CN102607787A - 一种测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种在模拟研究海洋立管涡激振动规律时，能够有效施加内流和顶张力，并就内流对海洋立管动力特性的影响进行测试的试验方法及装置。本发明的施加内流和顶张力的试验装置和采用该装置的试验方法，在进行海洋立管涡激振动试验研究时，通过不断施加已知大小的顶张力、分别改变内流和外流的大小，运用应变计和光栅光纤的测试方法，测定内流对海洋立管动力特性的影响，在模拟研究海洋立管涡激振动规律时，能就内流对海洋立管动力特性的影响进行测试，从而提高海洋立管涡激振动模型试验的准确性，得到较准确的试验结论。

Description

一种测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法

技术领域

本发明属于海洋立管设施铺设技术领域，具体涉及一种在模拟研究海洋立管涡激振动规律时，能够有效施加内流和顶张力，并就内流对海洋立管动力特性的影响进行测试的试验方法及装置。

背景技术

海洋立管是海洋平台与海底井口间的主要连接件。作为海面与海底的一种联系通道，可用于固定式平台、浮式平台及钻探船舶等。海洋立管长细比很大，在海洋环境荷载作用下，例如风、浪、流的作用，可能发生涡激振动，从而加速其疲劳破坏。而海洋立管大多用于输送石油、天然气等易燃易爆物品，一旦发生破坏，必将引发严重的环境污染和次生灾害。

海洋立管的主要功能有：在油井和平台之间运输流体，引导钻探或油井检修工具和管道进入油井；海洋立管是系泊系统的重要组成部分，可作为支撑备用管线；上端与平台或船舶底部的滑移节连接，下端通过万向节与海底井口连接，当平台或船舶在波浪作用下运动时，立管有足够的自由度随之运动，并在平台或船舶发生垂直震荡时改变其长度。因此，在进行海洋立管涡激振动规律的试验研究时，内流、顶张力和连接方式是必须考虑的三个因素，并且三者可能会相互作用。

但是在目前国内进行的海洋立管模型试验中，仍不能很好的模拟工程实际，从而使得出的结论不具有通用性。存在的主要问题有：部分试验选择其中的一个或两个因素进行涡激振动规律的初步研究，未能将三者综合考虑，导致得出的结论具有片面性；试验过程中虽然能够施加顶张力，但顶张力的大小随时间变化，并且不能够准确测量出其数值；立管接头并非严格的固结或者铰接，多数为半铰接状态。

发明内容

本发明的目的是克服现有试验技术中存在的不足，结合海洋工程中海洋立管的实际工作状况，提供一种能够在进行海洋立管涡激振动模型试验时，有效施加内流和顶张力的试验装置，从而提高海洋立管涡激振动模型试验的准确性。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：一种施加内流与顶张力的试验装置，主要包括支架、立管模型、铰接接头和滑轮；滑轮固定于支架的顶部；铰接接头包括铰接接头(上)和铰接接头(下)，铰接接头(下)固定于支架的底部，立管模型的下端与铰接接头(下)连接，立管模型的上端连接铰接接头(上)；在铰接接头(上)的顶板上安装有螺柱，螺柱的上端连接钢绞线，钢绞线绕过滑轮与配重托盘连接。

滑轮的主要作用是便于施加顶张力，支架的主要作用是为整个试验系统提供支撑和固定；

铰接接头是本系统的核心，包括顶座部分、轴承十字架和底座部分；顶座部分包括顶板、轴承座I和轴承；顶板中心处开孔并耕丝，试验时连接螺柱并在其上端施加拉力，从而实现施加顶张力的功能；轴承座I上部与顶板相连接，下部开孔并设卡槽，嵌入轴承；

轴承十字架包括轴承架I和轴承架II；轴承架I、轴承架II的两端比中间部分略细，使其能够恰好穿过轴承；轴承架I的中间部分加粗并开孔，使轴承架II能够恰好穿过并卡住，构成“十”字形；轴承架I与轴承座II相连接，轴承架II与轴承座I相连接；轴承十字架的主要功能是使得顶座部分与底座部分能够自由旋转，从而实现完全铰接的功能。

