对于直径D大致为100尺(30m)的台体，隔间Lb的长度(当被竖直地可操作地设置时的高度)可以是75尺(23m)，且桁架WT(以及隔间的宽度)的宽度可以是70尺(71m)。板Lp的长度可以为约65尺(20m)，且宽度W P可以为约30尺(9m)，然而其它宽度也是可行的，例如40尺(12m)和50尺(15m)。这些示例性的尺寸和比例使得板的长度为65% (65/100)，且板的宽度为30% (30/100)且板的方形区域为隔间方形区域的37% ((65X30)/(75X70))。
[0051]此外，如图1B中所示，额外的侧板22可被安装至海上平台2的其它面48，例如面48B。在至少一个实施方式中，板22被安装至海上平台的所有面。所有面，或者至少相反面的安装让板沿着多个板边缘且在水流的多个方向上分离水，以有助于减小VIV。
[0052]参考图1C-1E，具有厚度Tp的切向侧板被连接至桁架6，例如连接至支架10，其被设置在柱8之间。该切向侧板22，例如侧板22A、22E可分离具有水流C所示的方向的水。在更详细来说，例如当平台在图1E的方向M移动时，来自水流C的水在侧板的面32被分离，从而被分离的水围绕板22 (如以下在其它实施方式中所述的板24、26)的边缘36而流动。该水分离提供了阻挡力，其减小了在没有切向侧板的情况下将产生的VIV运动。
[0053]切向侧板22具有厚度TP，其大体显著地小于宽度Wp和长度L Ρ，如本领域技术人员应理解的。例如，但不是限制性的，Tp应大体理解为小于宽度Wp或者长度Lp的10%。此外，侧板22可被横向地设置，从而长度Lp横向于纵轴线46。侧板22可横向于柱8而延伸。可选地，侧板22可不延伸至柱，以让水在柱和侧板之间流经侧板22的横向边缘。在至少一个实施方式中，侧板可被设置成朝向桁架隔间16的纵向中间，从而在侧板22上方和下方具有开放区域以发生水分离和让水通过其中。
[0054]图2A是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中在纵向方向的至少一个切向侧板被连接至平台的桁架且被配置成减小VIV。图2B是图2A中所示的海上平台的示意侧视图，其中具有至少一个切向侧板。图2C是海上平台的示意顶部分横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的桁架。图2D是海上平台的示意顶横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的桁架，示出了在侧板上的水分离以阻挡移动并减小VIV移动。将图彼此结合地进行说明。
[0055]图2A-2D中示出的海上平台2的实施方式大体被配置成与图1A-1E中所示的实施方式相似，除了侧板被纵向地而不是横向地定向。在该配置中，侧板在图中以数字24指示，以区别在图1A-1D中的侧板22的方向，然而相似的说明和效果以相似的方式应用于图2A-2D中所示的实施方式。在该实施方式中，桁架隔间的长度Lb比板的长度Lp长几尺。例如，桁架隔间长度Lb可以是75尺(23m)而侧板的长度Lp可以是70尺(21m)。
[0056]在至少一个实施方式中，纵向地定向的切向侧板24A、24C、24E、24F可被设置成围绕桁架的所有面，如图2C中所示。当水流C来自图2C中所示的方向时，水可围绕侧板而被分离，例如侧板24A、24E (且当水流方向来自图2C的左或右时围绕侧板24C、24F)。应理解，当水流与图2C中所示的水流C的方向成45度或其它角度时，水流C的不同角度可以板的多种结合方式(例如板24A、24C和24E、24F)而分离水流。
[0057]图3是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中至少一个切向侧板22B在比图1A中所示的更低的高度在横向方向被连接至平台2的桁架6，且被配置成减小VIV。该配置与图1A-1E中所示的一个或多个横向侧板相似。然而，与图1A-1E中所示的侧板相比，在图3中的侧板22A、22B被向下纵向地移动至隔间16C、16D中。该实施方式仅仅是示例性的，以示出切向侧板可被设置在不同的隔间中，如可理解用于所要求的具体的配置性能。
[0058]图4是海上平台的另一个实施例的示意正视图，其中具有被配置成减小VIV的在横向上的至少一个切向侧板22和在纵向上的至少一个切向侧板24。如进一步示出的，切向侧板的方向不需要是一致的。例如，在桁架(或者如图5A、5B-5C、6中所示的台体)的一个或多个侧上的一个或多个侧板22、24可被横向地或纵向地设置，包括横向或纵向侧板的组合。另外地，侧板可被设置在不相邻的隔间中。例如，侧板可以在隔间16A中，且另一个侧板可在隔间16C或16D中。
[0059]图5A是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中至少一个切向侧板被连接至平台台体的外围且被配置成减小VIV，如这里所公开的。图5B是海上平台的示意顶横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的台体的外围，示出了在侧板上的水分离用于阻挡移动并减小VIV移动。图5C是图5B的一部分的放大示意图。将结合彼此对该图进行说明。在图5A，5B-5C中所示的海上平台2的实施方式中示出了连接至台体4的切向侧板26，但是该侧板26通过在侧板26与台体4的外围之间的间隔G而与台体分离，该间隔形成开放空间30。该切向侧板26可具有与关于桁架的面上的侧板22、24所说明的相似的设计和目的。可通过诸如梁、板或其它结构的连接件28将切向侧板26保持在台体4中的合适位置。间隔G可改变，且在至少一个实施方式中可以是台体4的直径D的至少5%。
[0060]侧板26与台体4的原理与上面关于侧板22、24和桁架6所述的概念相似。当平台大体横切于水流移动且具有VIV移动时，在台体与侧板之间形成的开放空间30允许水围绕侧板的边缘36而分离，以帮助阻碍该横向移动并减小VIV。在至少一个示例性实施方式中，图5A中所示的侧板26A、26B、26C可在周向上围绕台体4的外围对齐成一行。诸如26D、26E、26F等的其它侧板可在周向上被对齐成另一行。此外，可理解一个或多个侧板22、24还可被设置在桁架6上，例如图1A至ID和图2A至2C中所示，与设置在台体上的一个或多个侧板26结合，如图5A-6中所示。
[0061]图6是海上平台的另一个实施例的示意正视图，其中至少一个切向侧板被连接至平台的台体且被配置成减小VIV，根据这里的公开。侧板26与图5A、5B-5C中所示的侧板相似，但是在该实施方式中可围绕台体4的周围对齐成一个或多个螺旋形的行。
