專利名稱：一種測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法
技術領域：
本發(fā)明屬于海洋立管設施鋪設技術領域，具體涉及一種在模擬研究海洋立管渦激振動規(guī)律時，能夠有效施加內(nèi)流和頂張力，并就內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響進行測試的試驗方法及裝置。
背景技術：
海洋立管是海洋平臺與海底井口間的主要連接件。作為海面與海底的一種聯(lián)系通道，可用于固定式平臺、浮式平臺及鉆探船舶等。海洋立管長細比很大，在海洋環(huán)境荷載作用下，例如風、浪、流的作用，可能發(fā)生渦激振動，從而加速其疲勞破壞。而海洋立管大多用于輸送石油、天然氣等易燃易爆物品，一旦發(fā)生破壞，必將引發(fā)嚴重的環(huán)境污染和次生災害。海洋立管的主要功能有在油井和平臺之間運輸流體，引導鉆探或油井檢修工具和管道進入油井；海洋立管是系泊系統(tǒng)的重要組成部分，可作為支撐備用管線；上端與平臺或船舶底部的滑移節(jié)連接，下端通過萬向節(jié)與海底井口連接，當平臺或船舶在波浪作用下運動時，立管有足夠的自由度隨之運動，并在平臺或船舶發(fā)生垂直震蕩時改變其長度。因此，在進行海洋立管渦激振動規(guī)律的試驗研究時，內(nèi)流、頂張力和連接方式是必須考慮的三個因素，并且三者可能會相互作用。但是在目前國內(nèi)進行的海洋立管模型試驗中，仍不能很好的模擬工程實際，從而使得出的結(jié)論不具有通用性。存在的主要問題有部分試驗選擇其中的一個或兩個因素進行渦激振動規(guī)律的初步研究，未能將三者綜合考慮，導致得出的結(jié)論具有片面性；試驗過程中雖然能夠施加頂張力，但頂張力的大小隨時間變化，并且不能夠準確測量出其數(shù)值；立管接頭并非嚴格的固結(jié)或者鉸接，多數(shù)為半鉸接狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有試驗技術中存在的不足，結(jié)合海洋工程中海洋立管的實際工作狀況，提供一種能夠在進行海洋立管渦激振動模型試驗時，有效施加內(nèi)流和頂張力的試驗裝置，從而提高海洋立管渦激振動模型試驗的準確性。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置，主要包括支架、立管模型、鉸接接頭和滑輪；滑輪固定于支架的頂部；鉸接接頭包括鉸接接頭(上)和鉸接接頭(下)，鉸接接頭(下)固定于支架的底部，立管模型的下端與鉸接接頭(下)連接，立管模型的上端連接鉸接接頭(上)；在鉸接接頭(上)的頂板上安裝有螺柱，螺柱的上端連接鋼絞線，鋼絞線繞過滑輪與配重托盤連接?；喌闹饕饔檬潜阌谑┘禹攺埩?，支架的主要作用是為整個試驗系統(tǒng)提供支撐和固定；鉸接接頭是本系統(tǒng)的核心，包括頂座部分、軸承十字架和底座部分；頂座部分包括頂板、軸承座I和軸承；頂板中心處開孔并耕絲，試驗時連接螺柱并在其上端施加拉力，從而實現(xiàn)施加頂張力的功能；軸承座I上部與頂板相連接，下部開孔并設卡槽，嵌入軸承；軸承十字架包括軸承架I和軸承架II ;軸承架I、軸承架II的兩端比中間部分略細，使其能夠恰好穿過軸承；軸承架I的中間部分加粗并開孔，使軸承架II能夠恰好穿過并卡住，構成“十”字形；軸承架I與軸承座II相連接，軸承架II與軸承座I相連接；軸承十字架的主要功能是使得頂座部分與底座部分能夠自由旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)完全鉸接的功能。底座部分包括底座、軸承座II和軸承；軸承座II下部與底座相連，上部開孔并設卡槽，嵌入軸承；軸承座II的功能與軸承座I的功能相同；在底座的側(cè)面和底面分別開進 (出)水孔和立管連接孔并耕絲，進(出)水孔與施加內(nèi)流的進水管相連接，立管連接孔與選定的立管模型相連接，該部分的主要功能是連接立管模型并施加內(nèi)流。 