CN104990686B - 垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置，包括海底管道模型、横向试验支持架、拖车、应变采集仪和计算机，海底管道模型的两端设有与横向试验支持架连接的端部支撑装置，其中部设有多跨支撑装置，多跨支撑结构包括支持柱，支持柱的底部设有可拆式孔板，可拆式孔板包括第一、二半环板，位于支持柱的下方两侧与横向试验支持架之间分别设有斜拉钢丝绳，斜拉钢丝绳上连接有拉力张紧器；导线和拉力传感器与应变采集仪联接。本发明最大限度的减小了多跨支撑结构对流场的干扰。支持住两端通过钢丝绳和拉力张紧器固定，增强了多跨支撑的稳定性。同时多跨支撑的实现不会对流场产生过多扰动，更符合于工程实际。

Description

垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体地说，涉及的是一种垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动抑制试验装置。

背景技术

随着陆地石油资源日益匮乏，海洋油气资源的开发得到了迅猛发展，海底管线的数量逐年增多。由于海底地形复杂，环境恶劣，海底管道不可避免的形成了悬跨段，甚至多跨段。海水流过悬跨管道时，管道后缘将产生交替的漩涡脱落，当漩涡脱落频率与管道自振频率相近时，管道的振动将迫使漩涡脱落频率固定在管道自振频率附近，从而发生“锁定”现象。管道的涡激振动和“锁定”现象是导致管道失稳和疲劳破坏的主要因素。

目前，国内外许多科研工作者正在进行海底管道涡激振动及抑制的研究，其中模型试验方法是目前最重要的研究方法之一。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象及其主要特征，获得较为可靠的试验结果。试验结果可用来效验理论和数值模型的精度。通过试验测试的方式可以更好的探究垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动及其抑制机理，为工程实际积累经验。海底管道涡激振动研究对于海洋石油的开采中的工程安全具有重要意义。

经过对现有技术文献的调研发现，现阶段多跨管道涡激振动的研究开展还很不充分，试验方面的研究远滞后于工程实际的需求。挪威的MARINTEK研究机构在2000年到2003年期间开展了部分多跨管道的涡激振动试验，并进一步完善了规范DNV-RP-F105(2006),在2002年召开的21界海洋离岸及极地工程国际会议上的文章“VIV response of long freespanning pipelines”(长自由悬跨管道涡激振动响应研究)详细介绍了试验细节，采用线性弹簧模拟多段悬跨的支撑作用，增加了对来流流场的扰动。

发明内容

本发明针对多跨管道试验研究存在的难点和不足，提供了研究多跨管道涡激振动抑制的试验装置，能够模拟海底悬跨管道跨中的边界条件，开展垂直均匀来流多跨管道涡激振动试验研究，探究其涡激振动发生机理及振动抑制，为工程实际提供参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置，包括海底管道模型、横向试验支持架、拖车、应变采集仪和计算机，所述海底管道模型的一端设有第一端部支撑装置，所述海底管道模型的另一端设有第二端部支撑装置，所述海底管道模型的中部设有多跨支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述多跨支撑装置的顶部与所述横向试验支持架的中部连接；所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海底管道模型包括若干条导线和一薄壁铜管，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设有相互紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，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电阻应变片，所述电阻应变片通过接线端子与所述导线相连，每条导线与所述薄壁铜管的一端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架包括主体横梁，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部与所述主体横梁的一端连接，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有一个通孔；通孔内设有一个万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海底管道模型中的第一圆柱接头连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部与所述主体横梁的另一端连接，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有一个管道安装通孔，所述第二支撑板的外侧设有一个滑轮，所述第二支撑板上位于所述滑轮的下方设有一钢丝绳过孔；所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有一个拉力传感器，所述拉力传感器的另一端依次连接有拉力张紧器和拉力弹簧；自所述海底管道模型中的第二圆柱接头，穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过滑轮至拉力弹簧的另一端连接有钢丝绳；所述钢丝绳和所述海底管道模型的轴线在同一平面内，该平面与来流方向垂直；所述多跨支撑结构包括支持柱，所述支持柱上设有用于与横向试验支持架连接的连接板，所述支持柱的底部设有可拆式孔板，所述可拆式孔板包括第一半环板和第二半环板，所述第一半环板与所述支持柱为一体结构，所述第一半环板和第二半环板对接后用螺丝固定；位于所述支持柱的下方两侧与所述横向试验支持架之间分别设有斜拉钢丝绳，所述斜拉钢丝绳上连接有拉力张紧器；所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动抑制的试验中多跨支撑的施加问题。本发明中的支持柱为翼型，最大限度的减小了多跨支撑结构对流场的干扰。支持住两端通过钢丝绳和拉力张紧器固定，增强了多跨支撑的稳定性。同时多跨支撑的实现不会对流场产生过多扰动，更符合于工程实际。同时本发明的设计精巧简单，便于加工、安装及拆解，造价低廉，是研究垂直均匀来流多跨海底管道涡激振动必不可少的试验装备，具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置结构示意图；