[0062]图7是海上平台的示意顶视图，其中示出了来自VIV的平台的横向和轴向移动的幅度。在图7中，对于通过在水平面中的正交X-Y轴线的原点的给定直径D，由于VIV移动，具有台体4的海上平台2可在M方向横向于水流C移动。平台2可随着VIV自台体4直径D的中心线沿着以路径40描画的大体横向路径移动幅度A。沿着轴线在任何方向上最远的程度已知为移动的幅度A。如图8和9中所示，直径D和移动幅度A被计入计算和图表中。
[0063]图8是平台在一个时间段上的横向移动的幅度的示意图。平台2的移动幅度示出了其相对于图7中所示的X-Y轴线以震荡方式往复从负Y轴线位置移动至正Y轴线位置。大体已知的VIV测量参数用来测量幅度的改变与台体直径的比例。
[0064]因此，例如，如图8中所示，在曲线上的点42处的最大幅度Amax可与在曲线上的点44处的最小幅度Amin相比。幅度差是最大幅度减去最小幅度，且该值可被台体4的直径D的两倍除。该公式大体如下:
[0065](Amax - Amin) /2D
[0066]且仅以“A/D”表示。
[0067]图9是用于不具有 切向侧板，具有在横向方向的切向侧板，以及具有纵向上的切向侧板在水流以不同方向冲击板的情形下的海上平台的VIV移动的三个示例测试的示意图。图9示出了不具有切向侧板的配置与具有横向侧板的配置和具有纵向侧板的第三配置的连续曲线画出的A/D比例。沿着A/D Y轴的较小值指向更低的VIV。X轴线表示可冲击平台的水流方向，且因此也会冲击与该方向相关的板。第二和第三配置以四种不同的流动方向作为用于比较的示例输入而测量，即60°、165°、225°和290°。在没有侧板的配置与有横向侧板的配置之间的最大差发生在约165°处。此外，在225°流动方向处，具有纵向侧板的配置与没有侧板的配置以及具有横向侧板的配置之间存在最大差。
[0068]可设计出使用本发明的上述一个或多个方面的其它和另外的实施方式而不偏离本发明的实质。例如，可使用开放式结构(例如，桁架)的多种侧面、形状和尺寸，以及可使用台体的多种形状和尺寸。板的长度和宽度和深度可改变，以及板的数量也可改变。在系统中可进行其它改变。
[0069]此外，这里所述的多种方法和实施方式可被包括为彼此结合以产生多种所公开的方法和实施方式的变化。关于单个构件的说明可包括多个构件，反之亦然。提及至少一个项目后再提及此项目指的是可包括一个或多个该项目。此外，本实施方式的多个方面可用于彼此结合以完成本公开所含有的目标。除非上下文另外地要求，词“包括”或者其变形，如“包含”或“含有”，应理解为表示表示包括至少所述的构件或步骤，或者构件或步骤的组，或者其等同，且不排除更大数量的或者任何其它构件或步骤，或者构件或步骤的组，或者其等同。该装置或系统可被用于多种方向或方位。术语“被连接”，“连接”，“连接器”等在此广泛地应用且可包括任何方法或装置，其用于紧固、绑定、结合、系牢、附接、接合、插入其中、形成在其上或其中、连通或者另外地相关联，例如机械地、磁性地、电地、化学地、可操作地、与中间构件直接地或间接地、一件或多件元件共同地且还可包括但不限于以单一的方式将一个功能元件与另一个整体地形成。该连接可发生在任何方向，包括旋转地。
[0070]该步骤的次序可以多种顺序进行，除非另外地具体限制。这里所述的多个步骤可与其它步骤组合，插入所述步骤，和/或分为多个步骤。类似地，部件已被功能性地说明且可被实施为不同的部件或者可被组合为具有多种功能的部件。
[0071]已在优选的和其它实施方式中对上下文进行了说明，且没有对本发明的所有实施方式进行说明。对本领域技术人员来说，在给出这里所述的公开的情况下，对所述实施方式的修改和改变是明显的。所公开的和未公开的实施方式不旨在限制或约束发明人所构思的发明的范围或应用，而是与专利法相符，申请人旨在保护全部的在所附权利要求的等同的范围或区域内的所有修改和改进。
【主权项】
1.一种用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括: 所述海上平台的台体； 所述海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面以下，该水具有水流；和 一个或多个侧板，其被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体、或该二者的外围，所述侧板形成用于在横向于所述水流的所述板的两侧上的水的开放空间，该切向侧板被配置成当海上平台横向于所述水流移动时使水围绕所述侧板分离，并使得和不具有所述切向侧板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少20%。2.如权利要求1所述的系统，其中所述侧板的尺寸被设置成以及配置成，和不具有所述切向侧板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少90 %。3.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板的尺寸被设置成，其宽度为所述台体的直径的至少5%，其长度为所述台体的直径的至少15%。4.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板被设置在所述台体的外侧，与所述台体的距离为所述台体的直径的至少5%。5.如权利要求1所述的系统，其中所述桁架形成多个侧面，且至少一个切向侧板被连接至所述桁架的各侧面。6.如权利要求1所述的系统，还包括至少两个升沉板，其横跨所述桁架的面设置且彼此在纵向上分离以限定桁架隔间，该桁架隔间在跨过桁架的所述面的所述升沉板之间具有隔间方形区域，且其中至少一个切向侧板被安装在桁架的所述面的一部分上，从而所述水的分离至少有一部分发生在所述至少一个切向侧板上通过所述桁架隔间。7.如权利要求6所述的系统，其中所述至少一个切向侧板限定一方形区域，该方形区域是所述隔间方形区域的至少25%。8.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板在所述桁架上被横向地、纵向地、或者横向和纵向组合地定向。9.如权利要求1所述的系统，还包括三个升沉板，其横跨设置在所述桁架上且彼此在纵向上分离，以限定两个桁架隔间，在各桁架隔间中，在所述升沉板之间具有在所述桁架范围上的隔间方形区域，且其中一个或多个所述切向侧板的尺寸被设置成在所述桁架的至少一个面上覆盖各桁架隔间中的隔间方形区域的至少25%。10.如权利要求9所述的系统，其中所述切向侧板在所述桁架的所述至少一个面上被横向地、纵向地、或者横向和纵向组合地定向。11.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板中的至少一个被切向连接至台体且被设置成离开所述台体以形成一间隔，用于在所述切向侧板和所述台体之间使水分离。