CN104931501A - 一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法，实验装置由供气系统、供液系统、实验测试管段、数据采集系统四部分组成。气、液流经Y形三通混合后，进入悬挂透明管，其外侧均匀分布有标定件。两台高速摄像分别从下侧和正前方拍摄标定件黑色圆形位移和管内段塞流尺寸、位置。利用标定件黑色圆形的实际直径和其在图像上所占的像素单元，可以将图像尺寸与实际尺寸关联。按时间序列将每帧图像处理后，可得到段塞的运移速度和标定件黑色圆形圆心的位移数值，从而得到实验测试管段不同位置的振动情况。本发明可同时监测管内段塞流与管道振动，实现了无干扰、非介入同步测试。

Description

一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法

技术领域

本发明属于海洋立管振动特性研究领域，具体涉及一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法。

背景技术

海洋立管是连接海洋油气生产平台与水下井口或海底管道的生命线，承担着海洋油气正常采输的重任。海底管道建设成本高，多采用油气混输方式，管内流体属于气液两相流，最常见的流型为段塞流。段塞流进入立管后，不仅会使管内压力和出口流量呈现周期性剧烈波动，还会诱导管线振动，缩短立管的使用寿命，甚至会引发立管的疲劳破坏，严重影响安全生产。为了减轻和抑制振动对海洋立管造成的损害，需要更深入地了解管内段塞流的流动规律以及段塞流诱导海洋立管振动的机理。目前实验研究流致振动的方法主要是在管道上粘附应变片、加速度传感器或光纤光栅传感器等，通过测量应变、位移等反映管道的振动响应。而研究管内段塞流型的方法从最初的肉眼观察发展到譬如电容层析成像仪捕捉成像等。但至今尚未出现针对海洋立管同步监测管内段塞流特征及段塞流诱导立管振动的实验装置及方法。

发明内容

本发明的目的是，针对现有实验装置及方法存在的不足，提出一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置由供气系统、供液系统、实验测试管段、数据采集系统四部分组成。供气系统由气泵、储气罐、进气阀、球形气体流量计组成，并通过输气管线依次连通。气泵将压缩后的空气泵入储气罐内，以获得稳定的气流，储气罐出口设置进气阀以调节流量，由球形气体流量计监测气体流量。

供液系统由水箱、水泵、进液阀、液体电磁流量计组成，并通过输液管线依次连通。水箱储存足量的供实验循环的液体，水泵从水箱中抽吸液体泵入下游管线，水泵出口设进液阀调节流量，由液体电磁流量计监测液体流量。

输气管线末端与输液管线末端通过Y形三通连接至下游管线。Y形三通出口经一段水平管路后与实验测试管段相接，以保证气液两相流充分发展，避免在实验测试管段入口产生端口效应。

实验测试管段由一段悬挂透明管和套在其外侧均匀分布的五个标定件组成，悬挂透明管的上、下端由固定压板固定。标定件为边长D₁的正方体，中间开有直径为D₂的圆柱形通孔，正方体四个侧面涂有直径为D₃的黑色圆形。气液两相流从悬挂透明管底端流入，由上端流出。实验测试管段经管线连接至水箱上方，且水箱上方管线出口高于液面，以实现气液分离。液体落入水箱，构成循环回路。

数据采集系统由仰视高速摄像机、正视高速摄像机、五个压力传感器、两个压力数据存储器和采集终端组成。仰视高速摄像机安装在实验测试管段下侧，用于拍摄实验测试管段的横向振动；正视高速摄像机正对实验测试管段，用于测试其纵向和垂向振动。进气管压力传感器和进液管压力传感器分别安装在输气管线末端和输液管线末端，用于监测混合前输气管线和输液管线的压力；进气管压力传感器和进液管压力传感器连接混合前支管压力数据存储器，以储存监测数据。实验测试管段上安有三个压力传感器，分别位于测试管段底端、中段和顶端，用于监测悬挂透明管内流体在不同位置的压力变化；三个压力传感器连接测试管段压力数据存储器，以储存监测数据。高速摄像机拍摄的视频图像和压力数据存储器储存的数据统一储存于采集终端，用于处理分析。

