CN102141462B - 一种钢悬链线立管触底振动实验方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢悬链线立管触底段振动实验方法及系统，其包括以下内容：1)设置一水槽，在水槽底部铺设物性与力学特性与原型海床海土相接近的粘土，水槽内的水位高于粘土上表面，在水槽末端设置有消波区，在消波区上方的水槽上设置出水口，并通过将出水循环回流的方式模拟立管触底区的海流；2)应用截断模拟的方法，在有限的水槽内设置一立管触底段模型，对立管触底段模型的一端施加垂向载荷和水平侧向载荷，模拟浮体运动引发的钢悬链线立管触底振动，及管-土相互作用形成的海床沟槽；3)通过间隔设置在立管触底段模型上的加速度传感器和应变片，收集模型触底振动的响应信号，进而得到海床床面土体性质及不同流速阻尼条件对钢悬链线立管触底振动影响。
Description
技术领域
本发明涉及到一种振动实验方法及系统，特别是关于一种钢悬链线立管触底振动实验方法及系统。
背景技术
钢悬链线立管是水下生产系统和浮式平台之间最常用的连接管道。受浮式平台升沉运动影响，钢悬链线立管的触底段与海床之间始终处于动态接触状态，极易引发疲劳损伤，给钢悬链线立管的设计及投产后的运营安全带来困难和隐患。钢悬链线立管触底段与海床之间管土作用关系复杂，相应的实验成为该领域研究的必要手段。
进行全尺寸的钢悬链线立管接地实验非常困难，有研究利用西英格兰Watchet海港的海岸海床落差实现了全尺寸的悬链线立管接地实验。实验过程中，首先必须在钢悬链线立管上选取一个截断点，该截断点的位置指的是整个钢悬链线立管原型运动过程中最大限度靠近海床而不接触海床的位置，若在截断点处施加位移载荷，自然能够较好地模拟浮体升沉运动带来的立管响应(包括管土作用响应)。但是该实验存在耗资过大、周期过长、且受地理条件限制的显著缺点，同时无法考察海床附近海流的阻尼影响及不同性状海床基土的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够同时考察海床附近海流对钢悬链线立管的阻尼影响和不同性状海床基土对钢悬链线立管影响的钢悬链线立管触底振动实验方法及系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种钢悬链线立管触底段振动实验方法，其包括以下内容：1)设置一水槽，在水槽底部铺设物性与力学特性与原型海床海土相接近的粘土，水槽内的水位高于粘土上表面，在水槽末端设置有消波区，在消波区上方的水槽上设置出水口，并通过将出水循环回流的方式模拟立管触底区的海流；2)应用截断模拟的方法，在有限的水槽内设置一立管触底段模型，对立管触底段模型的一端施加垂向载荷和水平侧向载荷，模拟浮体运动引发的钢悬链线立管触底振动，及管土相互作用形成的海床沟槽；3)通过间隔设置在立管触底段模型上的加速度传感器和应变片，收集模型触底振动的响应信号，进而得到海床床面土体性质及不同流速阻尼条件对钢悬链线立管触底振动影响。
实现上述方法的一种钢悬链线立管触底段振动实验系统，其特征在于：它包括海床模拟造流装置、支撑架和立管运动装置；所述海床模拟造流装置包括一水槽，所述水槽内铺设有粘土，所述水槽内的水面高于所述粘土上表面；所述水槽末端设置有一倾斜的消波区，所述消波区上方的水槽上开设排水口，所述排水口下方设置一水箱，所述水箱通过回流管和流速控制泵连接至水槽前端底部；所述粘土内设置有一吸力锚，所述吸力锚连接一立管触底段模型的一端，所述立管触底段模型的另一端连接一立管接头；所述立管触底段模型上间隔设置有若干加速度传感器和应变片；所述支撑架跨越在所述水槽前部，其包括一由立柱和横梁组成的框架，在跨越所述水槽的两横梁上对称设置有四根光杠，所述四根光杠顶部连接有一“工”字形钢板，所述钢板上固定连接一垂向液压缸的缸体；所述立管运动装置包括一活动板，其通过螺母固定连接在所述垂向液压缸的活塞杆底部，所述活动板的四角穿套在所述四根光杠上，所述活动板中部设置有两根侧向运动滑轨，所述侧向运动滑轨的两端分别设置有滑块，同一端的两所述滑块上共同连接一活动框，其中一所述活动框连接一侧向液压缸的输出端；两所述活动框内分别设置有一轴向运动滑轨，两所述轴向运动滑轨上分别设置有滑块，练所述轴向滑轨上的所述滑块顶部共同连接一底板，所述底板中心固定设置一连接杆，所述连接杆的底部连接所述立管接头。
所述支撑架中由立柱和横梁组成的框架包括四根立柱和四根横梁，其中两根短的所述横梁底部对应设置一连接两所述立柱的底座，两所述底座通过地脚螺栓固定连接在地面。
在所述支撑架位于水槽一侧的两立柱之间对角设置一斜撑，且两侧所述斜撑方向相反，每一所述斜撑中间通过反向螺纹接头连接。