12.如权利要求11所述的系统，其中多个所述切向侧板切向地连接所述台体但与之离开，且在周向上对齐。13.如权利要求11所述的系统，其中多个所述切向侧板切向地连接所述台体但与之离开，且排列成螺旋状。14.一种用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括: 所述海上平台的台体，其具有一直径； 所述海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面以下，该水具有水流；和 一个或多个切向侧板，其被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体或该二者的外围，所述侧板形成用于在横向于所述水流的所述板的两侧上的水的开放空间，该切向侧板被配置成当所述海上平台横向于所述水流移动时使水围绕所述板分离，所述侧板的尺寸被设置成，其宽度为所述直径的至少5%，其长度为所述直径的至少15%。15.如权利要求14所述的系统，其中所述切向侧板被配置成，和不具有所述侧板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少20%。16.一种用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的方法，该海上平台具有台体；所述海上平台的桁架被配置成至少部分地浸没在水的表面以下，该水具有水流；且一个或多个切向侧板被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体或者该二者的外围，所述切向侧板形成用于在横向于所述水流的所述板的两侧上的水的开放空间，所述方法包括: 当所述海上平台相对于所述水流横向移动时，使水流在所述侧板的一个或多个边缘上分离； 利用水的分离对所述桁架、所述台体或者该二者的横向运动产生阻碍；以及 和不具有所述板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少20%。17.如权利要求16所述的方法，还包括利用所述切向侧板减少所述海上平台的横向移动。18.如权利要求16所述的方法，其中所述海上平台包括至少两个升沉板，其横跨所述桁架设置且彼此在纵向上分离以限定桁架隔间，该桁架隔间在跨过桁架面的所述升沉板之间具有隔间方形区域，且其中至少一个切向侧板被安装在所述桁架面的一部分上，且还包括: 当所述海上平台相对于所述水流横向移动时，使穿过所述桁架隔间的水流在所述切向侧板的一个或多个边缘上分离。19.如权利要求18所述的方法，还包括将通过所述桁架隔间的水流的至少25%分离。20.如权利要求16所述的方法，其中至少一个切向侧板被周向地连接至所述台体且被设置成从所述台体离开以在所述侧板和所述台体之间形成间隔，且还包括: 当所述海上平台相对于所述水流横向移动时，在所述台体和所述侧板之间使水流在所述切向侧板的一个或多个边缘上分离。
【专利摘要】一种减小涡激振动(VIV)的系统和方法，其中具有多个切向设置的侧板(22)，其在横向于水流的两个面上都具有开放空间。该侧板利用冲击平台的水流引发的平台横向VIV移动使水围绕板分离，且切向侧板阻挡由水流引起的平台VIV移动。该侧板可被切向地设置成围绕立柱式平台台体(4)下方的开式桁架(6)结构的外围。在另一个实施方式中，该切向侧板可被切向地设置成离开台体的外围，以通过在板与台体之间的开放空间形成间隔。
【IPC分类】B63B35/44
【公开号】CN104903189
【申请号】CN201380058314
【发明人】K.F.兰布拉科斯, B.库
【申请人】泰克尼普法国公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年9月13日
【公告号】CA2884896A1, EP2895385A2, US20150218769, WO2014043496A2, WO2014043496A3
【专利说明】具有竖直板的桁架立柱式涡激振动减震
[0001]交叉引用
[0002]本国际专利申请要求申请日为2012年9月17日，申请号为61/701，876的美国临时专利申请的优先权。
[0003]联邦赞助研发声明
[0004]不适用。
[0005]附录参照
[0006]不适用。
技术领域
[0007]本公开涉及用于减少钻井和开采的浮动平台上的振动的系统和方法。更具体地，本公开涉及系统和方法，以减少浮动平台的涡激振动，例如立柱式海上平台。
【背景技术】
[0008]海上油和气钻井和开采操作通常包括一平台，有时称作钻机，其上可安装有钻井、开采和存储设备，如果可能还有平台配备人员的住舱。浮动海上平台通常用于约500ft.(大约152m)和更深的水深度，且可通过例如锚固至海底的锚绳，位于平台的侧面上的电动推进器，或者该二者而保持定位在井位上。尽管浮动海上平台因响应于环境情况(如风和水移动)而移动使得浮动海上平台的操作更加复杂，然而其通常能够比固定平台在更深的水深度处工作。有几种类型的已知浮动平台，例如所谓的“钻井船”，张力腿平台(TLPs)，半潜式和立柱式平台。
[0009]例如，立柱式平台包括长的、细长的、有浮力的台体，其在浮动于竖直、操作位置时提供柱状或立柱式外观，其中上部分在水线上方延伸且下部分浸没在其下方。由于其相对细长、长形的形状，其具有较深的吃水，且因此与其它类型的平台相比基本上具有更好的升沉特征，例如在升沉时的更长的固有周期。因此，在很多年来一些人认为立柱式平台是非常成功的平台设计。用于油和气开发、钻井、开采、存储和天然气燃烧操作的立柱式浮动平台的示例如记载在以下专利文件中，如授予Gaber的美国专利第6，213，045号；授予Copple的美国专利第5，443，330号;授予Horton的美国专利第5，197，826号和第4，740，109号；授予Horton的美国专利第4，702，321号;授予Berthet等的美国专利第4，630，968号；授予Gjerde等的美国专利第4，234，270号;授予Monnereau等的美国专利第3，510，892号；以及授予Busking的美国专利第3，360, 810号。