底座部分包括底座、轴承座II和轴承；轴承座II下部与底座相连，上部开孔并设卡槽，嵌入轴承；轴承座II的功能与轴承座I的功能相同；在底座的侧面和底面分别开进(出)水孔和立管连接孔并耕丝，进(出)水孔与施加内流的进水管相连接，立管连接孔与选定的立管模型相连接，该部分的主要功能是连接立管模型并施加内流。

立管模型，是指根据试验条件和比尺模型所确定的适合模拟海洋立管涡激振动规律的材料，一般选用钢管、铜管和PVC管等，和选用的应变片以及光栅光纤组成的测试模型。

本发明的另一个目的是提供一种测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，采用本发明提供的施加内流与顶张力的试验装置，在进行海洋立管涡激振动试验研究时，通过不断施加已知大小的顶张力、分别改变内流和外流的大小，运用应变计和光栅光纤的测试方法，测定内流对海洋立管动力特性的影响，具体步骤如下所述：

1、根据试验要求和模型比尺，选择立管模型，然后在立管模型的两端端部耕丝，使其螺纹能分别与铰接接头(上)、铰接接头(下)的立管连接孔的螺纹相配并拧紧，即组装成本发明的施加内流和顶张力的试验装置；

2、根据数值模拟的结果，就信号采集的关键点沿立管模型定位，将处于外流部分中的立管下端沿90°方向均匀粘贴光栅光纤，处于空气中的立管上端沿90°方向均匀粘贴应变片，并分别引线与动态电阻应变仪、光栅光纤传感解调仪等信号采集装置连接；

3、内流的施加设备由高压自吸泵、智能流量计、球阀开关和水管组成；高压自吸泵通过进水管与铰接接头上的进水孔连接；其中高压自吸泵能够提供适宜流速的内流，智能流量计可以精确地读取内流的流量；

4、根据数值模拟的结果，在外流来流方向的上端，定位并安放多普勒流速计，用于实时测定外流的流速；

5、根据试验要求选择施加内流时的进水、出水方式，选择上端进水、下端出水或者下端进水，上端出水的方式；

6、各系统连组装完毕以后，根据试验条件，对动态电阻应变仪、光栅光纤传感解调仪、施加内流与顶张力的试验装置、高压自吸泵、智能流量计、球阀开关、水管和多普勒流速计进行调试；各系统工作正常以后，施加外流；待外流稳定以后，在托盘上添加或减少已知重量的配重块，即可达到施加顶张力的目的；然后打开高压自吸泵，不断调节球阀开关并监测流量计，获得所需的内流；

7、当本级外流条件下的测试完成以后，根据多普勒流速计的测定结果，调节外流流速至下一级，然后依次更改顶张力和内流，遵循此工作流程，直至试验结束；

8、对试验采集的数据进行处理，研究内流、外流和顶张力作用下的海洋立管涡激振动规律，得出结论。

经试验验证，本发明的施加内流和顶张力的试验装置和采用该装置的试验方法，在模拟研究海洋立管涡激振动规律时，能够有效地实现铰接、施加内流和施加顶张力三个功能，并能就内流对海洋立管动力特性的影响进行测试，从而提高海洋立管涡激振动模型试验的准确性，得到准确的试验数据和结论。

附图说明

图1是本发明的海洋立管涡激振动试验中施加内流与顶张力的系统整体结构示意图；

图2是本发明的海洋立管涡激振动试验中施加内流与顶张力的系统局部结构示意图；

图3是铰接接头的结构示意图；

图4是铰接接头的结构示意图；

图5立管模型示意图；

图6应变片和光纤布置示意图；

1、滑轮；2、铰接接头(上)；3、进水管；4、立管模型；5、铰接接头(下)；6、出水管；7、配重托盘；8、支架；9、顶板；10、轴承座I；11、轴承；12、轴承架I；13、轴承架II；14、轴承座II；15、底座；16、进(出)水孔；17、立管连接孔；18、应变片；19、光栅光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的施加内流与顶张力的试验装置和试验方法做详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种施加内流与顶张力的试验装置，包括试验支架8、滑轮1、铰接接头和立管模型4；滑轮固定于支架8的顶部；铰接接头包括铰接接头(上)2和铰接接头(下)5，铰接接头(下)5固定于支架8的底部，立管模型4的下端与铰接接头(下)5连接，立管模型4的上端连接铰接接头(上)2；在铰接接头(上)2的顶板9上安装有螺柱，螺柱的上端连接钢绞线，钢绞线绕过滑轮1与配重托盘7连接。

