專利名稱：一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究試驗(yàn)方法，具體涉及一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
深水頂張式立管是深水海洋立管的一種主要類型，立管的下端與海底井口連接， 管壁張力直接作用在井口上，而管內(nèi)的流體源源不斷地從海底穿過立管流向浮式平臺(tái)。深水頂張式立管的彎曲剛度包括彈性抗彎剛度和張力引起的幾何剛度，其中幾何剛度是基于梁的復(fù)雜彎曲理論計(jì)算的。而梁的復(fù)雜彎曲理論是建立在對(duì)實(shí)心梁力學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上的，其張力完全由梁的橫截面纖維承擔(dān)。但是，立管是空心的，內(nèi)部充滿液體，液體不能承擔(dān)任何張力，且形狀隨容器形狀改變。因此，液體的作用與實(shí)心梁的固體纖維作用是完全不同的。液體不僅不能承受立管的軸向張力，且也不能對(duì)管壁形成任何固體纖維的約束和擠壓作用。因此，立管的幾何剛度應(yīng)采用管壁張力計(jì)算。但是，目前的深水頂張式立管幾何剛度是采用立管橫截面的有效張力計(jì)算，具體計(jì)算公式如下[KG] = Te ^[N'f [N']dx(1)式中[KG]為幾何剛度矩陣；Te為有效張力；[N]為立管的單元插值函數(shù)；1為立管的單元長(zhǎng)度。而有效張力是基于浮力原理和平衡條件推導(dǎo)的理論公式計(jì)算得到的，如下式Te = Tw-PiA^P0A0(2)式中TW為立管管壁張力；Pi，ρ。分別為立管的內(nèi)、外壓力，其中Pi不包括靜水頭壓力；Ai，Atl分別為立管的內(nèi)、外壁橫截面積。上述計(jì)算方法的不合理之處是將液體作為固體來看待，從而導(dǎo)致現(xiàn)有立管幾何剛度計(jì)算的不盡合理。立管的幾何剛度應(yīng)該采用管壁張力還是有效張力計(jì)算已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，而解決該問題的唯一方法是試驗(yàn)研究。目前，尚沒有人完成立管的幾何剛度試驗(yàn)研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種深水頂張式立管幾何剛度試驗(yàn)方法，從而解決深水頂張式立管幾何剛度的合理計(jì)算問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)方法，該方法將模型管線與供水管線系統(tǒng)連通，將模型管線的上端或下端通過彈簧拉力計(jì)連接到試驗(yàn)用的反力架上，在模型管線外部設(shè)置外壓水筒，在模型管線上貼設(shè)用于測(cè)量模型管線的壁張力和振動(dòng)響應(yīng)的應(yīng)變片，并設(shè)置用于測(cè)量管線內(nèi)壓的壓力表，然后進(jìn)行如下試驗(yàn)(1)向模型管線內(nèi)充水，并保持模型管線的水不流動(dòng)，應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)榱悖?2)張緊彈簧拉力計(jì)，使模型管線被張緊，通過應(yīng)變片測(cè)出模型管線的應(yīng)變，應(yīng)變應(yīng)介于500 1500，此時(shí)模型管線截面的有效張力等于管壁張力；(3)記錄彈簧拉力計(jì)和應(yīng)變片的讀數(shù)，然后擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(4)對(duì)步驟(3)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力等于管壁張力時(shí)的模型管線固有頻率f1;(5)釋放彈簧拉力計(jì)，使模型管線的應(yīng)變減小至零；增加模型管線內(nèi)的水壓力，使水壓力增大至應(yīng)變片的讀數(shù)與步驟(2)中施加張力產(chǎn)生的應(yīng)變相等，即管壁張力與步驟 (2)的管壁張力相等；(6)擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(7)對(duì)步驟(6)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力等于零的模型管線固 有頻率f2 ；(8)比較和f2，如果= f2，則深水頂張式立管的幾何剛度計(jì)算應(yīng)采用管壁張力，否則，應(yīng)采用有效張力計(jì)算幾何剛度。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)方法，還包括如下步驟(9)對(duì)外壓水筒進(jìn)行充水，外壓水筒的充水深度應(yīng)使得應(yīng)變片27高度的外壓滿足下式pQAQ#Tw，其中，Tw為立管管壁張力，此處等于步驟(2)的管壁張力，P。