CN104990680A - 一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型，包括若干条特细导线和薄壁铜管，薄壁铜管外依次设有若干层热塑管、一层硅胶管和呈螺旋线状的硅胶带，薄壁铜管与热塑管之间设有多片应变片，应变片通过接线端子与导线相连，导线的两端与薄壁铜管的一端或两端固定。本发明管道模型通过内部薄壁铜管提供较大刚度，能承受较高流速，能激发高阶模态涡激振动，且测量数据真实可靠。硅胶管起到扩大管径的作用，硅胶管和硅胶条能够保证与水接触的管道表面相对光滑平整，并能起到对内部测量应变片和测量导线的防水绝缘作用；采取多位置应变采集，能够避免因某一处应变片出现异常导致收集数据不准确的状况，收集数据精确；本管道模型实用、易加工制作。

Description

一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型及其制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型及其制作方法。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，能源的消耗量与日俱增，我国已由原来的石油出口国变为进口国，如何保障我国的能源安全已成为一个重要的课题。海洋油气的开发，特别是南海深水区的油气资源开发是解决我国能源短缺的一个有效途径。海洋立管是海洋油气生产输运过程中的不可或缺装备，由于其长度与直径的比值很大，运动特性十分复杂。在一定速度的洋流中，海洋立管两侧会发生交替的旋涡脱落，产生一个周期性的可变力，使管道结构在垂直于来流方向上发生振动，结构的振动又反作用于流场，使旋涡增强，阻力增加，这种典型的流-固耦合现象称之为涡激振动(VIV)。海洋立管涡激振动会加速结构的疲劳损伤、甚至破坏，对于海洋立管等柱状结构物而言，涡激振动是工程设计以及后期运行维护必须充分考虑的关键因素。采用何种方式抑制海洋立管涡激振动一直是学术界和工程界关注的焦点，目前，国内外已深入开展了海洋立管涡激振动抑制试验研究工作，其中螺旋列板装置以其结构简单，造价低廉，抑制效果理想等优点，得到了广泛的认可与应用。然而，试验室中螺旋列板管道抑制模型的设计、制作仍然是一大难题。

经过对已有技术文献的调研发现，现阶段螺旋列板立管涡激振动抑制模型的制作材料常采用玻璃钢、金属或者聚氯乙烯，如2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Experimental investigation of vortex-induced vibration of long marinerisers”(细长海洋立管涡激振动试验研究)提出了玻璃钢材料制作的外径27mm的抑制管道模型，采用加速度传感器和光栅光纤应变传感器测量结构振动信息。2014年第44期《Applied Ocean Research》杂志中的论文“Investigation on the effectiveness ofhelical strakes in suppressing VIV of flexible riser”(螺旋列板对细长柔性立管涡激振动抑制效果试验研究)采用聚氯乙烯材质制作了外径18mm抑制管道模型，采用CCD相机测量结构整体运动特性。由于玻璃钢材料的各向异性和聚氯乙烯的蠕变特性，上述抑制管道模型仍存在很多不足，同时测量装置或者改变结构整体完整性(如采用加速度传感器，因其本身结构尺度较大，安装于抑制管上会出现局部凸起)，或者无法精确的测量运动特性(如采用CCD相机，由于水里光的折射以及水体的透明度等问题，测量误差较大)，同时采用金属材质制作抑制管模型，测量时应变传感器或者加速度传感器需直接布置于管体表面，加之大量导线，改变了结构的表面光滑的特性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型及其制作方法，这种模型设计原理简单，能够承受较高流速，能激发高阶模态涡激振动且测量数据真实可靠，制作过程操作方便。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型，包括若干条导线和薄壁铜管，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管的外表面依次向外的设有相互紧密接触的若干层热塑管、一层硅胶管和呈螺旋线状的硅胶带，所述硅胶带的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同，所述薄壁铜管与所述热塑管之间设有多片用于采集应变的应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端分别与所述薄壁铜管的一端或两端固定。

上述海洋立管涡激振动抑制试验管道模型的制作方法，步骤如下：取一外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管，测量试验用管长度，确定各应变采集位置；去除薄壁铜管上位于每片应变采集位置处的表面氧化层，采用半桥法在各应变采集位置处分别粘贴应变片，每个应变片均分别通过接线端子连接导线，每条导线的两端引至薄壁铜管的一端或两端并用薄胶带缠绕固定；在薄壁铜管上紧密地套上若干层热塑管后再紧密的套上一层硅胶管，从而形成具有复合层的裸管；在该裸管的一侧确定螺旋列板的粘接起点，在该起点处围绕裸管表面画一圆周线，根据螺旋列板的螺距和条数，在裸管的外表面上画出螺旋线，按照螺旋线的位置粘贴硅胶带，该所述硅胶带的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同；最后将管体外表面上未粘接硅胶带处的硅胶清理干净。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的管道模型有效解决了试验室中进行海洋立管涡激振动及抑制试验时保证试验用管的柔性，最外侧的硅胶管和硅胶条能够保证水接触表面相对光滑平整，硅胶管起到扩大管径的作用，根据需要可以选择不同壁厚的硅胶管，并能起到对内部测量应变片和测量导线的防水绝缘作用；