[0010]尽管由于立柱式海上平台的长度，其固有地较不趋于升沉，然而仍通过将水平设置的板附接至立柱式台体的底部且有时将板围绕台体的周围而径向地延伸而改进升沉和运动控制。在Z轴线直角坐标系中，该水平板在X-Y轴线上具有较大的宽度和长度，以及较小的高度，其中由于在海上使用时该立柱式平台被垂直地设置，该Z轴线沿着所述立柱式平台的长度是竖直的。授予Johnson等的美国专利第3，500, 783号公开了从所述台体径向地延伸的翼片，其中具有在所述台体的底部处的升沉板，其中竖直地和径向地延伸的减震板被围绕所述平台的上和下浸没部分周向地间隔开，且水平减震板被固定至平台的底部以阻止平台的谐振。通过延伸立柱式平台的长度而进行对立柱式平台的升沉控制的进一步改进，其中开放式结构(例如桁架)在所述台体下方，且将水平地设置的板安装在开放式结构中。该桁架的开放式结构允许水位于所述水平板的表面的上方和下方，从而水有助于减弱立柱式平台的竖直移动。
[0011]尽管其相对成功，立柱式平台的当前设计提供了继续改进的空间。例如，由于其长形的、细长的形状，其在一些情况下在海上操作过程中的管理可比其它类型的平台更加复杂，例如在其平衡和稳定的控制方面。具体地，由于其长形的、细长的形状，立柱式平台可特别易受到涡激振动(VIV)或者涡激运动(VIM)(在此都称为“VIV”)，这可由作用在平台的台体上的强的水流导致。
[0012]更具体地，VIV是由于该流动的周期不规则性而引起的在面向外部流动的本体上的运动。流体表现有一些粘滞性，且围绕诸如水中的柱体等的本体的流体流动在与其表面接触时将形成边界层而减慢。在一些点处，该边界层可与本体分离。接着形成漩涡，改变沿着表面的压力分布。当漩涡没有相对于其中平面而围绕本体对称地形成时，在本体的各侧面上产生不同的提升力，从而引起横切于流动的运动。VIV是引起海上石油开发和开采平台、采油管和其它结构的疲劳损坏的重要因素。这些结构经受水流和顶端平台运动二者的影响，这引起流动结构相关运动。该相对运动可引起VIV “禁闭”(lock in) O当减小的速度Um处于根据流动情况的临界范围内时，“禁闭”发生且可根据以下公式表示:
[0013]l〈Ur = u Tn/D〈12 其中:
[0014]Ur:根据锚系浮动结构的固有周期的减小的速度
[0015]u:流体流动速度(米每秒)
[0016]Tn:在没有流动的静水中的浮动结构的固有周期(秒)
[0017]D:柱的直径或宽度(米)
[0018]换言之，当涡漩分离频率接近该结构的固有振动频率时，可发生禁闭。当发生禁闭时，可产生大规模的损坏振动。
[0019]对立柱式平台上的VIV的通常解决方案是提供沿着台体的外周围的箍条。该箍条通常是分段的、螺旋形地设置的结构，其围绕台体以两排或更多条排从台体径向地向外延伸。箍条在减小VIV上是有效的。示例例如授予Brown等的，用于流体浸没式台体的“systemfor reducing hydrodynamic drag and VIV” 的美国专利号第 6，148，751 号，以及授予Richter 等的，标题为“precast, modular spar system having a cylindrical open-endedspar”的美国专利第6, 244, 785号。此外，授予Horton的美国专利第6, 953, 308号公开了从台体径向地延伸的箍条，和径向地延伸的水平升沉板。在WO 2010/030342A2中公开了用于立柱式台体的箍条设计的显著改进，其包括例如可在安装时展开的折叠箍条。然而，箍条可以是劳动密集的，且难以不损坏地安装和运输至立柱式平台的安装点。
[0020]在美国专利公开第2009/0114002号中公开了对涡激力和运动的不同地说明的方案，其中在非流线型本体上的表面粗糙度减小了涡激力和运动，且可被应用至挠性或刚性柱体，例如水下管线，海底取油管，和立柱式海上平台。
[0021]还需要提供浮动平台的VIV的改进和更有效的减小。
【发明内容】
[0022]本公开提供了以多个切向设置的侧板减小涡激振动(VIV)的有效的系统和方法，其中切向设置的侧板在横向于冲击侧板的水流的侧板的两个面上都具有开放空间。在至少一个实施方式中，该侧板可被切向地设置成围绕立柱式平台台体下方的开式桁架结构周围，用于让一定量的水被设置在其间。在另一个实施方式中，侧板可被切向地设置成离开台体的周围以利用板和台体之间的开放空间形成间隔，用于让一定量的水设置在其之间。在各实施方式中，当横向水流的VIV移动导致平台的移动时侧板使水围绕板分离，且侧板阻碍水流中平台的VIV移动。该侧板方法和系统可单独使用或者可与常规的径向延伸的箍条和径向板结合使用。
[0023]该公开提供了用于减小在海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括:海上平台的台体；海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面下方，水具有水流；且一个或多个侧板围绕桁架、台体或该二者的周围与其切向地连接，该侧板形成用于横向于水流的板的两侧上的水的开放空间，该切向侧板被配置成使得当海上平台横向于水流移动时引起围绕侧板的水分离，且将海上平台中的VIV相对于海上平台没有切向侧板时的VIV减小至少20%。
[0024]该公开还提供了用于减小在海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括:海上平台的具有一直径的台体；所述海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面下方，该水具有水流；和一个或多个切向侧板，其被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体或该二者的周围，所述侧板形成用于在横向于水流的板的两侧的水的开放空间，该切向侧板被配置成使得当海上平台横向于所述水流移动时使水围绕所述板分离，所述侧板的尺寸设置成其宽度为所述直径的至少5%，其长度为所述直径的至少15%。
[0025]该公开还提供了用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的方法，该海上平台具有台体；所述海上平台的桁架被配置成至少部分地浸没在水的表面下方，该水具有水流；且一个或多个切向侧板被切向地围绕所述桁架、所述台体或者该二者而连接，所述切向侧板形成用于在横向于水流的板的两侧的水的开放空间，包括:当海上平台相对于水流而横向移动时，将水流在侧板的一个或多个边缘上分离；通过水的分离产生对所述桁架、所述台 体或者该二者的横向移动的阻碍；以及将海上平台中的VIV相对于海上平台没有板的时的VIV减小至少20%。
【附图说明】
[0026]图1A是根据本公开的海上平台的示意正视图，该海上平台具有至少一个在横向上连接至平台的桁架的切向侧板，且被配置成减小涡激振动(VIV)。
[0027]图1B是图1A中所示的具有至少一个侧板的海上平台的示意侧视图。
[0028]图1C是海上平台的示意顶横剖视图，其具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板。