图2-1是本发明中海底管道模型为裸管的结构示意图；

图2-2是本发明中带有螺旋列板的海底管道模型示意图；

图3是图1中所示横向试验支持架的俯视图；

图4是图3所示横向试验支持架的右视图；

图5是图1中所示支撑板的结构示意图；

图6是图1中所示导流板的结构示意图；

图7是图1中所示第一、第二端部支撑装置与海底管道模型连接部分示意图；

图8是图1中所示多跨支撑结构主视图；

图9是图8所示多跨支撑结构侧视图；

图10是图9中所示可拆式孔板中第一半环板结构示意图；

图11是图9中所示可拆式孔板中第二半环板结构示意图；

图12是图9中所示可拆式孔板俯视图；

图13是图10中C-C剖视图；

图14是图11中D-D剖视图；

图15是本发明中横向试验支持架与拖车位置的俯视图；

图16是图15所示横向试验支持架与拖车位置的右视图；

图17是带有抑制装置的多跨海底管道模型整体示意图。

图中：

1-海底管道模型 2-第一端部支撑装置 2’-第二端部支撑装置

3-横向试验支持架 4-多跨支撑结构 5-第一圆柱接头

6-第二圆柱接头 7-销钉 8-薄壁铜管

9-斜撑管 10-万向联轴节 11-第一导流板

11’-第二导流板 12-加强架 13-第一支撑管

13’-第二支撑管 14-第一支撑板 14’-第二支撑板

15-万向联轴节螺丝 16-滑轮 17-钢丝绳

18-导流板固定螺丝 19-拉力弹簧 20-拖车

21-支持柱 22-连接板 23-可拆式孔板

24-拉力张紧器 25-钢丝绳连接螺母 26-拉力传感器

27-螺旋列板

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所示，本发明一种垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置，包括海底管道模型1、横向试验支持架3、拖车20、应变采集仪和计算机。海底管道模型1两端分别由第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2’支持，海底管道模型1的中部由多跨支撑结构支持，即，所述海底管道模型1的一端设有第一端部支撑装置2，所述海底管道模型1的另一端设有第二端部支撑装置2’，所述海底管道模型1的中部设有多跨支撑装置，所述第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2’的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述多跨支撑装置的顶部与所述横向试验支持架3的中部连接；图15和图16示出了横向试验支持架与拖车的位置，所述横向试验支持架3通过螺栓固定于所述拖车20的底部，所述拖车由动力系统、刹车系统、控制系统等组成。拖车为横向试验支持架和部分测量分析系统的载体。