立管模型，是指根據(jù)試驗條件和比尺模型所確定的適合模擬海洋立管渦激振動規(guī)律的材料，一般選用鋼管、銅管和PVC管等，和選用的應變片以及光柵光纖組成的測試模型。本發(fā)明的另一個目的是提供一種測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法， 采用本發(fā)明提供的施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置，在進行海洋立管渦激振動試驗研究時， 通過不斷施加已知大小的頂張力、分別改變內(nèi)流和外流的大小，運用應變計和光柵光纖的測試方法，測定內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響，具體步驟如下所述1、根據(jù)試驗要求和模型比尺，選擇立管模型，然后在立管模型的兩端端部耕絲，使其螺紋能分別與鉸接接頭(上)、鉸接接頭(下)的立管連接孔的螺紋相配并擰緊，即組裝成本發(fā)明的施加內(nèi)流和頂張力的試驗裝置；2、根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，就信號采集的關鍵點沿立管模型定位，將處于外流部分中的立管下端沿90°方向均勻粘貼光柵光纖，處于空氣中的立管上端沿90°方向均勻粘貼應變片，并分別引線與動態(tài)電阻應變儀、光柵光纖傳感解調(diào)儀等信號采集裝置連接；3、內(nèi)流的施加設備由高壓自吸泵、智能流量計、球閥開關和水管組成；高壓自吸泵通過進水管與鉸接接頭上的進水孔連接；其中高壓自吸泵能夠提供適宜流速的內(nèi)流，智能流量計可以精確地讀取內(nèi)流的流量；4、根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在外流來流方向的上端，定位并安放多普勒流速計，用于實時測定外流的流速；5、根據(jù)試驗要求選擇施加內(nèi)流時的進水、出水方式，選擇上端進水、下端出水或者下端進水，上端出水的方式；6、各系統(tǒng)連組裝完畢以后，根據(jù)試驗條件，對動態(tài)電阻應變儀、光柵光纖傳感解調(diào)儀、施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置、高壓自吸泵、智能流量計、球閥開關、水管和多普勒流速計進行調(diào)試；各系統(tǒng)工作正常以后，施加外流；待外流穩(wěn)定以后，在托盤上添加或減少已知重量的配重塊，即可達到施加頂張力的目的；然后打開高壓自吸泵，不斷調(diào)節(jié)球閥開關并監(jiān)測流量計，獲得所需的內(nèi)流；7、當本級外流條件下的測試完成以后，根據(jù)多普勒流速計的測定結(jié)果，調(diào)節(jié)外流流速至下一級，然后依次更改頂張力和內(nèi)流，遵循此工作流程，直至試驗結(jié)束；8、對試驗采集的數(shù)據(jù)進行處理，研究內(nèi)流、外流和頂張力作用下的海洋立管渦激振動規(guī)律，得出結(jié)論。經(jīng)試驗驗證，本發(fā)明的施加內(nèi)流和頂張力的試驗裝置和采用該裝置的試驗方法，在模擬研究海洋立管渦激振動規(guī)律時，能夠有效地實現(xiàn)鉸接、施加內(nèi)流和施加頂張力三個功能，并能就內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響進行測試，從而提高海洋立管渦激振動模型試驗的準確性，得到準確的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論。