[0029]图1D是海上平台的示意顶横剖视图，该海上平台具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板，示出了大体横切于水流的平台的VIV移动。
[0030]图1E是海上平台的示意侧局部剖视图，该海上平台具有连接至海上平台的桁架的切向侧板，示出了在切向侧板上的水分离以阻挡移动和减小VIV移动。
[0031]图2A是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有在纵向上连接至该平台的桁架的至少一个切向侧板，且该切向侧板被配置成减小VIV。
[0032]图2B是图2A中所示的海上平台的示意侧视图，其中该海上平台具有至少一个切向侧板。
[0033]图2C是海上平台的示意顶局部横剖视图，其中该海上平台具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板。
[0034]图2D是海上平台的示意顶横剖视图，其中该海上平台具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板，示出了在切向侧板上的水分离以阻止移动且减小VIV移动。
[0035]图3是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中具有至少一个横向切向侧板，在比图1A中所示的更低的高度连接至平台的桁架且被配置成减小VIV。
[0036]图4是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有被配置成减小VIV的在横向上的至少一个切向侧板和在纵向上的至少一个切向侧板。
[0037]图5A是根据这里的公开的海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有至少一个切向侧板，其被连接至平台的台体的周围且被配置成减小VIV。
[0038]图5B是海上平台的示意顶横剖视图，其中该海上平台具有连接至该海上平台的台体的周围的切向侧板，示出了在该侧板上的水分离用于阻碍移动并减小VIV移动。
[0039]图5C是图5B的一部分的示意放大视图。
[0040]图6是根据本公开的海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中该海上平台具有连接至该平台的台体且被配置成减小VIV的至少一个切向侧板。
[0041]图7是海上平台的示意顶视图，其中示出了平台自VIV的横切和轴向移动的幅度。
[0042]图8是平台在一时间段上的横向移动的幅度的示意图。
[0043]图9是海上平台的VIV移动的三个示例性测试的示意图表，表示没有切向侧板，具有在横向上的切向侧板，和具有沿纵向上的切向侧板在水流以各种方向冲击板时的情形。
【具体实施方式】
[0044]上述附图以及以下对具体结构和功能的说明不对申请人的发明以及所附权利要求的范围进行限制。此外，附图和说明被提供以教导本领域技术人员怎样制造和使用所要求专利保护的发明。本领域技术人员应理解，为了简明起见，本发明商业实施例并非所有技术特征都进行了说明或展示。本领域技术人员应理解结合本发明特征的实际商业实施方式的发展将要求多种具体应用决定以实现用于商业实施方式中的研发者的最终目标。该具体应用决定可包括且不限于适合系统相关，商业相关，政府相关和其它限制，其可由于具体应用、位置而时常变化。尽管研发者的工作在绝对意义上是复杂和耗时的，然而该工作将是本领域技术人员得益于本公开的常规程序。应理解这里所公开和教导的发明易进行多种和不同修改和可选形式。单个术语的使用，例如但不限于“一”不旨在对项目的数量进行限制。此外，使用相关的术语，例如但不限于“顶”，“底”，“左”，“右”，“上”，“下”，“向下”，“向上”，“侧”等在说明书中用于澄清对附图的具体参照的目的而不旨在限制本发明或所附权利要求的范围。在合适的情况下，一些构件被标记为在数字后还有字母，以表示被编号构件的具体元件，从而帮助参照【附图说明】结构，但除非具体说明否则不对权利要求进行限制。当大体参考该元件时，没有字母的数字用于包括标记有字母的元件。此外，该指示不限制可用于该功能的元件的数量。
[0045]本公开提供了通过多个切向设置的侧板减小涡激振动(VIV)的有效系统和方法，该侧板在横向于冲击侧板的水流的两面上具有开放间间。在至少一个实施方式中，侧板可被设置成切向地围绕在立柱式平台(spar platform)的台体下方的开式桁架结构(opentruss structure)的周围，用于让一定量的水被设置在其之间。在另一个实施方式中，侧板可被切向地设置成离开台体的周围，以由在板和台体之间的开放空间形成间隔，用于让一定量的水被设置在其之间。在各实施方式中，侧板使得当横向水流的VIV移动引起平台的移动时，侧板使得围绕该板的水分离，且侧板阻止平台在水流中的VIV移动。侧板的该方法和系统可被单独使用或者可与多个常规的径向延伸的箍条(strake)和径向板结合使用。
[0046]图1A是根据本公开的海上平台的示意正视图，其中海上平台具有至少一个切向侧板，其在横向上连接至平台的桁架且被配置成减少涡激振动(VIV)。图1B是图1A中所示的海上平台带有至少一个侧板的示意侧视图。图1C是海上平台的示意顶横剖视图，其具有连接至该海上平台的桁架的切向侧板。图1D是海上平台的示意顶横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的桁架，示出了平台的大体横切于水流的VIV移动。图1E是海上平台的示意侧局部横剖视图，该海上平台具有连接至海上平台的桁架的切向侧板，示出了在切向侧板上的水分离，用于阻挡和减轻VIV移动。将结合附图进行说明。
[0047]海上平台2可以是任何形状和尺寸，且以示意性的目的示出为立柱式海上平台。该海上平台大体具有能够浮动的台体和浸没在水表面50下用于稳定平台本体的结构。在该示例性实施方式中，海上平台2包括具有桁架6的台体4，该桁架6连接至台体的底部且深深地延伸进入水，其中平台具有沿着平台长度的纵轴线46，且当海上平台处于操作位置时大体竖直地对齐。该桁架为“开式”结构，因为水可流经其中，经过形成该结构的柱8和支架10。为了示意的目的，该开放空间大体被标记为12，其中以12A、12B表示具体区域等等。一个或多个水平的升沉板14被设置成横向地横过桁架且彼此竖直地间隔开，以通过开放空间12限定桁架隔间(truss bay) 16，该开放空间12横向地位于柱8之间且纵向地(大体竖直地)位于两个升沉板之间以限定隔间方形区域。该升沉板14滞留(entrap)在升沉板的表面上的水，并抑制由于波动作用以及其它竖直位移水流移动引起的海上平台2的竖直移动。龙骨18大体被设置在海上平台2的底部处。该龙骨18大体是封闭的区域，其有时能够进行浮力调节。由于保持在龙骨中的压舱材料，该龙骨18通过较低的重心而向平台提供稳定性。尽管升沉板14和龙骨18提供一定的稳定性，然而海上平台的横向移动仍然可引起对平台的操作和结构破坏。台体具有直径D且桁架具有宽度Wt，其中对角尺寸通常大体等于直径D。为了示意的目的，台体的长度示出为Lh，桁架的长度示出为LT，且总长度示出为h。