為立管的外壓力，Atl為立管的外壁橫截面積；此時(shí)的有效張力Te = P0A0 ；(10)擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(11)對(duì)步驟(10)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力Te = P0A0時(shí)的模型管線固有頻率f3;(12)卸除模型管線的內(nèi)壓，使得應(yīng)變片的讀數(shù)降至零；(13)張緊彈簧拉力計(jì)，使模型管線被張緊，張緊的標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)變片的讀數(shù)與步驟 (5)或步驟(2)相等；(14)擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(15)對(duì)步驟(14)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力Te = Tw+p0A0時(shí)的模型管線固有頻率f4;(16)比較f3和f4，如果f3 = f4，則深水頂張式立管的幾何剛度計(jì)算應(yīng)采用管壁張力，否則，應(yīng)采用有效張力計(jì)算幾何剛度。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明能夠通過張緊彈簧拉力計(jì)，使卡盤的支架沿滑道下移，模型管線被張緊，從而模擬施加張力；通過閥門和水泵的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)模型管線內(nèi)壓力的控制；通過擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的測(cè)量和驗(yàn)證。本發(fā)明可以完成深水頂張式立管幾何剛度的試驗(yàn)研究，為立管幾何剛度計(jì)算提供依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。


圖1為本發(fā)明的方法流程圖；圖2為本發(fā)明所采用的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明所采用的深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)裝置包括設(shè)置在固定架13上的模型管線1，模型管線1外設(shè)有水筒2，模型管線1上、下端與供水管線系統(tǒng)連通。供水管線系統(tǒng)包括與模型管線1的上端連通的入口管線14以及與模型管線1的下端連通的出口管線15，入口管線14與出口管線15之間設(shè)有旁路管線16。模型管線1的上端通過入口管線14與水泵18的出口連接，在所述的入口管線14上設(shè)有壓力表29，出口管線 15的末端與水箱31連接，水箱31通過水箱出口管17與水泵18的入口連接，所述的水泵 18通過聯(lián)軸節(jié)19與電機(jī)20連接。入口管線14的兩端裝有閥門22和閥門26，以便控制模型管線1的壓力；出口管線15的兩端裝有閥門24、25 ；旁路管線16與入口管線14之間還設(shè)有閥門23。在固定架13下部設(shè)有反力架11，反力架11上設(shè)有反力架加強(qiáng)肋12，反力架11和反力架加強(qiáng)肋12焊接連接并焊接固定在固定架13上，反力架11通過彈簧與設(shè)置在模型管線1下部的卡盤3連接，所述的彈簧上設(shè)有彈簧拉力計(jì)28。在模型管線1上貼有用于測(cè)量模型管線的壁張力和振動(dòng)響應(yīng)的應(yīng)變片27。在模型管線1的上、下部均設(shè)有卡盤7、3，下部的卡盤3通過支架4連接滑槽6，滑槽6設(shè)置在固定架13的滑道10上；上部的卡盤7直接通過支架8與固定架13連接。支架 4上焊接有支架加強(qiáng)筋5，支架8上焊接有支架加強(qiáng)筋9。反力架也可以設(shè)置在固定架的上部，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，當(dāng)反力架設(shè)置在固定架上部時(shí)，上部的卡盤7的支架應(yīng)裝滑槽，滑道也應(yīng)設(shè)置在上部，而卡盤3則不再需要滑槽，而應(yīng)固定，即卡盤3和卡盤7的設(shè)置方式互換。所述的水筒2通過卡箍30固定在固定架13上，水筒2內(nèi)充滿水；模型管線1與水筒2的筒底之間用玻璃膠密封。本發(fā)明采用上述裝置進(jìn)行深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)的方法如下(Si)水箱31充水將水箱31充水至入口管線15之下，水筒2不充水。(S2)向模型管線1充水開啟閥門21、22、26、25和24，關(guān)閉閥門23，啟動(dòng)水泵18。(S3)保持模型管線1的水不流動(dòng)當(dāng)水箱31的入口管線15正常出水后，關(guān)閉閥門25和26，關(guān)閉水泵18，保持模型管線1內(nèi)的水壓為靜水頭壓力，此時(shí)，應(yīng)變片27的應(yīng)變?yōu)榱?，即模型管線1的內(nèi)壓沒有引起