本管道模型采取多位置应变采集，能够避免因某一处应变片出现异常导致收集数据不准确的状况，收集数据精确；

本管道模型能够激发管道高阶模态，能够得到精确地试验结果；

本管道模型的测量装置仅需采用传统的电阻式应变片，相比于光栅光纤测量系统更简单，造价更低，可靠性也较好。

本管道模型实用、易加工制作。

附图说明

图1为海洋立管涡激振动抑制试验管道模型的主视图；

图2为图1所示管道模型的侧视图；

图3为海洋立管涡激振动抑制试验管道模型的立体分段解剖图。

图中：1-薄壁铜管，3-应变片，4-薄胶带，5-热塑管，6-硅胶管，7-硅胶带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1、图2和图3所示，本发明一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型，包括若干条特细的导线和薄壁铜管1，所述导线为7芯导线，所述导线的外径只有0.3mm，所述薄壁铜管1的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管1的外表面依次向外的设有相互紧密接触的若干层热塑管5、一层硅胶管6和呈螺旋线状的硅胶带7，所述硅胶带7的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同，所述螺旋状的硅胶带7既可以是单条也可以是多条，所述薄壁铜管1与所述热塑管5之间设有多片用于采集应变的应变片3，所述应变片3通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端分别与所述薄壁铜管1的一端或两端固定，优选方式是将所述导线的两端分别与所述薄壁铜管1的一端或两端固定，所述导线上靠近接线端子的裸线部分与所述薄壁铜管1之间设有薄胶带4。

上述海洋立管涡激振动抑制试验管道模型的制作方法，步骤如下：

取一外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管1，测量试验用管长度，确定各应变采集位置；去除薄壁铜管1上位于每片应变采集位置处的表面氧化层，采用半桥法在各应变采集位置处分别粘贴应变片3，每个应变片均分别通过接线端子连接一导线，其中，使用薄胶带4将导线上靠近接线端子的裸线部分与薄壁铜管表面隔开避免短路，引出与各应变片相连的每条导线的两端至薄壁铜管1的一端或两端并用薄胶带将导线和薄壁铜管1缠绕固定；在薄壁铜管1上紧密地套上若干层热塑管5，以保证热塑管5的外表面与最外侧硅胶管6的内表面接触紧密，最后在热塑管5的外侧套上一层硅胶管6，从而形成具有复合层的裸管。在该裸管的一侧确定螺旋列板的粘接起点，在该起点处围绕裸管外面表画一圆周线，根据螺旋列板的螺距和条数，在裸管的外表面上画出螺旋线，按照螺旋线的位置粘贴硅胶带7，所述硅胶带7的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同；最后将裸管外表面上未粘接硅胶带7处的硅胶清理干净。

本发明很好的保证使用薄壁铜管1做模型在水中进行涡激振动试验时，避免薄壁铜管1和水直接接触，薄壁铜管1外侧的硅胶管6间接的扩大了试验管道的外径但不影响其柔性，同时硅胶管6保证了模型表面的相对光滑和平整，粘接的硅胶条7代表涡激振动螺旋列板抑制中的螺旋列板，本管道模型制作过程所采用的粘接方式能够很好的保证螺距的准确性，使得测量结果精确可靠。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种海洋立管涡激振动抑制试验管道模型，包括若干条导线，还包括有薄壁铜管(1)，其特征在于，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管(1)的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管(1)的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热塑管(5)、一层硅胶管(6)和呈螺旋线状的硅胶带(7)，所述硅胶带(7)的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同，所述薄壁铜管(1)与所述热塑管(5)之间设有多片用于采集应变的应变片(3)，所述应变片(3)通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端分别与所述薄壁铜管(1)的一端或两端固定。

2.根据权利要求1所述海洋立管涡激振动抑制试验管道模型，其特征在于，所述螺旋状的硅胶带(7)为三条布置。

3.一种如权利要求1所述海洋立管涡激振动抑制试验管道模型的制作方法，其特征在于，步骤如下：

取一外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管(1)，测量试验用管长度，确定各应变采集位置；去除薄壁铜管(1)上位于每片应变采集位置处的表面氧化层，采用半桥法在各应变采集位置处分别粘贴应变片(3)，每个应变片均分别通过接线端子连接导线，每条导线的两端引至薄壁铜管(1)的一端或两端并用薄胶带缠绕固定；

在薄壁铜管(1)上紧密地套上若干层热塑管(5)后再紧密的套上一层硅胶管(6)，从而形成具有复合层的裸管；

在该裸管的一侧确定螺旋列板的粘接起点，在该起点处围绕裸管表面画一圆周线，根据螺旋列板的螺距和条数，在裸管的外表面上画出螺旋线，按照螺旋线的位置粘贴硅胶带(7)；

最后将管体外表面上未粘接硅胶带(7)处的硅胶清理干净。