利用上述的监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置可以提供一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验方法。调节高速摄像机景深和光圈，使其可以清晰辨认五个标定件的黑色圆形。在水箱中加入染色剂，使液体染色，提高气液对比度。打开气泵、水泵，调节进气阀和进液阀，使实验测试管段内出现稳定的段塞流。同时启动两台高速摄像机和五个压力传感器，同步捕捉标定件黑色圆形的位移和监测五个压力测试点的压力。监测足够长时间后，停止监测。高速摄像机按一定时间间隔记录了实验测试管段的图像，每一帧图片都可以辨识管内段塞位置、尺寸以及标定件上黑色圆形的位置。利用标定件黑色圆形的实际直径和其在图像上所占的像素单元，可以将图像尺寸与实际尺寸关联，由此得到每帧图像对应的段塞实际长度、位置及标定件黑色圆形的圆心位置。按时间序列将每帧图像处理后，可得到段塞的运移速度和标定件黑色圆形圆心的位移响应。由五个标定件黑色圆形的圆心位移数值，可以得到对应实验测试管段五个不同位置的振动情况。

本发明还包括：

1、标定件圆柱形通孔直径D₂等于实验测试管段直径D；标定件边长D₁等于1.2D；标定件侧面黑色圆形直径D₃等于D。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明的气体流量和液体流量可以调节至不同比例，满足了多种气液比及流速工况下的段塞流特性实验；

2、本发明高速摄像机可以同步捕捉实验测试管段的振动和管内段塞流的流动图像，实现了无干扰、非介入同步测试；

3、本发明的标定件个数可按实际管线振动激发的模态适当整加，总个数不低于五个。

附图说明

图1为本发明实验装置流程图；

图2为标定件三视图；

图3为固定压板三视图。

其中：1、气泵；2、储气罐；3、进气阀；4、球形气体流量计；5、水箱；6、水泵；7、进液阀；8、液体电磁流量计；9、进液管压力传感器；10、进气管压力传感器；11、混合前支管压力数据存储器；12、Y形三通；13、底端固定压板；14、顶端固定压板；15、标定件A；16、标定件B；17、标定件C；18、标定件D；19、标定件E；20、悬挂透明管；21、顶端压力传感器；22、跨中压力传感器；23、底端压力传感器；24、测试管段压力数据存储器；25、仰视高速摄像机；26、正视高速摄像机；27、采集终端；28、黑色圆形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

如图1所示，一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置由供气系统、供液系统、实验测试管段、数据采集系统四部分组成。供气系统由气泵1、储气罐2、进气阀3、球形气体流量计4组成，并通过输气管线依次连通。气泵1将压缩后的空气泵入储气罐2内，以获得稳定的气流，储气罐2出口设置进气阀3以调节流量，由球形气体流量计4监测气体流量。

供液系统由水箱5、水泵6、进液阀7、液体电磁流量计8组成，并通过输液管线依次连通。水箱5储存足量的供实验循环的液体，水泵6从水箱5中抽吸液体泵入下游管线，水泵6出口设进液阀7调节流量，由液体电磁流量计8监测液体流量。

输气管线末端与输液管线末端通过Y形三通12连接至下游管线。Y形三通12出口经一段水平管路后与实验测试管段相接，以保证气液两相流充分发展，避免在实验测试管段入口产生端口效应。

实验测试管段由一段悬挂透明管20和套在其外侧均匀分布的五个标定件组成，五个标定件由下至上分别为标定件A15、标定件B16、标定件C17、标定件D18、标定件E19，悬挂透明管20的上、下端分别由顶端固定压板14和底端固定压板13固定。标定件为边长D₁的正方体，中间开有直径为D₂的圆柱形通孔，正方体四个侧面涂有直径为D₃的黑色圆形28。气液两相流从悬挂透明管20底端流入，由上端流出。实验测试管段经管线连接至水箱5上方，且水箱5上方管线出口高于液面，以实现气液分离。液体落入水箱5，构成循环回路。

数据采集系统由仰视高速摄像机25、正视高速摄像机26、五个压力传感器、两个压力数据存储器和采集终端27组成。仰视高速摄像机25安装在实验测试管段下侧，用于拍摄实验测试管段的横向振动；正视高速摄像机26正对实验测试管段，用于测试其纵向和垂向振动。进气管压力传感器10和进液管压力传感器9分别安装在输气管线末端和输液管线末端，用于监测混合前输气管线和输液管线的压力；进气管压力传感器10和进液管压力传感器9连接混合前支管压力数据存储器11，以储存监测数据。实验测试管段上安有三个压力传感器（底端压力传感器23、跨中压力传感器22、顶端压力传感器21），分别位于测试管段底端、中段和顶端，用于监测悬挂透明管20内流体在不同位置的压力变化；三个压力传感器连接测试管段压力数据存储器24，以储存监测数据。高速摄像机拍摄的视频图像和压力数据存储器储存的数据统一储存于采集终端27，用于处理分析。