管壁張力。(S4)對(duì)模型管線1施加張力張緊彈簧拉力計(jì)28，使卡盤3的支架4沿滑道10下移，模型管線1被張緊。從應(yīng)變片27可讀出模型管線1的應(yīng)變，應(yīng)變應(yīng)介于500 1500。由于模型管線1內(nèi)的靜水壓頭壓力沒有產(chǎn)生軸向應(yīng)變，因此，應(yīng)變片27的讀數(shù)全部是張力引起的，則此時(shí)截面的有效張力等于管壁張力Te = Tw(S5)自由振動(dòng)測(cè)試 記錄彈簧拉力計(jì)28和應(yīng)變片27的讀數(shù)，然后擾動(dòng)模型管線1 (用橡皮錘敲擊)，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片27隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)(應(yīng)變時(shí)程)。(S6)固有頻率計(jì)算對(duì)應(yīng)變時(shí)程作譜分析，如快速傅里葉變換，求出有效張力等于管壁張力時(shí)的模型管線1的固有頻率f\。(S7)卸除模型管線1的張力釋放彈簧拉力計(jì)28，使模型管線1的應(yīng)變減小至零。(S8)增加模型管線1內(nèi)的水壓力關(guān)閉閥門22和24，開啟閥門23和25，松開卡盤3，開啟水泵18，使模型管線1內(nèi)的水壓力增大至應(yīng)變片27的讀數(shù)與步驟(S4)中施加張力產(chǎn)生的應(yīng)變相等，即管壁張力與步驟4的管壁張力相等，關(guān)閉閥門23、25和水泵18，擰緊卡盤3。此時(shí)的管壁張力為Tw = PiAiPi為立管的內(nèi)壓力，Ai為立管的內(nèi)壁橫截面積；因此，有效張力為Te = Tw-PiAi = 0。(S9)自由振動(dòng)測(cè)試擾動(dòng)模型管線1，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片27隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)(應(yīng)變時(shí)程)。(SlO)重復(fù)步驟(S6)，求出有效張力等于零的模型管線1固有頻率f2。(Sll)比較和f2，可得出沒有外壓條件下不同有效張力的固有頻率。如果= f2，則幾何剛度計(jì)算應(yīng)采用管壁張力，否則，應(yīng)采用有效張力計(jì)算幾何剛度。(S 12)水筒2充水水筒2的充水深度應(yīng)使得應(yīng)變片27高度的外壓滿足下式ρ0Α0 Φ Twρ0為立管的外壓力，Atl為立管的外壁橫截面積，Tff為立管管壁張力，此處等于步驟 (2)的管壁張力；此處的立管管壁張力仍然等于內(nèi)壓引起的管壁張力，因?yàn)閮?nèi)壓并未卸除。滿足 P0A0興Tw的目的是避免這一步驟的有效張力等于管壁張力，即=Te = P0A0 Φ Tw。立管的外壓力Ptl可根據(jù)水深和水的密度計(jì)算得到，此計(jì)算是公知技術(shù)；此時(shí)的有效張力Te = P0A0(S13)自由振動(dòng)測(cè)試擾動(dòng)模型管線1，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片27隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)(應(yīng)變時(shí)程)。
(S14)重復(fù)步驟(S6)，求出有效張力Te = P0A0時(shí)的模型管線1固有頻率f3。(S15)卸除模型管線1的內(nèi)壓 松開卡盤3，開啟閥門22、24、25和26，關(guān)閉閥門23，開啟水泵18，卸除模型管線1 的內(nèi)壓，使得應(yīng)變片27的讀數(shù)降至零，擰緊卡盤3。(S16)對(duì)模型管線1施加張力張緊彈簧拉力計(jì)28，使卡盤3的支架4沿滑道10下移，模型管線1被張緊。張緊的標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)變片27的讀數(shù)與步驟(S8)或步驟(S4)相等。由于模型管線1內(nèi)的靜水壓頭壓力沒有產(chǎn)生軸向應(yīng)變，因此，應(yīng)變片27的讀數(shù)全部是張力引起的，則此時(shí)的截面有效張力為Te = Tw+p0A0a)重復(fù)步驟(S13)。b)重復(fù)步驟(S6)，求出有效張力Te = Tw+p0A0時(shí)的模型管線1固有頻率f4。c)比較f3*f4，可得出有外壓條件下不同有效張力的固有頻率。如果f3 = f4，則幾何剛度計(jì)算應(yīng)采用管壁張力，否則，應(yīng)采用有效張力計(jì)算幾何剛度。