本發(fā)明屬于海洋立管設施鋪設技術領域，具體涉及一種立管柱群振動防碰與發(fā)電裝置及方法。

背景技術：

隨著人類對能源需求量的不斷增長，深水油氣資源及可燃冰的大力開發(fā)成為人類的必然選擇。海洋立管對海洋油氣及可燃冰的采輸起著至關重要的作用，它將海床上的水下井口或海底管道連通，負責將采出流體舉升輸送至水面上的海洋平臺或浮式生產裝置，可謂水下與水上溝通的橋梁。海洋立管在波浪與海流作用下會發(fā)生渦激振動，易產生疲勞損傷，而深海環(huán)境條件的復雜性和海洋立管輸送介質的特殊性使其受力更加復雜，對其服役穩(wěn)定性的要求更高。

由多根海洋立管組成的柱群結構是連接水下井口、海底管道與海面各類平臺、浮式設施的一種典型的排列方式。在內外流的共同作用下，柱群內部各根立管之間相互干擾，使得海洋立管的渦激振動特性變得更為復雜，加之來流方向的不穩(wěn)定性，柱群之間的振動響應表現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性，或振動增強，或振動衰弱，相互之間也極有可能發(fā)生碰撞，導致海洋立管的破壞與失效，影響海洋資源的正常開采，造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的環(huán)境污染。如何有效地防止柱群之間的相互碰撞顯得尤為迫切。

另一方面，開發(fā)海洋資源的同時能否有效利用海洋新能源，實現(xiàn)一箭雙雕的效果呢？近年來，海上風能、波浪能、潮汐能的利用都被廣泛關注，各類葉輪機械是常用的能量收集裝置，但在立管柱群上安裝葉輪機械顯得十分困難。而壓電材料在受到外力發(fā)生變形時，內部會產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷形成電位差，實現(xiàn)發(fā)電，且電荷密度與外部作用力成正比。正壓電效應作為一種新式的發(fā)電方式展現(xiàn)出巨大的前景。若利用壓電材料將柱群的振動能量轉化為電能進行收集利用，可以供應水下生產系統(tǒng)以及平臺的用電，則可有效節(jié)約能源。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是針對現(xiàn)有海洋立管柱群之間存在的碰撞現(xiàn)象，提供一種有效防止柱群碰撞、充分利用振動能量、性能可靠的立管柱群振動防碰與發(fā)電裝置及方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種立管柱群振動防碰與發(fā)電裝置，由防碰模塊和發(fā)電模塊組成。一個防碰模塊由嵌套伸縮管、彈簧、固定法蘭盤及緊固套構成。嵌套伸縮管由套裝的兩根直徑大小不同的管件組成，其中小直徑管件嵌套入大直徑管件，且大直徑管件長度大于小直徑管件，大、小直徑管件之間可以相對滑動；覆蓋小直徑管件的大直徑管件一端端口內徑突然變小，對應的小直徑管件端口外徑突然變大，對嵌套伸縮管的伸長起到限位作用；大、小直徑管件的另一端均設有可拆卸的圓盤狀固定法蘭盤。彈簧套在嵌套伸縮管外，彈簧長度大于嵌套伸縮管的大直徑管件長度，彈簧與固定法蘭盤一起對嵌套伸縮管的縮短起到限位作用。緊固套由對稱的兩個半圓環(huán)形構件通過螺栓對接組成，套裝在立管外壁，每半個緊固套中間外壁均布設有圓盤狀的固定法蘭盤。緊固套上的一個固定法蘭盤與嵌套伸縮管一端的固定法蘭盤通過螺栓連接固定。