[0048]更具体地，在所示的实施方式中，桁架具有四个桁架隔间16A、16B、16C、16D，其通过三个升沉板14A、14B、14C而间隔。在台体4的底部与升沉板14A之间的开放空间12A允许水流流经隔间16A。在升沉板14A和升沉板14B之间的开放空间12B允许水流流经桁架隔间16B，在升沉板14B与升沉板14C之间的开放空间12C允许水流流经桁架隔间16C，且开放空间12D允许水流流经在升沉板14C与龙骨18之间的桁架隔间16D。在图1A中，示出了两个切向侧板22A、22B具有板的长度Lp以及板的宽度Wp。侧板22被大体切向地设置成围绕桁架外围，即，围绕桁架的一个或多个面48，例如面48A。在该实施方式中，切向侧板22被横向地定向，即，较长的长度Lp横过桁架隔间且宽度胃^皮纵向地对齐。侧板的形状是示意性的，且可使用其它形状，例如圆形、椭圆形、多边形以及其它几何和非几何形状和尺寸。
[0049]在大体横向于围绕台体4或者通过平台的桁架6的水流的VIV移动过程中，在平台前后移动时，切向侧板22引起经过板的边缘36范围上的水的分离。此外，对于具有升沉板14的实施方式，诸如侧板22A等的侧板可覆盖开放区域12的一部分，从而水分尚WS发生在围绕切向侧板处且流经在升沉板之间的桁架隔间的开放区域12，该桁架隔间如桁架隔间16B。在图1A中所示的实施方式中， 切向侧板22被设置在第二和第三桁架空间16B、16C中。然而，如对具体的应用优选的，侧板22可被设置在其它隔间中，且该示例是非限制性的。
[0050]在至少一个实施方式中，侧板22可覆盖在升沉板之间的桁架隔间的隔间方形区域的至少25%。此外或可替换地，该切向侧板被尺寸设置成宽度Wp为台体的直径D的至少5%，且长度Lp为台体的直径的至少15%。通过不同的度量，切向升沉板可被尺寸设置成将海上平台中的VIV减小在海上平台在没有切向侧板的情况下的VIV的至少50%，且更有利地至少90%。然而，尺寸可变化。例如，切向侧板的尺寸可基本更大，但大体小于完整的隔间方形区域，以允许分离的水流经侧板的边缘。作为多种尺寸的另一个示例，该板可被尺寸设置成使得VIV减小的量可为20%至100%以及其之间的任何分数或者任何增量，例如50、55、60、65等等百分比，和在这些值之间的任何进一步的增量，例如51 %，52%，53%，54%等，以及类似的任何其它百分比。在至少一个实施方式中，且仅用于示意而不是限制性的，台体的长度可以是200尺(61m)，桁架Lt的长度可以是300尺(91m)，且总的高度L ^可以是500尺(152m)。此外，对于直径D大致为100尺(30m)的台体，隔间Lb的长度(当被竖直地可操作地设置时的高度)可以是75尺(23m)，且桁架WT(以及隔间的宽度)的宽度可以是70尺(71m)。板Lp的长度可以为约65尺(20m)，且宽度W P可以为约30尺(9m)，然而其它宽度也是可行的，例如40尺(12m)和50尺(15m)。这些示例性的尺寸和比例使得板的长度为65% (65/100)，且板的宽度为30% (30/100)且板的方形区域为隔间方形区域的37% ((65X30)/(75X70))。
[0051]此外，如图1B中所示，额外的侧板22可被安装至海上平台2的其它面48，例如面48B。在至少一个实施方式中，板22被安装至海上平台的所有面。所有面，或者至少相反面的安装让板沿着多个板边缘且在水流的多个方向上分离水，以有助于减小VIV。
[0052]参考图1C-1E，具有厚度Tp的切向侧板被连接至桁架6，例如连接至支架10，其被设置在柱8之间。该切向侧板22，例如侧板22A、22E可分离具有水流C所示的方向的水。在更详细来说，例如当平台在图1E的方向M移动时，来自水流C的水在侧板的面32被分离，从而被分离的水围绕板22 (如以下在其它实施方式中所述的板24、26)的边缘36而流动。该水分离提供了阻挡力，其减小了在没有切向侧板的情况下将产生的VIV运动。
[0053]切向侧板22具有厚度TP，其大体显著地小于宽度Wp和长度L Ρ，如本领域技术人员应理解的。例如，但不是限制性的，Tp应大体理解为小于宽度Wp或者长度Lp的10%。此外，侧板22可被横向地设置，从而长度Lp横向于纵轴线46。侧板22可横向于柱8而延伸。可选地，侧板22可不延伸至柱，以让水在柱和侧板之间流经侧板22的横向边缘。在至少一个实施方式中，侧板可被设置成朝向桁架隔间16的纵向中间，从而在侧板22上方和下方具有开放区域以发生水分离和让水通过其中。
[0054]图2A是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中在纵向方向的至少一个切向侧板被连接至平台的桁架且被配置成减小VIV。图2B是图2A中所示的海上平台的示意侧视图，其中具有至少一个切向侧板。图2C是海上平台的示意顶部分横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的桁架。图2D是海上平台的示意顶横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的桁架，示出了在侧板上的水分离以阻挡移动并减小VIV移动。将图彼此结合地进行说明。
[0055]图2A-2D中示出的海上平台2的实施方式大体被配置成与图1A-1E中所示的实施方式相似，除了侧板被纵向地而不是横向地定向。在该配置中，侧板在图中以数字24指示，以区别在图1A-1D中的侧板22的方向，然而相似的说明和效果以相似的方式应用于图2A-2D中所示的实施方式。在该实施方式中，桁架隔间的长度Lb比板的长度Lp长几尺。例如，桁架隔间长度Lb可以是75尺(23m)而侧板的长度Lp可以是70尺(21m)。
[0056]在至少一个实施方式中，纵向地定向的切向侧板24A、24C、24E、24F可被设置成围绕桁架的所有面，如图2C中所示。当水流C来自图2C中所示的方向时，水可围绕侧板而被分离，例如侧板24A、24E (且当水流方向来自图2C的左或右时围绕侧板24C、24F)。应理解，当水流与图2C中所示的水流C的方向成45度或其它角度时，水流C的不同角度可以板的多种结合方式(例如板24A、24C和24E、24F)而分离水流。