所述海底管道模型1可以是裸管结构的也可以是带有螺旋列板结构的，若为裸管结构的，该海底管道模型1包括若干条导线和一薄壁铜管8，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8的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管8的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热塑管55和一层硅胶管56，所述薄壁铜管8与所述热塑管55之间设有多片用于采集应变的电阻应变片53，所述电阻应变片53通过接线端子与所述导线相连，每条导线与所述薄壁铜管8的一端或分别与所述薄壁铜管8的两端固定；所述薄壁铜管8的一端通过销钉7连接有第一圆柱接头5，所述薄壁铜管8的另一端通过销钉7连接有第二圆柱接头6，第一圆柱接头5的直径小于第二圆柱接头6的直径；若所述海底管道模型1是带有螺旋列板27的，其结构是在上述裸管结构的基础上，在硅胶管56的外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带57，在硅胶管56表面粘接的硅胶带57起到螺旋列板的作用，因此，所述硅胶带57的横断面与试验管道螺旋列板27的横断面的形状相同。图2-1是示出了海底管道模型为裸管的结构示意图；图2-2是示出了带有螺旋列板的海底管道模型；图16示出了本发明中海底管道模型的层次结构。

如图3和图4所示，所述横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上。所述主体横梁由长方形截面钢管和若干方形截面钢管构成，横向试验支持架顶部通过槽钢与拖车相连，主体横梁内部安装薄壁木箱，薄壁木箱内放置有长方体浮桶。

如图1和图7所示，所述第一端部支撑装置2包括竖直方向的第一支撑管13，所述第一支撑管13的顶部与所述主体横梁的一端连接，在第一支撑管13和横向试验支持架组成的平面上施加斜撑管9，即在所述第一支撑管13的内侧与主体横梁上之间连接有斜撑管9，所述第一支撑管13的底部连接有第一支撑板14，如图5所示，所述第一支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板14平行的第一导流板11，所述第一导流板11为塑料板，所述第一导流板11上设有加强架12，加强架12的材料为薄铁板条，如图6所示，所述第一支撑板14、第一导流板11和加强架12之间采用螺丝固定在一起。所述第一导流板11的下部设有一个通孔；通孔内设有一个万向联轴节10，所述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15固定在第一支撑板上，所述万向联轴节10的另一端与所述海底管道模型1中的第一圆柱接头5连接。所述第二端部支撑装置2’包括竖直方向的第二支撑管13’，所述第二支撑管13’的顶部与所述主体横梁的另一端连接，在第二支撑管13’和横向试验支持架组成的平面上施加斜撑管9，即在所述第二支撑管13’的内侧与主体横梁上之间连接有斜撑管9；所述第二支撑管13’的底部连接有第二支撑板14’，所述第二支撑板14’的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板14’平行的第二导流板11’，所述第二导流板11’为塑料板，所述第二导流板11’上设有加强架12，所述第二支撑板14’、第二导流板11’和加强架12之间采用螺丝固定在一起。所述第二导流板11’的下部设有一个管道安装通孔，所述第二支撑板14’的外侧设有一个滑轮16，所述第二支撑板14’上位于所述滑轮的下方设有一钢丝绳过孔。所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置2’的连接端一侧连接有一个拉力传感器26，所述拉力传感器26的另一端依次连接有拉力张紧器24和拉力弹簧19；自所述海底管道模型中的第二圆柱接头6，穿过第二支撑板14’上的钢丝绳过孔后绕过滑轮16至拉力弹簧的另一端连接有钢丝绳17；所述钢丝绳17和所述海底管道模型1的轴线在同一平面内，该平面与来流方向垂直。本发明中，第一支撑板14、第二支撑板14’的材料为钢板，并用角铁做三角形加强，如图5所示。