所述连接杆先转动地连接一接头，再将所述接头固定连接所述立管接头。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明由于通过对立管触底段模型施加的垂向和水平载荷的方式，合理地模拟了立管原型截断点处产生的运动和受到的内力，因此能够在有限的室内空间内全尺寸模拟立管触底段管道的触底振动响应，并可进一步研究模拟钢悬链线立管触底区海床沟槽的形成机制。2、本发明由于在立管触底段模型的不同截面位置设置了加速度传感器和应变片，因此可以根据获得的加速度信号和应变信号研究其触底振动的响应特性及疲劳特性，还可以研究静水及不同流速情况下的环境阻尼影响及不同性状海床基土的影响。3、本发明在立管运动装置中通过一垂向液压缸带动一活动板，通过活动板带动两个活动框，并通过底板将两活动框连接成一体，将与立管触底段模型连接的连接杆固定在底板上，因此，不但可以在通过垂向液压缸带动活动板进行上下运动的同时带动立管触底段模型的一端上下运动，进而实现钢悬链线立管上选取的截断点处的垂向运动的模拟；而且可以通过侧向液压缸驱动其中一活动框架进行水平运动的同时带动立管触底段模型水平运动，进而实现钢悬链线立管上选取的截断点处的水平运动的模拟。本发明整体结构简单，调整方便，特别是可以在有限的室内空间内全尺寸模拟立管触底段管道的触底振动响应，它可以广泛用于各种钢悬链线立管触底振动的实验和研究中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明中支撑架结构示意图
图3是本发明中立管提升装置结构示意图
图4是本发明中立管触底段模型与铰接接头铰接示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明实现方法可以概括为以下内容：
1)设置一水槽，在水槽底部铺设物性与力学特性与原型海床海土相接近的粘土，水槽内的水位高于粘土上表面，在水槽末端设置有消波区，在消波区上方的水槽上设置出水口，并通过将出水循环回流的方式模拟立管触底区的海流；
2)应用截断模拟的方法，在有限的水槽内设置一立管触底段模型，对立管触底段模型的一端施加垂向载荷和水平侧向载荷，模拟浮体运动引发的钢悬链线立管触底振动，及管-土相互作用形成的海床沟槽；
3)通过间隔设置在立管触底段模型上的加速度传感器和应变片，收集模型触底振动的响应信号，进而得到海床床面土体性质及不同流速阻尼条件对钢悬链线立管触底振动影响。
为实现上述方法，本发明系统包括一海床模拟造流装置、一支撑架和一立管运动装置。
如图1所示，本发明的海床模拟造流装置包括一设置在支架上的水槽1，水槽1内铺设有粘土2，粘土2的物性和力学特性可以配制得与原型海床海土相接近，粘土2浸在水中，水面3高于粘土2上表面，用于模拟海水。水槽1末端设置有一倾坡状的消波区4，以避免水流反射生成反射波。水槽1末端的消波区4的上方开设一排水口5。在排水口的下方设置一水箱6，水箱6下部通过一回流管7和流速控制泵8连接至水槽1前端底部。粘土2内设置有一吸力锚9，其上连接一立管触底段模型10一端，立管触底段模型10的另一端连接一立管接头11。在立管触底段模型10上根据需要间隔设置有若干加速度传感器和应变片(图中未示出)
如图1、图2所示，本发明的支撑架跨越在水槽1的前部，支撑架包括通过地脚螺栓固定在地面上的两个底座12，每个底座12上设置有一对立柱13，每对立柱13之间设置有一斜撑14，两斜撑14的方向相反，两斜撑14的中部设置有一反向螺纹接头15，其具有自锁功能，而且调节拆卸方便。四根立柱13的顶端通过螺栓和横梁16连接成一体，两个底座12之间的两根横梁16上设置有四根光杠17，四根光杠17顶部连接有一“工”字形钢板18，钢板18上通过螺栓固定连接一垂向液压缸的缸体19，垂向液压缸的活塞杆20穿过钢板18伸向下方。
上述支撑架结构中，由四根立柱13和横梁16组成的框架是可以有所变化的，以上仅为一实施例，不应局限于此。另外在两根立柱13之间设置的斜撑14可以起到加固和调节的作用，也可以采用其它结构替代。
如图1～3所示，本发明的立管运动装置包括一通过螺母固定连接在活塞杆20底部的类似“工”字形的活动板21，活动板21的四角通过通孔22穿套在四根光杠16上。活动板21中部设置有两根侧向运动滑轨23，两根侧向运动滑轨23的两端分别固定连接一滑块24，同一端的两滑块24上共同连接一活动框25，两活动框25内分别设置有一轴向运动滑轨26，每一轴向运动滑轨26上设置有两个滑块27(本实施例以两块为例，但不限于此)，四个滑块27顶部共同连接一底板28，底板28的中心通过螺母固定连接一连接杆29(如图1、图4所示)，连接杆29的底部转动连接一接头30，接头30可以通过焊接或螺栓连接立管接头11。在活动板21上还设置有一侧向液压缸(图中未示出)，侧向液压缸的输出端连接其中一活动框25。
