CN105157941A - 倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、应变采集仪和计算机，海洋立管模型的两端设有与横向试验支持架连接的端部支撑装置，横向试验支持架固定于拖车的底部；海洋立管模型包括若干条导线和一薄壁铜管，薄壁铜管外依次设有若干层热塑管和一层硅胶管，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，导线和拉力传感器与应变采集仪联接，应变采集仪与计算机连接。本发明可实现更加贴近于海洋工程实际的倾角来流条件，并可完成不同排布的立管束涡激振动，弥补了学术界在这方面的不足，同时本发明装置设计制作简单，安装方便，容易推广，并且造价低廉。

Description

倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置

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，涉及的是一种倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置。

背景技术

随着经济迅速发展，生产力的提高，能源消耗越来越大，我国由原来的石油出口国变为进口国。石油已成为制约我国经济发展的瓶颈，海洋石油开发是世界能源开发的重要领域。立管系统是深海石油开采系统中不可缺少的关键部分。立管连接了海底油气田和海上作业平台，使海上作业平台可以进行钻探、导液、导泥等工作。随着油气开采向深海进军，立管的作业水深也越来越大，在深水区域，波浪和海面船体运动对立管造成的损伤逐渐减弱，但海流成为了造成立管损伤的主要因素。海流的作用水深范围很大，当海流经过海洋立管时，立管后缘将产生交替的漩涡脱落，当漩涡脱落频率与立管自振频率相近时，立管的振动将迫使漩涡脱落频率固定在立管自振频率附近，从而发生“锁定”现象。另外海洋立管并不是单独作业，在实际的工程应用中，多根立管会组成立管束共同作业，因此探究多根立管涡激振动具有重要的理论和现实意义。

目前，学术界对涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。特别是针对立管束的情况，倾角均匀来流条件深海立管束涡激振动特性还不得而知。

研究倾角均匀来流条件下深海张紧式立管束涡激振动的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的了解涡激振动主要特征，以及采用何种方式的抑制措施对来流的倾角条件下立管束涡激振动的抑制效果，为工程实际积累经验。

经过对现有的技术文献调研发现，国内外对于倾角均匀来流条件下深海张紧式立管束涡激振动试验研究非常少，主要原因是如何设计试验装置及如何实现多根立管的排布方式，本发明将以两根立管为例进行阐述。

发明内容

本发明针对倾角均匀来流条件带有抑制装置的深海张紧式立管束涡激振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究倾角来流下立管束涡激振动或涡激振动抑制的试验装置，能够模拟有倾角的来流，对深海张紧式立管束开展试验研究，探究倾角来流条件深海立管束涡激振动发生机理及抑制措施，为工程实际提供参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，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，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管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，所述导线的两端与所述薄壁铜管的两一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，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；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连接有水平布置的第一角度板，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多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型的数量和安装位置相同；每个通孔内分别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洋立管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连接有水平布置的第二角度板，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多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板或补贴板，所述角度卡板上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板，每套角度卡板上的立管安装孔的轴线与角度卡板厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有多个滑轮，所述滑轮的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块，所述滑轮座垫块为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块，每套滑轮座垫块上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；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个数与滑轮个数相同与拉力传感器一端连接的固定结构，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；分别自每个海洋立管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；所述钢丝绳和与之连接的海洋立管模型的轴线在同一平面内；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：

本发明设计了倾角均匀来流条件深海立管束涡激振动试验装置，可实现更加贴近于海洋工程实际的倾角来流条件，并可完成不同排布的立管束涡激振动，弥补了学术界在这方面的不足，同时本发明装置设计制作简单，安装方便，容易推广，并且造价低廉。

附图说明

图1是本发明中没有抑制结构的立管束涡激振动试验装置的结构示意图；

图2是本发明中没有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图3是本发明中带有抑制结构的立管束涡激振动试验装置的结构示意图；

图4是本发明中带有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图5是图1中所示支撑板14结构示意图；