圖1是本發(fā)明的海洋立管渦激振動試驗中施加內(nèi)流與頂張力的系統(tǒng)整體結(jié)構示意圖2是本發(fā)明的海洋立管渦激振動試驗中施加內(nèi)流與頂張力的系統(tǒng)局部結(jié)構示意圖3是鉸接接頭的結(jié)構示意圖4是鉸接接頭的結(jié)構示意圖5立管模型示意圖6應變片和光纖布置75意1、滑輪；2、鉸接接頭(上)；3、進水管；4、立管模型；5、鉸接接頭(下)；6、出水管;7、配重托盤；8、支架；9、頂板；10、軸承座I ;11、軸承；12、軸承架I ;13、軸承架II ;14、軸承座II ;15、底座；16、進(出)水孔；17、立管連接孔；18、應變片；19、光柵光纖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置和試驗方法做詳細的說明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置，包括試驗支架8、 滑輪1、鉸接接頭和立管模型4 ;滑輪固定于支架8的頂部；鉸接接頭包括鉸接接頭(上)2 和鉸接接頭(下)5，鉸接接頭(下)5固定于支架8的底部，立管模型4的下端與鉸接接頭 (下)5連接，立管模型4的上端連接鉸接接頭(上)2 ;在鉸接接頭(上)2的頂板9上安裝有螺柱，螺柱的上端連接鋼絞線，鋼絞線繞過滑輪1與配重托盤7連接。立管模型4，是指根據(jù)試驗條件和比尺模型所確定的適合模擬海洋立管渦激振動規(guī)律的材料，一般選用鋼管、銅管和PVC管等，和選用的應變片18以及光柵光纖19組成的測試模型(如圖5、圖6所示)。如圖3所示，鉸接接頭包括頂座部分、軸承十字架和底座部分；頂座部分包括頂板9、軸承座110和軸承；頂板9中心處開孔并耕絲，試驗時連接螺柱并在其上端施加拉力， 從而實現(xiàn)施加頂張力的功能；軸承座110上部與頂板9相連接，下部開孔并設卡槽，嵌入軸承；軸承十字架包括軸承架112和軸承架1113 ;軸承架112、軸承架1113的兩端比中間部分略細，使其能夠恰好穿過軸承；軸承架112的中間部分加粗并開孔，使軸承架1113能夠恰好穿過并卡住，構成“十”字形；軸承架112與軸承座1114相連接，軸承架1113與軸承座110相連接；軸承十字架的主要功能是使得頂座部分與底座部分能夠自由旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)完全鉸接的功能；如圖3和圖4所示，底座部分包括底座15、軸承座1114和軸承；軸承座1114下部與底座15相連，上部開孔并設卡槽，嵌入軸承11 ;軸承座1114的功能與軸承座110的功能相同；在底座15的側(cè)面和底面分別開進(出)水孔16和立管連接孔17并耕絲，進(出) 水孔16與施加內(nèi)流的進水管3或出水管6連接接，立管連接孔17與的立管模型4相連接， 該部分的主要功能是連接立管模型并施加內(nèi)流。一種測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法，采用本發(fā)明的施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置，在進行海洋立管渦激振動試驗研究時，通過不斷施加已知大小的頂張力， 分別改變內(nèi)流和外流的大小，運用應變計和光柵光纖的測試方法，測定內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響，具體步驟如下所述1、根據(jù)試驗要求和模型比尺，選擇立管模型，然后在立管模型的兩端端部耕絲，使其螺紋能分別與鉸接接頭(上)、鉸接接頭(下)的立管連接孔的螺紋相配并擰緊，即組裝成本發(fā)明的有效施加內(nèi)流和頂張力的試驗裝置；2、根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，就信號采集的關鍵點沿立管模型定位，將處于外流部分中的立管下端沿90°方向均勻粘貼光柵光纖，處于空氣中的立管上端沿90°方向均勻粘貼應變片，并分別引線與動態(tài)電阻應變儀、光柵光纖傳感解調(diào)儀等信號采集裝置連接；3、內(nèi)流的施加設備由高壓自吸泵、智能流量計、球閥開關和水管組成；高壓自吸泵通過進水管與鉸接接頭上的進水孔連接；其中高壓自吸泵能夠提供適宜流速的內(nèi)流，智能流量計可以精確地讀取內(nèi)流的流量；4、根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在外流來流方向的上端，定位并安放多普勒流速計，用于實時測定外流的流速；5、根據(jù)試驗要求選擇施加內(nèi)流時的進水、出水方式；選擇上端進水、下端出水或者下端進水，上端出水的方式。