其中，所述的标定件圆柱形通孔直径D₂等于实验测试管段直径D，标定件边长D₁等于1.2D，标定件侧面黑色圆形28直径D₃等于D。

利用上述的监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置可以提供一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验方法。调节高速摄像机景深和光圈，使其可以清晰辨认五个标定件的黑色圆形28。在水箱5中加入染色剂，使液体染色，提高气液对比度。打开气泵1、水泵6，调节进气阀3和进液阀7，使实验测试管段内出现稳定的段塞流。同时启动两台高速摄像机和五个压力传感器，同步捕捉标定件黑色圆形28的位移和监测五个压力测试点的压力。监测足够长时间后，停止监测。高速摄像机按一定时间间隔记录了实验测试管段的图像，每一帧图片都可以辨识管内段塞位置、尺寸以及标定件上黑色圆形28的位置。利用标定件黑色圆形28的实际直径和其在图像上所占的像素单元，可以将图像尺寸与实际尺寸关联，由此得到每帧图像对应的段塞实际长度、位置及标定件黑色圆形28的圆心位置。按时间序列将每帧图像处理后，可得到段塞的运移速度和标定件黑色圆形28圆心的位移响应。由五个标定件黑色圆形28圆心的位移数值，可以得到对应实验测试管段五个不同位置的振动情况。

通过调整进气阀3和进液阀7，可以控制管内气液两相流的气液比，便于开展多种气液比及流速工况下的段塞流特性实验。标定件个数可按实际管线振动激发的模态适当整加，但总个数不低于五个，以较好地反映整个实验测试管段的振动响应情况。

Claims (3)

1.一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置，其特征在于：由供气系统、供液系统、实验测试管段、数据采集系统四部分组成；供气系统由气泵（1）、储气罐（2）、进气阀（3）、球形气体流量计（4）组成，并通过输气管线依次连通；供液系统由水箱（5）、水泵（6）、进液阀（7）、液体电磁流量计（8）组成，并通过输液管线依次连通；输气管线末端与输液管线末端通过Y形三通（12）连接至下游管线，Y形三通（12）出口经一段水平管路后与实验测试管段相接；实验测试管段由一段悬挂透明管（20）和套在其外侧均匀分布的五个标定件组成，悬挂透明管（20）两端由固定压板固定，实验测试管段经管线连接至水箱（5）上方，且水箱（5）上方管线出口高于液面；数据采集系统由仰视高速摄像机（25）、正视高速摄像机（26）、五个压力传感器、两个压力数据存储器和采集终端（27）组成；进气管压力传感器（10）和进液管压力传感器（9）分别安装在输气管线末端和输液管线末端，并连接混合前支管压力数据存储器（11）；实验测试管段上安有三个压力传感器，分别位于测试管段底端、中段和顶端，三个压力传感器连接测试管段压力数据存储器（24）；高速摄像机拍摄的视频图像和压力数据存储器储存的数据统一储存于采集终端（27）。

2.如权利要求1所述的一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置，其特征在于：标定件为边长D₁的正方体，中间开有直径为D₂的圆柱形通孔，正方体四个侧面涂有直径为D₃的黑色圆形28；标定件圆柱形通孔直径D₂等于实验测试管段直径D，标定件边长D₁等于1.2D，标定件侧面黑色圆形28直径D₃等于D。

3.利用如权利要求1所述的监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置可以提供一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验方法，其特征在于：调节高速摄像机景深和光圈，使其清晰辨认五个标定件的黑色圆形（28）；在水箱（5）中加入染色剂，使液体染色，提高气液对比度；打开气泵（1）、水泵（6），调节进气阀（3）和进液阀（7），使实验测试管段内出现稳定的段塞流；同时启动两台高速摄像机和五个压力传感器，同步捕捉标定件黑色圆形（28）的位移和监测五个压力测试点的压力；监测足够长时间后，停止监测；高速摄像机按一定时间间隔记录了实验测试管段的图像，每一帧图片都可以辨识管内段塞位置、尺寸以及标定件上黑色圆形（28）的位置；利用标定件黑色圆形（28）的实际直径和其在图像上所占的像素单元，可以将图像尺寸与实际尺寸关联，由此得到每帧图像对应的段塞实际长度、位置及标定件黑色圆形（28）的圆心位置；按时间序列将每帧图像处理后，可得到段塞的运移速度和标定件黑色圆形（28）圆心的位移响应；由五个标定件黑色圆形（28）圆心的位移数值，可以得到对应实验测试管段五个不同位置的振动情况。