如图1所示，利用本发明进行实验时，立管运动装置中的垂向液压缸可以驱动活动板21带动两活动框25上、下运动，两活动框25通过底板28带动连接杆29上、下运动，进而通过立管接头11带动立管触底段模型10实现上、下模拟运动。由于立管运动装置中两活动框25通过底部28连接成一体，因此侧向液压缸可以驱动两活动框25沿滑轨23同步做侧向水平运动(穿入穿出纸面的运动)，进而通过连接杆29带动立管触底段模型10实现模拟侧向水平运动。实验中需要控制立管触底段模型10在垂向和侧向两个方向上单位时间内产生的位移，该单位时间内产生的位移是根据钢悬链线立管原型截断点确定得到。
上述通过本发明装置带动立管触底段模型10进行垂向和侧向运动的过程中，由于底板29和活动框25沿立管触底段模型10轴向(水槽1的长度方向)上的运动是自由运动，因此带动立管触底段模型10在轴向上也是自由运动，此时立管触底段模型10在水槽1的粘土2上的接触振动与钢悬链线立管原型的触底振动相接近，因此可以通过间隔设置在立管触底段模型10上的加速度传感器和应变片，测量立管触底段模型10上各个截面位置的应变与加速度响应，以得到钢悬链线立管原型的振动特性的实验结果。
同时可以通过流速控制泵8控制水槽1的流速，从而实现模拟海床附近的海流，再通过加速度传感器和应变片，测量立管触底段模型10各个截面位置的应变与加速度响应，以得到静水阻尼条件或不同流速阻尼条件下的立管触底段模型10的触底振动的实验结果，以研究海床附近海流对钢悬链线立管的阻尼影响。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种钢悬链线立管触底段振动实验方法，其包括以下内容：
1)设置一水槽，在水槽底部铺设物性与力学特性与原型海床海土相接近的粘土，水槽内的水位高于粘土上表面，在水槽末端设置有消波区，在消波区上方的水槽上设置出水口，并通过将出水循环回流的方式模拟立管触底区的海流；
2)应用截断模拟的方法，在有限的水槽内设置一立管触底段模型，对立管触底段模型的一端施加垂向载荷和水平侧向载荷，模拟浮体运动引发的钢悬链线立管触底振动，及管-土相互作用形成的海床沟槽；
3)通过间隔设置在立管触底段模型上的加速度传感器和应变片，收集模型触底振动的响应信号，进而得到海床床面土体性质及不同流速阻尼条件对钢悬链线立管触底振动影响。
2.实现如权利要求1所述方法的一种钢悬链线立管触底段振动实验系统，其特征在于：它包括海床模拟造流装置、支撑架和立管运动装置；
所述海床模拟造流装置包括一水槽，所述水槽内铺设有粘土，所述水槽内的水面高于所述粘土上表面；所述水槽末端设置有一倾斜的消波区，所述消波区上方的水槽上开设排水口，所述排水口下方设置一水箱，所述水箱通过回流管和流速控制泵连接至水槽前端底部；所述粘土内设置有一吸力锚，所述吸力锚连接一立管触底段模型的一端，所述立管触底段模型的另一端连接一立管接头；所述立管触底段模型上间隔设置有若干加速度传感器和应变片；
所述支撑架跨越在所述水槽前部，其包括一由立柱和横梁组成的框架，在跨越所述水槽的两横梁上对称设置有四根光杠，所述四根光杠顶部连接有一“工”字形钢板，所述钢板上固定连接一垂向液压缸的缸体；
所述立管运动装置包括一活动板，其通过螺母固定连接在所述垂向液压缸的活塞杆底部，所述活动板的四角穿套在所述四根光杠上，所述活动板中部设置有两根侧向运动滑轨，所述侧向运动滑轨的两端分别设置有滑块，同一端的两所述滑块上共同连接一活动框，其中一所述活动框连接一侧向液压缸的输出端；两所述活动框内分别设置有一轴向运动滑轨，两所述轴向运动滑轨上分别设置有滑块，两所述轴向运动滑轨上的所述滑块顶部共同连接一底板，所述底板中心固定设置一连接杆，所述连接杆的底部连接所述立管接头。
3.如权利要求2所述的一种钢悬链线立管触底段振动实验系统，其特征在于：所述支撑架中由立柱和横梁组成的框架包括四根立柱和四根横梁，其中两根短的所述横梁底部对应设置一连接两所述立柱的底座，两所述底座通过地脚螺栓固定连接在地面。
4.如权利要求2所述的一种钢悬链线立管触底段振动实验系统，其特征在于：在所述支撑架位于水槽一侧的两立柱之间对角设置一斜撑，且两侧所述斜撑方向相反，每一所述斜撑中间通过反向螺纹接头连接。
5.如权利要求3所述的一种钢悬链线立管触底段振动实验系统，其特征在于：在所述支撑架位于水槽一侧的两立柱之间对角设置一斜撑，且两侧所述斜撑方向相反，每一所述斜撑中间通过反向螺纹接头连接。
6.如权利要求2或3或4或5所述的一种钢悬链线立管触底段振动实验系统，其特征在于：所述连接杆先转动地连接一接头，再将所述接头固定连接所述立管接头。
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