图6是图1中所示导流板11的结构示意图；

图7是横向试验支持架结构俯视图；

图8是图7所示横向试验支持架的右视图；

图9是角度盘的结构示意图；

图10是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；

图11是图10所示横向试验支持架与拖车相互位置一的右视图；

图12-1横向试验支持架与拖车相互位置二的俯视图；

图12-2是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；

图12-3是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；

图13-1是图12-1所示状态下立管束与来流之间倾角示意图；

图13-2是图12-2所示状态下立管束与来流之间倾角示意图；

图13-3是图12-3所示状态下立管束与来流之间倾角示意图；

图14-1是滑轮垫块的主视图；

图14-2是图14-1所示滑轮垫块的左视图；

图14-3是图14-1所示滑轮垫块的俯视图；

图15是带有螺旋列板抑制装置的海洋立管模型结构示意图。

图中：

1-海洋立管模型2-第一、第二端部支撑装置3-横向试验支持架

4-角度盘5-第一圆柱接头6-第二圆柱接头

7-销钉51-薄壁铜管9-斜撑管

10-万向联轴节11-第一、第二导流板12-加强架

13-第一、第二支撑管14-第一、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-弹簧20-拖车21-角度板

22-角度卡板23-滑轮垫块24-拉力张紧器

25-拉力传感器26-补贴板27-硅胶带(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，本发明以两根立管的排布为例，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和图3所示，本发明提出的一种倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置，包括海洋立管模型1、横向试验支持架3、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型1的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型1的另一端设有第二端部支撑装置，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，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部，所述拖车包括动力系统、刹车系统和控制系统。

所述海洋立管模型1可以是裸管，如图2所示；也可以是带有抑制结构的，如图4所示。如图15所示，若海洋立管模型1是裸管，它包括若干条导线和一薄壁铜管51，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51的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管51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51与所述热塑管55之间设有多片用于采集应变的应变片53，所述应变片53通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管51的一端或分别与所述薄壁铜管51的两端固定；所述薄壁铜管51的一端通过销钉7连接有第一圆柱接头5，所述薄壁铜管51的另一端通过销钉7连接有第二圆柱接头6。若海洋立管模型1是带有抑制结构的，则在上述裸管的基础上，在所述硅胶管56外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带27，所述硅胶带27的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同。

如图7和图8所示，所述横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘21；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；

如图1和图3所示，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的顶部连接有水平布置的第一角度板21，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的下部设有多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型的数量和安装位置相同；每个通孔内分别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的另一端与所述海洋立管模型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的顶部连接有水平布置的第二角度板21，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的下部设有多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板22或补贴板26，如图6所示，所述角度卡板22上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板22，每套角度卡板22上的立管安装孔的轴线与角度卡板22厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；

所述第二支撑板14的外侧设有多个滑轮16，所述滑轮的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮16的滑轮座与第二支撑板14之间设有滑轮座垫块23，所述滑轮座垫块23为楔形块，所述第二支撑板14上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块23，每套滑轮座垫块23上的斜面与第二支撑板14接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度。

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；所述第一导流板和第二导流板均为塑料板，所述第一导流板和所述第二导流板上分别设有加强架12。

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个数与滑轮个数相同与拉力传感器25一端连接的固定结构，所述拉力传感器的另一端依次连接有拉力张紧器24和拉力弹簧19；分别自每个海洋立管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和与之连接的海洋立管模型1的轴线在同一平面内。

本发明中，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。

以下介绍本发明中倾角均匀来流条件立管束涡激振动试验装置的制作、安装和试验过程：

在试验前，先根据拖曳水池的尺度，拖车的速度，试验工况的具体情况和试验的经济性，确定海洋立管模型的具体尺度。根据海洋立管模型的尺度、拖车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，第一和第二端部支撑装置的材料和尺度。