立管模型4，是指根据试验条件和比尺模型所确定的适合模拟海洋立管涡激振动规律的材料，一般选用钢管、铜管和PVC管等，和选用的应变片18以及光栅光纤19组成的测试模型(如图5、图6所示)。

如图3所示，铰接接头包括顶座部分、轴承十字架和底座部分；顶座部分包括顶板9、轴承座I10和轴承；顶板9中心处开孔并耕丝，试验时连接螺柱并在其上端施加拉力，从而实现施加顶张力的功能；轴承座I10上部与顶板9相连接，下部开孔并设卡槽，嵌入轴承；

轴承十字架包括轴承架I12和轴承架II13；轴承架I12、轴承架II13的两端比中间部分略细，使其能够恰好穿过轴承；轴承架I12的中间部分加粗并开孔，使轴承架II13能够恰好穿过并卡住，构成“十”字形；轴承架I12与轴承座II14相连接，轴承架II13与轴承座I10相连接；轴承十字架的主要功能是使得顶座部分与底座部分能够自由旋转，从而实现完全铰接的功能；

如图3和图4所示，底座部分包括底座15、轴承座II14和轴承；轴承座II14下部与底座15相连，上部开孔并设卡槽，嵌入轴承11；轴承座II14的功能与轴承座I10的功能相同；在底座15的侧面和底面分别开进(出)水孔16和立管连接孔17并耕丝，进(出)水孔16与施加内流的进水管3或出水管6连接接，立管连接孔17与的立管模型4相连接，该部分的主要功能是连接立管模型并施加内流。

一种测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，采用本发明的施加内流与顶张力的试验装置，在进行海洋立管涡激振动试验研究时，通过不断施加已知大小的顶张力，分别改变内流和外流的大小，运用应变计和光栅光纤的测试方法，测定内流对海洋立管动力特性的影响，具体步骤如下所述：

1、根据试验要求和模型比尺，选择立管模型，然后在立管模型的两端端部耕丝，使其螺纹能分别与铰接接头(上)、铰接接头(下)的立管连接孔的螺纹相配并拧紧，即组装成本发明的有效施加内流和顶张力的试验装置；

2、根据数值模拟的结果，就信号采集的关键点沿立管模型定位，将处于外流部分中的立管下端沿90°方向均匀粘贴光栅光纤，处于空气中的立管上端沿90°方向均匀粘贴应变片，并分别引线与动态电阻应变仪、光栅光纤传感解调仪等信号采集装置连接；

3、内流的施加设备由高压自吸泵、智能流量计、球阀开关和水管组成；高压自吸泵通过进水管与铰接接头上的进水孔连接；其中高压自吸泵能够提供适宜流速的内流，智能流量计可以精确地读取内流的流量；

4、根据数值模拟的结果，在外流来流方向的上端，定位并安放多普勒流速计，用于实时测定外流的流速；

5、根据试验要求选择施加内流时的进水、出水方式；选择上端进水、下端出水或者下端进水，上端出水的方式。以上端进水、下端出水为例，施加内流的进水管可选用钢管或铜管，在其端部耕丝，使其螺纹能与铰接接头(上)的进水孔的螺纹相符并拧紧；如选用橡胶管，为保证连接处的密闭性，则需在水管的出水端连接一段钢管或铜管，再在其端部耕丝，使其螺纹能与上端进水孔处螺纹相符并拧紧；铰接接头(下)的出水孔可不做处理，自然出水，或者与上端进水管相同，连接一段钢管或铜管；

6、各系统连接组装完毕以后，根据试验条件，对动态电阻应变仪、光栅光纤传感解调仪、施加内流与顶张力的试验装置、高压自吸泵、智能流量计、球阀开关、水管和多普勒流速计进行调试；各系统工作正常以后，施加外流；待外流稳定以后，在托盘上添加或减少已知重量的配重块，即可达到施加顶张力的目的；然后打开高压自吸泵，不断调节球阀开关并监测流量计，获得所需的内流；