以上端進水、下端出水為例，施加內(nèi)流的進水管可選用鋼管或銅管，在其端部耕絲，使其螺紋能與鉸接接頭(上)的進水孔的螺紋相符并擰緊；如選用橡膠管，為保證連接處的密閉性，則需在水管的出水端連接一段鋼管或銅管，再在其端部耕絲，使其螺紋能與上端進水孔處螺紋相符并擰緊；鉸接接頭(下)的出水孔可不做處理，自然出水，或者與上端進水管相同，連接一段鋼管或銅管；6、各系統(tǒng)連接組裝完畢以后，根據(jù)試驗條件，對動態(tài)電阻應變儀、光柵光纖傳感解調(diào)儀、施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置、高壓自吸泵、智能流量計、球閥開關、水管和多普勒流速計進行調(diào)試；各系統(tǒng)工作正常以后，施加外流；待外流穩(wěn)定以后，在托盤上添加或減少已知重量的配重塊，即可達到施加頂張力的目的；然后打開高壓自吸泵，不斷調(diào)節(jié)球閥開關并監(jiān)測流量計，獲得所需的內(nèi)流；7、當本級外流條件下的測試完成以后，根據(jù)多普勒流速計的測定結(jié)果，調(diào)節(jié)外流流速至下一級，然后依次更改頂張力和內(nèi)流，遵循此工作流程，直至試驗結(jié)束；8、對試驗采集的數(shù)據(jù)進行處理，研究內(nèi)流、外流和頂張力作用下的海洋立管渦激振動規(guī)律，得出結(jié)論。本發(fā)明的施加內(nèi)流和頂張力的試驗裝置和采用該裝置的試驗方法，在模擬研究海洋立管渦激振動規(guī)律時，能夠有效地實現(xiàn)鉸接、施加內(nèi)流和施加頂張力三個功能，并能就內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響進行測試，從而提高海洋立管渦激振動模型試驗的準確性， 得到準確的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論。
權利要求
1.一種測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法，采用施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置，在進行海洋立管渦激振動試驗研究時，通過不斷施加已知大小的頂張力、分別改變內(nèi)流和外流的大小，運用應變計和光柵光纖的測試方法，測定內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響，具體步驟如下所述(1)、根據(jù)試驗要求和模型比尺，選擇立管模型，然后在立管模型的兩端端部耕絲，使其螺紋能分別與鉸接接頭(上)、鉸接接頭(下)的立管連接孔的螺紋相配并擰緊，即組裝成本發(fā)明的施加內(nèi)流和頂張力的試驗裝置；(2)、根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，就信號采集的關鍵點沿立管模型定位，將處于外流部分中的立管下端沿90°方向均勻粘貼光柵光纖，處于空氣中的立管上端沿90°方向均勻粘貼應變片，并分別引線與動態(tài)電阻應變儀、光柵光纖傳感解調(diào)儀等信號采集裝置連接；(3)、內(nèi)流的施加設備由高壓自吸泵、智能流量計、球閥開關和水管組成；高壓自吸泵通過進水管與鉸接接頭上的進水孔連接；其中高壓自吸泵能夠提供適宜流速的內(nèi)流，智能流量計可以精確地讀取內(nèi)流的流量；(4)、根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在外流來流方向的上端，定位并安放多普勒流速計，用于實時測定外流的流速；(5)、根據(jù)試驗要求選擇施加內(nèi)流時的進水、出水方式，選擇上端進水、下端出水或者下端進水，上端出水的方式；(6)、各系統(tǒng)連接組裝完畢以后，根據(jù)試驗條件，對動態(tài)電阻應變儀、光柵光纖傳感解調(diào)儀、施加內(nèi)流