發(fā)電模塊由中心分向盤和壓電片集成板兩部分組成。壓電片集成板為壓電材料制成的片狀矩形薄板，其一端開設有與固定法蘭盤銜接所需的螺栓孔，與一個防碰模塊的嵌套伸縮管另一端的固定法蘭盤通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板與嵌套伸縮管垂直。壓電片集成板另一端由上至下開有與其邊壁平行的四個螺栓孔，且壓電片集成板在該端端壁上開有兩個供導線輸出供電的導線孔，內設導線將壓電片集成板的電荷輸出，螺栓孔與導線孔垂直交錯開設，兩者不連通。中心分向盤整體為圓柱體結構，其外壁沿周向等間距開設八個凹槽，凹槽兩側壁各開有與壓電片集成板邊壁四個螺栓孔對應的四個螺栓孔，凹槽內壁開有與壓電片集成板端部導線孔對應的兩個開孔。壓電片集成板邊壁有四個螺栓孔的一端插入中心分離盤的一個凹槽，使螺栓孔相互匹配，通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板端部導線孔與凹槽內壁的開孔匹配對接，導線穿過開孔進入中心分向盤內部。中心分向盤內部包含上、下兩個整流器以及位于兩個整流器之間的電能收集器，上、下兩個整流器分別與壓電片集成板端部上、下兩根導線相連。整流器和電能收集器與中心分向盤的間隙填充有絕緣介質，壓電片集成板產生的電能通過整流器整流進入電能收集器進行儲存。

一個中心分向盤與其相連的壓電片集成板構成一個發(fā)電模塊。一個發(fā)電模塊與其包含的所有壓電片集成板相連的防碰模塊構成了一個基本單元。

所述的一個中心分向盤可以沿周向等間距連接4塊或8塊壓電片集成板，未連接壓電片集成板的中心分向盤凹槽內壁的開孔由密封膠封堵，每塊壓電片集成板又與安裝在單根立管上的1個防碰模塊相連，且壓電片集成板和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤呈旋轉鏡像的形式布置。

所述的安裝在立管外壁的緊固套兩側可以各與一個基本單元的一個防碰模塊相連，使得多個基本單元呈陣列布置，滿足實際立管柱群的銜接要求，形成規(guī)模化的發(fā)電場。

利用所述的立管柱群振動防碰與發(fā)電裝置可以實現(xiàn)一種立管柱群振動防碰與發(fā)電方法。海水流經(jīng)立管時會發(fā)生邊界層分離，在立管尾部產生周期性脫落的旋渦，從而激發(fā)立管的振動，立管發(fā)生振動位移后會帶動與其連接的防碰模塊運動，使嵌套伸縮管發(fā)生周期性的伸縮；嵌套伸縮管伸縮時帶動與其連接的壓電片集成板運動，使壓電片集成板發(fā)生往復的彎曲變形，產生不穩(wěn)定的電流，不穩(wěn)定電流經(jīng)導線引至中心分向盤內部的整流器整流，并由電能收集器進行收集，實現(xiàn)發(fā)電。嵌套伸縮管伸長時，因大、小直徑管件的端口卡位限制了立管的位移，且由于壓電片集成板和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤呈旋轉鏡像的形式布置，因此立管之間不會發(fā)生碰撞；嵌套伸縮管縮小時，由于彈簧的存在，限制了立管的位移，防止了立管間的相互碰撞。因此，本裝置在發(fā)電的同時限制了立管的振動位移，實現(xiàn)了立管柱群間的防碰功能。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明裝置一個中心分向盤相連的壓電片集成板長度可以互不相同，根據(jù)實際立管間的間距設置；

2、本發(fā)明裝置可以根據(jù)實際立管的個數(shù)及布置形式，采用多個基本單元陣列的形式滿足布置要求；

3、本發(fā)明裝置的壓電片集成板等間距布置在中心分向盤四周，且壓電片集成板與嵌套伸縮管垂直，形成的基本單元可以應對不同方向的來流，使裝置適應于海流方向不穩(wěn)定變化的真實環(huán)境。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置基本單元的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置俯視圖；

圖3為本發(fā)明裝置中心分向盤剖視圖；

圖4為本發(fā)明裝置防碰模塊結構剖視圖；

圖5為本發(fā)明裝置防碰模塊和發(fā)電模塊的裝配示意圖；

圖6為本發(fā)明裝置中心分離盤連接8塊非等長壓電片集成板的示意圖；

圖7為本發(fā)明裝置陣列布置示意圖；

圖8為本發(fā)明裝置工作示意圖；

其中：1、中心分向盤；2、壓電片集成板；3、彈簧；4、緊固套；5、立管；6、嵌套伸縮管；7、電能收集器、8、整流器；9、固定法蘭盤。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步描述。