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)方法，其特征在于該方法將模型管線與供水管線系統(tǒng)連通，將模型管線的上端或下端通過彈簧拉力計(jì)連接到試驗(yàn)用的反力架上，在模型管線外部設(shè)置外壓水筒，在模型管線上貼有用于測(cè)量模型管線的壁張力和振動(dòng)響應(yīng)的應(yīng)變片，并設(shè)置用于測(cè)量管線內(nèi)壓的壓力表，然后進(jìn)行如下試驗(yàn)(1)向模型管線內(nèi)充水，并保持模型管線的水不流動(dòng)，應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)榱悖?2)張緊彈簧拉力計(jì)，使模型管線被張緊，通過應(yīng)變片測(cè)出模型管線的應(yīng)變，應(yīng)變應(yīng)介于500 1500，此時(shí)模型管線截面的有效張力等于管壁張力；(3)記錄彈簧拉力計(jì)和應(yīng)變片的讀數(shù)，然后擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(4)對(duì)步驟(3)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力等于管壁張力時(shí)的模型管線固有頻率f1;(5)釋放彈簧拉力計(jì)，使模型管線的應(yīng)變減小至零；增加模型管線內(nèi)的水壓力，使水壓力增大至應(yīng)變片的讀數(shù)與步驟(2)中施加張力產(chǎn)生的應(yīng)變相等，即管壁張力與步驟(2)的管壁張力相等；(6)擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(7)對(duì)步驟(6)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力等于零的模型管線固有頻率f 2 ；(8)比較和f2，如果=f2，則深水頂張式立管的幾何剛度計(jì)算應(yīng)采用管壁張力，否貝U，應(yīng)采用有效張力計(jì)算幾何剛度。
2.如權(quán)利要求1所述的深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)方法，其特征在于還包括如下步驟(9)對(duì)外壓水筒進(jìn)行充水，外壓水筒的充水深度應(yīng)使得應(yīng)變片27高度的外壓滿足下式pQAQ#Tw，其中，Tw為立管管壁張力，此處等于步驟⑵的管壁張力，P。為立管的外壓力， A0為立管的外壁橫截面積；此時(shí)的有效張力Te = P0A0 ；(10)擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(11)對(duì)步驟(10)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力Te= P0A0時(shí)的模型管線固有頻率f3 ；(12)卸除模型管線的內(nèi)壓，使得應(yīng)變片的讀數(shù)降至零；(13)張緊彈簧拉力計(jì)，使模型管線被張緊，張緊的標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)變片的讀數(shù)與步驟(5)或步驟⑵相等；(14)擾動(dòng)模型管線，使其產(chǎn)生自由振動(dòng)，記錄下應(yīng)變片隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變時(shí)程；(15)對(duì)步驟(14)記錄下的應(yīng)變時(shí)程作譜分析，求出有效張力Te= Tw+p0A0時(shí)的模型管線固有頻率f4;(16)比較&和f4，如果f3= f4，則深水頂張式立管的幾何剛度計(jì)算應(yīng)采用管壁張力， 否則，應(yīng)采用有效張力計(jì)算幾何剛度。
全文摘要
本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究試驗(yàn)方法，具體涉及一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗(yàn)方法。該方法將模型管線與供水管線系統(tǒng)連通，將模型管線的上端或下端通過彈簧拉力計(jì)連接到試驗(yàn)用的反力架上，在模型管線外部設(shè)置外壓水筒，在模型管線上貼有用于測(cè)量模型管線的壁張力和振動(dòng)響應(yīng)的應(yīng)變片，并設(shè)置用于測(cè)量管線內(nèi)壓的壓力表，然后進(jìn)行各種條件自由振動(dòng)下的模型管線固有頻率測(cè)量，確定深水頂張式立管的幾何剛度計(jì)算依據(jù)。本發(fā)明可以完成深水頂張式立管幾何剛度的試驗(yàn)研究，為深水頂張式立管幾何剛度計(jì)算提供依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。
文檔編號(hào)G01N3/14GK102252913SQ20111016120
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者劉娟, 吳學(xué)敏, 周陽, 孟慶飛, 段金龍, 范杰利, 魏東澤, 黃維平 申請(qǐng)人:中國海洋大學(xué)