以带有抑制结构的海洋立管模型为例，其制造过程如下：

取外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管，在平台平面上沿薄壁铜管的轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线，确定应变片的粘贴位置。将薄壁铜管的两端分别装上(较为粗的)第一圆柱接头和(较为细的)第二圆柱接头。去除应变片粘贴位置铜管表面的氧化层，粘贴应变片，前后应变片互成一对，上下应变片互成一对，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薄壁铜管的一端或两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(至此，完成了裸管的制作)。从管的左侧开始，将一个螺距分为若干份，在每个位置使用螺旋线标记定位环确定出螺旋线位置，使用螺旋线粘接定位环粘接三条硅胶条，处理硅胶管未粘接硅胶条位置的硅胶，使硅胶条表面干净光滑整洁，最后在模型两端涂适量硅橡胶防止模型进水，从而形成如图15所示的海洋立管模型。

将横向试验支持架3，第一和第二端部支撑装置2安装好，转动第一和第二端部支撑装置2使其顶部的角度板21与横向试验支持架3中的角度盘4中相应的角度对应，即使导流板11与来流方向保持平行。确定海洋立管模型1之间的间距，将相应的角度卡板22安装在导流板11的相应的长方形豁口中，导流板11剩余的豁口用补贴板26补平，并将相应角度的滑轮垫块23安装在有钢丝绳17通过那侧的第二支撑板14上，然后把滑轮16安装在滑轮垫块23上。

将海洋立管模型1两端固定在第一、第二端部支撑装置2上。把海洋立管模型1两端引出的导线沿第一或第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的一端或分别沿第一和第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的两端。将上述连接好的海洋立管模型1、横向试验支持架3和第一、第二端部支撑装置吊入拖曳水池中，让其漂至拖车底部，用拖车上部的吊机将其吊起，并使其与拖车呈相应角度(15度、30度、45度)安装在拖车上，如图10、图11、图12-1、图12-2、图12-3所示。调节拉力张紧器24使端部拉力达到试验工况所需的大小。拉力传感器25和横向试验支持架3中部的导线与作为采集系统的应变采集仪连接，应变采集仪连接计算机，计算机内部安装有相应的数据采集分析软件。

整个装置安装完毕后，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)

1.一种倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置，包括海洋立管模型(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，所述海洋立管模型(1)的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型(1)的另一端设有第二端部支撑装置，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，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；

所述海洋立管模型(1)包括若干条导线和一薄壁铜管(51)，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(51)的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管(51)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(51)与所述热塑管(55)之间设有多片用于采集应变的应变片(53)，所述应变片(53)通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管(51)的一端或分别与所述薄壁铜管(51)的两端固定；所述薄壁铜管(51)的一端通过销钉(7)连接有第一圆柱接头(5)，所述薄壁铜管(51)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，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘(21)；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)的顶部连接有水平布置的第一角度板(21)，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)的下部设有多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型的数量和安装位置相同；每个通孔内分别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)的另一端与所述海洋立管模型(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)的顶部连接有水平布置的第二角度板(21)，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)的下部设有多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板(22)或补贴板(26)，所述角度卡板(22)上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板(22)，每套角度卡板(22)上的立管安装孔的轴线与角度卡板(22)厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；

所述第二支撑板(14)的外侧设有多个滑轮(16)，所述滑轮的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮(16)的滑轮座与第二支撑板(14)之间设有滑轮座垫块(23)，所述滑轮座垫块(23)为楔形块，所述第二支撑板(14)上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块(23)，每套滑轮座垫块(23)上的斜面与第二支撑板(14)接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；

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个数与滑轮个数相同与拉力传感器(25)一端连接的固定结构，所述拉力传感器的另一端依次连接有拉力张紧器(24)和拉力弹簧(19)；分别自每个海洋立管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)和与之连接的海洋立管模型(1)的轴线在同一平面内；

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所述倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置，其特征在于，所述海洋立管模型(1)的硅胶管(56)外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带(27)，所述硅胶带(27)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所述倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置，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所述倾角均匀来流条件深海张紧式立管束涡激振动的试验装置，其特征在于，所述第一导流板和第二导流板均为塑料板，所述第一导流板和所述第二导流板上分别设有加强架(12)。