如圖1、圖2所示，一種立管柱群振動防碰與發(fā)電裝置，由防碰模塊和發(fā)電模塊組成。一個防碰模塊由嵌套伸縮管6、彈簧3、固定法蘭盤9及緊固套4構成。如圖4所示，嵌套伸縮管6由套裝的兩根直徑大小不同的管件組成，其中小直徑管件嵌套入大直徑管件，且大直徑管件長度大于小直徑管件，大、小直徑管件之間可以相對滑動；覆蓋小直徑管件的大直徑管件一端端口內徑突然變小，對應的小直徑管件端口外徑突然變大，對嵌套伸縮管6的伸長起到限位作用；大、小直徑管件的另一端均設有可拆卸的圓盤狀固定法蘭盤9。彈簧3套在嵌套伸縮管6外，彈簧3長度大于嵌套伸縮管6的大直徑管件長度，彈簧3與固定法蘭盤9一起對嵌套伸縮管6的縮短起到限位作用。緊固套4由對稱的兩個半圓環(huán)形構件通過螺栓對接組成，套裝在立管5外壁，每半個緊固套4中間外壁均布設有圓盤狀的固定法蘭盤9。緊固套4上的一個固定法蘭盤9與嵌套伸縮管6一端的固定法蘭盤9通過螺栓連接固定，如圖5所示。

發(fā)電模塊由中心分向盤1和壓電片集成板2兩部分組成。壓電片集成板2為壓電材料制成的片狀矩形薄板，其一端開設有與固定法蘭盤9銜接所需的螺栓孔，與一個防碰模塊的嵌套伸縮管6另一端的固定法蘭盤9通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板2與嵌套伸縮管6垂直，如圖5所示。壓電片集成板2另一端由上至下開有與其邊壁平行的四個螺栓孔，且壓電片集成板2在該端端壁上開有兩個供導線輸出供電的導線孔，內設導線將壓電片集成板2的電荷輸出，螺栓孔與導線孔垂直交錯開設，兩者不連通。如圖3所示，中心分向盤1整體為圓柱體結構，其外壁沿周向等間距開設八個凹槽，凹槽兩側壁各開有與壓電片集成板2邊壁四個螺栓孔對應的四個螺栓孔，凹槽內壁開有與壓電片集成板2端部導線孔對應的兩個開孔。壓電片集成板2邊壁有四個螺栓孔的一端插入中心分離盤1的一個凹槽，使螺栓孔相互匹配，通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板2端部導線孔與凹槽內壁的開孔匹配對接，導線穿過開孔進入中心分向盤1內部。如圖3所示，中心分向盤1內部包含上、下兩個整流器8以及位于兩個整流器8之間的電能收集器7，上、下兩個整流器8分別與壓電片集成板2端部上、下兩根導線相連。整流器8和電能收集器7與中心分向盤1的間隙填充有絕緣介質，壓電片集成板2產生的電能通過整流器8整流進入電能收集器7進行儲存。

一個中心分向盤1與其相連的壓電片集成板2構成一個發(fā)電模塊。一個發(fā)電模塊與其包含的所有壓電片集成板2相連的防碰模塊構成了一個基本單元。

如圖2、圖6所示，所述的一個中心分向盤1可以沿周向等間距連接4塊或8塊壓電片集成板2，未連接壓電片集成板2的中心分向盤1凹槽內壁的開孔由密封膠封堵，每塊壓電片集成板2又與安裝在單根立管5上的1個防碰模塊相連，且壓電片集成板2和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤1呈旋轉鏡像的形式布置。

如圖7所示，所述的安裝在立管5外壁的緊固套4兩側可以各與一個基本單元的一個防碰模塊相連，使得多個基本單元呈陣列布置，滿足實際立管5柱群的銜接要求，形成規(guī)?；陌l(fā)電場。