7、当本级外流条件下的测试完成以后，根据多普勒流速计的测定结果，调节外流流速至下一级，然后依次更改顶张力和内流，遵循此工作流程，直至试验结束；

8、对试验采集的数据进行处理，研究内流、外流和顶张力作用下的海洋立管涡激振动规律，得出结论。

本发明的施加内流和顶张力的试验装置和采用该装置的试验方法，在模拟研究海洋立管涡激振动规律时，能够有效地实现铰接、施加内流和施加顶张力三个功能，并能就内流对海洋立管动力特性的影响进行测试，从而提高海洋立管涡激振动模型试验的准确性，得到准确的试验数据和结论。

Claims (6)

1.一种测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，采用施加内流与顶张力的试验装置，在进行海洋立管涡激振动试验研究时，通过不断施加已知大小的顶张力、分别改变内流和外流的大小，运用应变计和光栅光纤的测试方法，测定内流对海洋立管动力特性的影响，具体步骤如下所述：

(1)、根据试验要求和模型比尺，选择立管模型，然后在立管模型的两端端部耕丝，使其螺纹能分别与铰接接头(上)、铰接接头(下)的立管连接孔的螺纹相配并拧紧，即组装成本发明的施加内流和顶张力的试验装置；

(2)、根据数值模拟的结果，就信号采集的关键点沿立管模型定位，将处于外流部分中的立管下端沿90°方向均匀粘贴光栅光纤，处于空气中的立管上端沿90°方向均匀粘贴应变片，并分别引线与动态电阻应变仪、光栅光纤传感解调仪等信号采集装置连接；

(3)、内流的施加设备由高压自吸泵、智能流量计、球阀开关和水管组成；高压自吸泵通过进水管与铰接接头上的进水孔连接；其中高压自吸泵能够提供适宜流速的内流，智能流量计可以精确地读取内流的流量；

(4)、根据数值模拟的结果，在外流来流方向的上端，定位并安放多普勒流速计，用于实时测定外流的流速；

(5)、根据试验要求选择施加内流时的进水、出水方式，选择上端进水、下端出水或者下端进水，上端出水的方式；

(6)、各系统连接组装完毕以后，根据试验条件，对动态电阻应变仪、光栅光纤传感解调仪、施加内流与顶张力的试验装置、高压自吸泵、智能流量计、球阀开关、水管和多普勒流速计进行调试；各系统工作正常以后，施加外流；待外流稳定以后，在配重托盘上添加或减少已知重量的配重块，即可达到施加顶张力的目的；然后打开高压自吸泵，不断调节球阀开关并监测流量计，获得所需的内流；

(7)、当本级外流条件下的测试完成以后，根据多普勒流速计的测定结果，调节外流流速至下一级，然后依次更改顶张力和内流，遵循此工作流程，直至试验结束；

(8)、对试验采集的数据进行处理，研究内流、外流和顶张力作用下的海洋立管涡激振动规律，得出结论。

2.根据权利要求1所述的测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，其特征在于：海洋立管涡激振动试验中施加内流与顶张力的系统主要包括支架、立管模型、铰接接头和滑轮；滑轮固定于支架的顶部；铰接接头包括铰接接头(上)和铰接接头(下)，铰接接头(下)固定于支架的底部，立管模型的下端与铰接接头(下)连接，立管模型的上端连接铰接接头(上)；在铰接接头(上)的顶板上安装有螺柱，螺柱的上端连接钢绞线，钢绞线绕过滑轮与配重托盘连接。

3.根据权利要求2所述的测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，其特征在于：所述的铰接接头包括顶座部分、轴承十字架和底座部分；顶座部分包括顶板、轴承座I和轴承；顶板中心处开有一孔；轴承座I上部与顶板相连接，下部开孔并设卡槽，嵌入轴承；轴承十字架包括轴承架I和轴承架II；底座部分包括底座、轴承座II和轴承；轴承座II下部与底座相连接，上部开孔并设卡槽，嵌入轴承；在底座的侧面和底面分别设置有进(出)水孔和立管连接孔；轴承架I与轴承座II相连接，轴承架II与轴承座I相连接。

4.根据权利要求2所述的测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，其特征在于：所述的轴承架I的中间部分加粗并开孔，轴承架II穿过轴承架I上的孔并卡住，两者构成“十”字形。

5.根据权利要求2所述的测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，其特征在于：轴承架I、轴承架II的两端比中间部分略细，两端穿过轴承。

6.根据权利要求1或2所述的测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，其特征在于：所述的立管模型选用钢管、铜管或PVC管。

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