如图8、图9和图12所示，所述多跨支撑结构由支持柱21、连接板22、钢丝绳、拉力张紧器24等构成，所述支持柱21采用扁钢制作，该支持柱21为多跨支撑结构的主体构件，可以设有两块连接板22，分别设置在支持柱21的顶部和上部用于将支持柱21与横向试验支持架3连接起来，连接板22两侧开有长槽，带有螺母的丝杠可以穿过长槽并穿入横向试验支持架3的孔中，以此可将多跨支撑结构4和横向试验支持架3相连，并可调节多跨支撑结构4的水平高度。如图1所示，位于所述支持柱21的中下部两侧与所述横向试验支持架3之间分别设有斜拉的钢丝绳，斜拉的钢丝绳上连接有拉力张紧器，即在支持柱21的中下部两侧各设有一个钢丝绳连接螺母25，如图9所示，钢丝绳可以穿该螺母孔中连接拉力张紧器24后并与横向试验支持架3相连，通过调节所述支持柱21两侧的拉力张紧器24的张力可以调整多跨支撑结构4的垂直度，并使多跨支撑结构4稳固。支持柱21中下部的横截面为翼型，如图12、图13和图14所示，所述支持柱21的底部设有可拆式孔板23，该可拆式孔板23用于支撑海底管道模型，该可拆式孔板23的结构如图10和图11所示，所述可拆式孔板23包括第一半环板和第二半环板，图13示出了第一半环板的结构，图14示出了第二半环板的结构，所述第一半环板与所述支持柱21为一体结构，所述第一半环板和第二半环板可以扣合对接后用螺丝固定，从而在板体上组成一个完整的圆孔，如图9所示。安装海底管道模型1前将所述第一半环板和第二半环板拆开，将海底管道模型拖入第一半环板的半圆孔中，然后将第二半环板安装在第一半环板上，即可模拟简支梁支撑条件。

本发明中的部分测量分析系统包括：电阻应变片、接线端子、导线、拉力传感器、接线装置、应变采集仪和计算机等构成。电阻应变片连接接线端子，接线端子连接导线，导线连接应变采集仪，拉力传感器连接应变采集仪，应变采集仪连接电子计算机。导线从管道模型的一侧全部引出。另一侧没有导线引出，这么做的目的是方便与采集仪连接。

以下介绍本实施例装置的制作和安装过程：在试验前，先根据拖曳水池的尺度，拖车20的速度，试验工况的具体情况和试验的经济性，得到海底管道模型1的具体尺度。根据海底管道模型1的尺度、拖车20的尺度以及试验工况的具体情况和经济性，确定横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2，2’，多跨支撑结构4的材料和尺度。

制作海底管道模型1、横向试验支持架3、第一、第二端部支撑装置2，2’、多跨支撑结构4这些装置。测量分析系统的各仪器设备可取相应市场购买。

以带有抑制结构的海底管道模型为例，其制造过程如下：首先沿铜管轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线，确定电阻应变片粘贴位置。将铜管两端分别装上粗圆柱接头和细圆柱接头。去除电阻应变片粘贴位置铜管表面的氧化层，粘贴电阻应变片，前后电阻应变片互成一对，上下电阻应变片互成一对，均采用半桥接法，并通过接线端子连接导线，其中用薄胶带将电阻应变片同接线端子连接的金属细丝与铜管表面隔开，以实现绝缘，在电阻应变片粘贴处涂适量硅橡胶，以达到保护和防水的目的，引出各位置的导线至铜管一端并用薄胶带将导线沿铜管轴线方向固定，然后在铜管外侧套上若干层热塑管(使其外表面与硅胶管内表面紧密接触)，在热塑管外侧套上一层硅胶管(若海底管道为裸管结构，至此已完成制作)。在管一侧确定粘接起点并围绕硅胶管画圆，结合螺距，将单位螺距等分为若干段，然后使用螺旋线标记定位环确定螺旋线位置，重复上述步骤完成整个管的螺旋线定位工作。再使用螺旋线粘接工具粘接硅胶条，然后处理干净硅胶管上未粘接硅胶条处的硅胶。最后在模型两端涂适量硅橡胶防止模型进水。

将横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2，2’，多跨支撑结构4安装好，将海底管道模型1两端固定在第一、第二端部支撑装置2’上，海底管道模型1中部相应位置固定在多跨支撑结构4上。将海底管道模型1一端或两端引出的导线沿第一或第二端部支撑装置2’或分别沿第一、第二端部支撑装置2，2’延伸至横向试验支持架3的一端或两端，将整个试验装置置于拖车20底部，用拖车20上部的吊机将试验装置吊起并安装在拖车20上。调节连接在横向试验支持架3端部的拉力张紧器24使端部拉力达到试验工况所需要的值。拉力传感器26和导线与应变仪连接，应变仪连接计算机，计算机内部安装有相应的数据采集分析软件。