利用所述的立管柱群振動防碰與發(fā)電裝置可以實現(xiàn)一種立管柱群振動防碰與發(fā)電方法。如圖8所示，海水流經(jīng)立管5時會發(fā)生邊界層分離，在立管5尾部產生周期性脫落的旋渦，從而激發(fā)立管5的振動，立管5發(fā)生振動位移后會帶動與其連接的防碰模塊運動，使嵌套伸縮管6發(fā)生周期性的伸縮；嵌套伸縮管6伸縮時帶動與其連接的壓電片集成板2運動，使壓電片集成板2發(fā)生往復的彎曲變形，產生不穩(wěn)定的電流，不穩(wěn)定電流經(jīng)導線引至中心分向盤1內部的整流器8整流，并由電能收集器7進行收集，實現(xiàn)發(fā)電。嵌套伸縮管6伸長時，因大、小直徑管件的端口卡位限制了立管5的位移，且由于壓電片集成板2和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤1呈旋轉鏡像的形式布置，因此立管5之間不會發(fā)生碰撞；嵌套伸縮管6縮小時，由于彈簧3的存在，限制了立管5的位移，防止了立管5間的相互碰撞。因此，本裝置在發(fā)電的同時限制了立管5的振動位移，實現(xiàn)了立管5柱群間的防碰功能。

實施例：

實際安裝時，根據(jù)立管5柱群的立管5個數(shù)、相對位置選擇按陣列安裝或按一個基本單元安裝，以及確定一個中心分向盤1連接的壓電片集成板2個數(shù)。

單個基本單元安裝時，首先將緊固套4套裝于立管5外壁，然后將緊固套4一端的固定法蘭盤9與嵌套伸縮管6一端的固定法蘭盤9通過螺栓連接固定，將彈簧3套裝于嵌套伸縮管6外，并將嵌套伸縮管6另一端的固定法蘭盤9銜接固定。接著，將壓電片集成板2開設有與固定法蘭盤9銜接所需的螺栓孔的一端與嵌套伸縮管6自由端的固定法蘭盤9通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板2與嵌套伸縮管6垂直。將壓電片集成板2另一端插入中心分向盤1的凹槽，使壓電片集成板2邊壁的四個螺栓孔與凹槽側壁的螺栓孔相互匹配，通過螺栓連接固定，并使壓電片集成板2端部導線孔與凹槽內壁的開孔匹配對接，導線穿過開孔進入中心分向盤1內部。所安裝的壓電片集成板2和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤1呈旋轉鏡像的形式布置。未連接壓電片集成板2的中心分向盤1凹槽內壁的開孔由密封膠封堵。

陣列安裝時，則通過立管5外壁的緊固套4兩側各與一個基本單元的一個防碰模塊相連，使得多個基本單元呈陣列布置。

裝置安裝完畢后，放置于實際海流環(huán)境中。海水流經(jīng)立管5時會發(fā)生邊界層分離，在立管5尾部產生周期性脫落的旋渦，從而激發(fā)立管5的振動，立管5發(fā)生振動位移后會帶動與其連接的防碰模塊運動，使嵌套伸縮管6發(fā)生周期性的伸縮；嵌套伸縮管6伸縮時帶動與其連接的壓電片集成板2運動，使壓電片集成板2發(fā)生往復的彎曲變形，產生不穩(wěn)定的電流，不穩(wěn)定電流經(jīng)導線引至中心分向盤1內部的整流器8整流，并由電能收集器7進行收集，實現(xiàn)發(fā)電。嵌套伸縮管6伸長時，因大、小直徑管件的端口卡位限制了立管5的位移，且由于壓電片集成板2和防碰模塊組成的結構圍繞中心分向盤1呈旋轉鏡像的形式布置，因此立管5之間不會發(fā)生碰撞；嵌套伸縮管6縮小時，由于彈簧3的存在，限制了立管5的位移，防止了立管5間的相互碰撞。因此，本裝置在發(fā)電的同時限制了立管5的振動位移，實現(xiàn)了立管5柱群間的防碰功能。