與頂張力的試驗裝置、高壓自吸泵、智能流量計、球閥開關、水管和多普勒流速計進行調(diào)試；各系統(tǒng)工作正常以后，施加外流；待外流穩(wěn)定以后，在配重托盤上添加或減少已知重量的配重塊，即可達到施加頂張力的目的；然后打開高壓自吸泵，不斷調(diào)節(jié)球閥開關并監(jiān)測流量計，獲得所需的內(nèi)流；(7)、當本級外流條件下的測試完成以后，根據(jù)多普勒流速計的測定結(jié)果，調(diào)節(jié)外流流速至下一級，然后依次更改頂張力和內(nèi)流，遵循此工作流程，直至試驗結(jié)束；(8)、對試驗采集的數(shù)據(jù)進行處理，研究內(nèi)流、外流和頂張力作用下的海洋立管渦激振動規(guī)律，得出結(jié)論。
2.根據(jù)權利要求1所述的測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法，其特征在于海洋立管渦激振動試驗中施加內(nèi)流與頂張力的系統(tǒng)主要包括支架、立管模型、鉸接接頭和滑輪；滑輪固定于支架的頂部；鉸接接頭包括鉸接接頭(上)和鉸接接頭(下)，鉸接接頭(下)固定于支架的底部，立管模型的下端與鉸接接頭(下)連接，立管模型的上端連接鉸接接頭(上)；在鉸接接頭(上)的頂板上安裝有螺柱，螺柱的上端連接鋼絞線，鋼絞線繞過滑輪與配重托盤連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法，其特征在于所述的鉸接接頭包括頂座部分、軸承十字架和底座部分；頂座部分包括頂板、軸承座I 和軸承；頂板中心處開有一孔；軸承座I上部與頂板相連接，下部開孔并設卡槽，嵌入軸承； 軸承十字架包括軸承架I和軸承架II ;底座部分包括底座、軸承座II和軸承；軸承座II下部與底座相連接，上部開孔并設卡槽，嵌入軸承；在底座的側(cè)面和底面分別設置有進(出) 水孔和立管連接孔；軸承架I與軸承座II相連接，軸承架II與軸承座I相連接。
4.根據(jù)權利要求2所述的測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法，其特征在于所述的軸承架I的中間部分加粗并開孔，軸承架II穿過軸承架I上的孔并卡住，兩者構成“十”字形。
5.根據(jù)權利要求2所述的測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法，其特征在于軸承架I、軸承架II的兩端比中間部分略細，兩端穿過軸承。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的測試內(nèi)流對海洋立管動力特性影響的試驗方法，其特征在于所述的立管模型選用鋼管、銅管或PVC管。
全文摘要
本發(fā)明屬于海洋立管設施鋪設技術領域，具體涉及一種在模擬研究海洋立管渦激振動規(guī)律時，能夠有效施加內(nèi)流和頂張力，并就內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響進行測試的試驗方法及裝置。本發(fā)明的施加內(nèi)流和頂張力的試驗裝置和采用該裝置的試驗方法，在進行海洋立管渦激振動試驗研究時，通過不斷施加已知大小的頂張力、分別改變內(nèi)流和外流的大小，運用應變計和光柵光纖的測試方法，測定內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響，在模擬研究海洋立管渦激振動規(guī)律時，能就內(nèi)流對海洋立管動力特性的影響進行測試，從而提高海洋立管渦激振動模型試驗的準確性，得到較準確的試驗結(jié)論。
文檔編號G01M7/02GK102607787SQ201210079399
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權日2012年3月23日
發(fā)明者劉慶海, 劉景偉, 張莉, 李效民, 李朋, 李相環(huán), 李瑩, 毛海英, 牛建杰, 王媛, 王飛, 趙偉, 趙婧, 郭海燕 申請人:中國海洋大學