所有仪器装置安装完毕后，需要进行调试。调试完毕后，可按工况及试验技术要求进行试验。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (4)

1.一种垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置，包括海底管道模型(1)、横向试验支持架(3)、拖车、应变采集仪和计算机，其特征在于，所述海底管道模型(1)的一端设有第一端部支撑装置，所述海底管道模型(1)的另一端设有第二端部支撑装置，所述海底管道模型(1)的中部设有多跨支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述多跨支撑装置的顶部与所述横向试验支持架(3)的中部连接；所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；

所述海底管道模型(1)包括若干条导线和一薄壁铜管(8)，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(8)的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管(8)的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热塑管(55)和一层硅胶管(56)，所述薄壁铜管(8)与所述热塑管(55)之间设有多片用于采集应变的电阻应变片(53)，所述电阻应变片(53)通过接线端子与所述导线相连，每条导线与所述薄壁铜管(8)的一端或分别与所述薄壁铜管(8)的两端固定；所述薄壁铜管(8)的一端通过销钉(7)连接有第一圆柱接头(5)，所述薄壁铜管(8)的另一端通过销钉(7)连接有第二圆柱接头(6)；

所述横向试验支持架(3)包括主体横梁，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；

所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管(13)，所述第一支撑管(13)的顶部与所述主体横梁的一端连接，所述第一支撑管(13)的底部连接有第一支撑板(14)，所述第一支撑板(14)的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板(14)平行的第一导流板(11)，所述第一导流板(11)的下部设有一个通孔；通孔内设有一个万向联轴节(10)，所述万向联轴节(10)的一端通过万向联轴节螺丝(15)固定在第一支撑板上，所述万向联轴节(10)的另一端与所述海底管道模型(1)中的第一圆柱接头(5)连接；

所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管(13’)，所述第二支撑管(13’)的顶部与所述主体横梁的另一端连接，所述第二支撑管(13’)的底部连接有第二支撑板(14’)，所述第二支撑板(14’)的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板(14’)平行的第二导流板(11’)，所述第二导流板(11’)的下部设有一个管道安装通孔，所述第二支撑板(14’)的外侧设有一个滑轮(16)，所述第二支撑板(14’)上位于所述滑轮的下方设有一钢丝绳过孔；

所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有一个拉力传感器(26)，所述拉力传感器(26)的另一端依次连接有拉力张紧器(24)和拉力弹簧(19)；自所述海底管道模型中的第二圆柱接头(6)，穿过第二支撑板(14’)上的钢丝绳过孔后绕过滑轮(16)至拉力弹簧的另一端连接有钢丝绳(17)；所述钢丝绳(17)和所述海底管道模型(1)的轴线在同一平面内，该平面与来流方向垂直；

所述多跨支撑结构包括支持柱(21)，所述支持柱(21)上设有用于与横向试验支持架(3)连接的连接板(22)，所述支持柱(21)的底部设有可拆式孔板(23)，所述可拆式孔板(23)包括第一半环板和第二半环板，所述第一半环板与所述支持柱(21)为一体结构，所述第一半环板和第二半环板对接后用螺丝固定；位于所述支持柱(21)的下方两侧与所述横向试验支持架之间分别设有斜拉钢丝绳，所述斜拉钢丝绳上连接有拉力张紧器；

所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

2.根据权利要求1所述垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置，其特征在于，所述海底管道模型(1)的硅胶管(56)外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带(57)，所述硅胶带(57)的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同。

3.根据权利要求1所述垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置，其特征在于，所述第一支撑管(13)的内侧与主体横梁上之间及所述第二支撑管(13’)的内侧与主体横梁上之间均分别连接有斜撑管(9)。

4.根据权利要求1所述垂直均匀来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置，其特征在于，所述第一导流板(11)和第二导流板(11’)均为塑料板，所述第一导流板(11)和所述第二导流板(11’)上分别设有加强架(12)。