[0057]图3是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中至少一个切向侧板22B在比图1A中所示的更低的高度在横向方向被连接至平台2的桁架6，且被配置成减小VIV。该配置与图1A-1E中所示的一个或多个横向侧板相似。然而，与图1A-1E中所示的侧板相比，在图3中的侧板22A、22B被向下纵向地移动至隔间16C、16D中。该实施方式仅仅是示例性的，以示出切向侧板可被设置在不同的隔间中，如可理解用于所要求的具体的配置性能。
[0058]图4是海上平台的另一个实施例的示意正视图，其中具有被配置成减小VIV的在横向上的至少一个切向侧板22和在纵向上的至少一个切向侧板24。如进一步示出的，切向侧板的方向不需要是一致的。例如，在桁架(或者如图5A、5B-5C、6中所示的台体)的一个或多个侧上的一个或多个侧板22、24可被横向地或纵向地设置，包括横向或纵向侧板的组合。另外地，侧板可被设置在不相邻的隔间中。例如，侧板可以在隔间16A中，且另一个侧板可在隔间16C或16D中。
[0059]图5A是海上平台的另一个实施方式的示意正视图，其中至少一个切向侧板被连接至平台台体的外围且被配置成减小VIV，如这里所公开的。图5B是海上平台的示意顶横剖视图，其中切向侧板被连接至海上平台的台体的外围，示出了在侧板上的水分离用于阻挡移动并减小VIV移动。图5C是图5B的一部分的放大示意图。将结合彼此对该图进行说明。在图5A，5B-5C中所示的海上平台2的实施方式中示出了连接至台体4的切向侧板26，但是该侧板26通过在侧板26与台体4的外围之间的间隔G而与台体分离，该间隔形成开放空间30。该切向侧板26可具有与关于桁架的面上的侧板22、24所说明的相似的设计和目的。可通过诸如梁、板或其它结构的连接件28将切向侧板26保持在台体4中的合适位置。间隔G可改变，且在至少一个实施方式中可以是台体4的直径D的至少5%。
[0060]侧板26与台体4的原理与上面关于侧板22、24和桁架6所述的概念相似。当平台大体横切于水流移动且具有VIV移动时，在台体与侧板之间形成的开放空间30允许水围绕侧板的边缘36而分离，以帮助阻碍该横向移动并减小VIV。在至少一个示例性实施方式中，图5A中所示的侧板26A、26B、26C可在周向上围绕台体4的外围对齐成一行。诸如26D、26E、26F等的其它侧板可在周向上被对齐成另一行。此外，可理解一个或多个侧板22、24还可被设置在桁架6上，例如图1A至ID和图2A至2C中所示，与设置在台体上的一个或多个侧板26结合，如图5A-6中所示。
[0061]图6是海上平台的另一个实施例的示意正视图，其中至少一个切向侧板被连接至平台的台体且被配置成减小VIV，根据这里的公开。侧板26与图5A、5B-5C中所示的侧板相似，但是在该实施方式中可围绕台体4的周围对齐成一个或多个螺旋形的行。
[0062]图7是海上平台的示意顶视图，其中示出了来自VIV的平台的横向和轴向移动的幅度。在图7中，对于通过在水平面中的正交X-Y轴线的原点的给定直径D，由于VIV移动，具有台体4的海上平台2可在M方向横向于水流C移动。平台2可随着VIV自台体4直径D的中心线沿着以路径40描画的大体横向路径移动幅度A。沿着轴线在任何方向上最远的程度已知为移动的幅度A。如图8和9中所示，直径D和移动幅度A被计入计算和图表中。
[0063]图8是平台在一个时间段上的横向移动的幅度的示意图。平台2的移动幅度示出了其相对于图7中所示的X-Y轴线以震荡方式往复从负Y轴线位置移动至正Y轴线位置。大体已知的VIV测量参数用来测量幅度的改变与台体直径的比例。
[0064]因此，例如，如图8中所示，在曲线上的点42处的最大幅度Amax可与在曲线上的点44处的最小幅度Amin相比。幅度差是最大幅度减去最小幅度，且该值可被台体4的直径D的两倍除。该公式大体如下:
[0065](Amax - Amin) /2D
[0066]且仅以“A/D”表示。
[0067]图9是用于不具有 切向侧板，具有在横向方向的切向侧板，以及具有纵向上的切向侧板在水流以不同方向冲击板的情形下的海上平台的VIV移动的三个示例测试的示意图。图9示出了不具有切向侧板的配置与具有横向侧板的配置和具有纵向侧板的第三配置的连续曲线画出的A/D比例。沿着A/D Y轴的较小值指向更低的VIV。X轴线表示可冲击平台的水流方向，且因此也会冲击与该方向相关的板。第二和第三配置以四种不同的流动方向作为用于比较的示例输入而测量，即60°、165°、225°和290°。在没有侧板的配置与有横向侧板的配置之间的最大差发生在约165°处。此外，在225°流动方向处，具有纵向侧板的配置与没有侧板的配置以及具有横向侧板的配置之间存在最大差。
[0068]可设计出使用本发明的上述一个或多个方面的其它和另外的实施方式而不偏离本发明的实质。例如，可使用开放式结构(例如，桁架)的多种侧面、形状和尺寸，以及可使用台体的多种形状和尺寸。板的长度和宽度和深度可改变，以及板的数量也可改变。在系统中可进行其它改变。
[0069]此外，这里所述的多种方法和实施方式可被包括为彼此结合以产生多种所公开的方法和实施方式的变化。关于单个构件的说明可包括多个构件，反之亦然。提及至少一个项目后再提及此项目指的是可包括一个或多个该项目。此外，本实施方式的多个方面可用于彼此结合以完成本公开所含有的目标。除非上下文另外地要求，词“包括”或者其变形，如“包含”或“含有”，应理解为表示表示包括至少所述的构件或步骤，或者构件或步骤的组，或者其等同，且不排除更大数量的或者任何其它构件或步骤，或者构件或步骤的组，或者其等同。该装置或系统可被用于多种方向或方位。术语“被连接”，“连接”，“连接器”等在此广泛地应用且可包括任何方法或装置，其用于紧固、绑定、结合、系牢、附接、接合、插入其中、形成在其上或其中、连通或者另外地相关联，例如机械地、磁性地、电地、化学地、可操作地、与中间构件直接地或间接地、一件或多件元件共同地且还可包括但不限于以单一的方式将一个功能元件与另一个整体地形成。该连接可发生在任何方向，包括旋转地。
[0070]该步骤的次序可以多种顺序进行，除非另外地具体限制。这里所述的多个步骤可与其它步骤组合，插入所述步骤，和/或分为多个步骤。类似地，部件已被功能性地说明且可被实施为不同的部件或者可被组合为具有多种功能的部件。
[0071]已在优选的和其它实施方式中对上下文进行了说明，且没有对本发明的所有实施方式进行说明。对本领域技术人员来说，在给出这里所述的公开的情况下，对所述实施方式的修改和改变是明显的。所公开的和未公开的实施方式不旨在限制或约束发明人所构思的发明的范围或应用，而是与专利法相符，申请人旨在保护全部的在所附权利要求的等同的范围或区域内的所有修改和改进。
【主权项】
1.一种用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括: 所述海上平台的台体； 所述海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面以下，该水具有水流；和 一个或多个侧板，其被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体、或该二者的外围，所述侧板形成用于在横向于所述水流的所述板的两侧上的水的开放空间，该切向侧板被配置成当海上平台横向于所述水流移动时使水围绕所述侧板分离，并使得和不具有所述切向侧板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少20%。2.如权利要求1所述的系统，其中所述侧板的尺寸被设置成以及配置成，和不具有所述切向侧板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少90 %。3.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板的尺寸被设置成，其宽度为所述台体的直径的至少5%，其长度为所述台体的直径的至少15%。4.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板被设置在所述台体的外侧，与所述台体的距离为所述台体的直径的至少5%。5.如权利要求1所述的系统，其中所述桁架形成多个侧面，且至少一个切向侧板被连接至所述桁架的各侧面。6.如权利要求1所述的系统，还包括至少两个升沉板，其横跨所述桁架的面设置且彼此在纵向上分离以限定桁架隔间，该桁架隔间在跨过桁架的所述面的所述升沉板之间具有隔间方形区域，且其中至少一个切向侧板被安装在桁架的所述面的一部分上，从而所述水的分离至少有一部分发生在所述至少一个切向侧板上通过所述桁架隔间。7.如权利要求6所述的系统，其中所述至少一个切向侧板限定一方形区域，该方形区域是所述隔间方形区域的至少25%。8.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板在所述桁架上被横向地、纵向地、或者横向和纵向组合地定向。9.如权利要求1所述的系统，还包括三个升沉板，其横跨设置在所述桁架上且彼此在纵向上分离，以限定两个桁架隔间，在各桁架隔间中，在所述升沉板之间具有在所述桁架范围上的隔间方形区域，且其中一个或多个所述切向侧板的尺寸被设置成在所述桁架的至少一个面上覆盖各桁架隔间中的隔间方形区域的至少25%。10.如权利要求9所述的系统，其中所述切向侧板在所述桁架的所述至少一个面上被横向地、纵向地、或者横向和纵向组合地定向。11.如权利要求1所述的系统，其中所述切向侧板中的至少一个被切向连接至台体且被设置成离开所述台体以形成一间隔，用于在所述切向侧板和所述台体之间使水分离。12.如权利要求11所述的系统，其中多个所述切向侧板切向地连接所述台体但与之离开，且在周向上对齐。13.如权利要求11所述的系统，其中多个所述切向侧板切向地连接所述台体但与之离开，且排列成螺旋状。14.一种用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的系统，包括: 所述海上平台的台体，其具有一直径； 所述海上平台的桁架，其被配置成至少部分地浸没在水的表面以下，该水具有水流；和 一个或多个切向侧板，其被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体或该二者的外围，所述侧板形成用于在横向于所述水流的所述板的两侧上的水的开放空间，该切向侧板被配置成当所述海上平台横向于所述水流移动时使水围绕所述板分离，所述侧板的尺寸被设置成，其宽度为所述直径的至少5%，其长度为所述直径的至少15%。15.如权利要求14所述的系统，其中所述切向侧板被配置成，和不具有所述侧板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少20%。16.一种用于减小海上平台中的涡激振动(VIV)的方法，该海上平台具有台体；所述海上平台的桁架被配置成至少部分地浸没在水的表面以下，该水具有水流；且一个或多个切向侧板被切向地连接成围绕所述桁架、所述台体或者该二者的外围，所述切向侧板形成用于在横向于所述水流的所述板的两侧上的水的开放空间，所述方法包括: 当所述海上平台相对于所述水流横向移动时，使水流在所述侧板的一个或多个边缘上分离； 利用水的分离对所述桁架、所述台体或者该二者的横向运动产生阻碍；以及 和不具有所述板的海上平台中的VIV相比，将海上平台中的VIV减小至少20%。17.如权利要求16所述的方法，还包括利用所述切向侧板减少所述海上平台的横向移动。18.如权利要求16所述的方法，其中所述海上平台包括至少两个升沉板，其横跨所述桁架设置且彼此在纵向上分离以限定桁架隔间，该桁架隔间在跨过桁架面的所述升沉板之间具有隔间方形区域，且其中至少一个切向侧板被安装在所述桁架面的一部分上，且还包括: 当所述海上平台相对于所述水流横向移动时，使穿过所述桁架隔间的水流在所述切向侧板的一个或多个边缘上分离。19.如权利要求18所述的方法，还包括将通过所述桁架隔间的水流的至少25%分离。20.如权利要求16所述的方法，其中至少一个切向侧板被周向地连接至所述台体且被设置成从所述台体离开以在所述侧板和所述台体之间形成间隔，且还包括: 当所述海上平台相对于所述水流横向移动时，在所述台体和所述侧板之间使水流在所述切向侧板的一个或多个边缘上分离。
【专利摘要】一种减小涡激振动(VIV)的系统和方法，其中具有多个切向设置的侧板(22)，其在横向于水流的两个面上都具有开放空间。该侧板利用冲击平台的水流引发的平台横向VIV移动使水围绕板分离，且切向侧板阻挡由水流引起的平台VIV移动。该侧板可被切向地设置成围绕立柱式平台台体(4)下方的开式桁架(6)结构的外围。在另一个实施方式中，该切向侧板可被切向地设置成离开台体的外围，以通过在板与台体之间的开放空间形成间隔。
【IPC分类】B63B35/44
【公开号】CN104903189
【申请号】CN201380058314
【发明人】K.F.兰布拉科斯, B.库
【申请人】泰克尼普法国公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年9月13日
【公告号】CA2884896A1, EP2895385A2, US20150218769, WO2014043496A2, WO2014043496A3
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