CN105203279A - 垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型、设置在拖车底部的横向试验支持架、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机，海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，轴向力往复装置包括设置在支座上设置电机、连接杆、滑轨、滑块、偏心孔盲板、上下部滑轮，电机转动通过连接杆使滑块在滑轨上往复运动，往复运动的振幅是连接杆与偏心孔盲板上连接螺丝的偏心距，通过改变偏心距实现轴向力幅值的变化。本发明能够模拟垂直均匀的来流，对简谐变化轴向力海洋立管开展试验研究，探究其涡激振动特性及有效抑制措施，为工程实际提供参考和借鉴。

Description

垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置

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海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置

背景技术

海洋立管大多用于输送石油、天然气等易燃、易爆物品,其疲劳寿命是一个至关重要的问题,因为一旦发生破坏,将会引发严重的环境污染和次生灾害,给国计民生带来重大损失。当海流经过立管时，在立管下游产生尾流和漩涡，周期发放的漩涡促使立管产生垂直于流向的涡激升力，引起立管的涡激振动，涡激振动是立管发生破坏的关键因素之一。

海洋立管顶端一般与浮式平台连接。平台随着波浪发生升沉运动，给立管顶端一个位移时程响应，引起立管轴向力随浮体运动而发生周期性变化，从而导致立管在水平方向上发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性，加剧立管振动和疲劳破坏。

试验研究是涡激振动研究一个基础手段，可用于揭示涡激振动的发生机制、振动特性、验证并修正涡激振动预报方法等。关于细长立管涡激振动试验研究，可分为两类：一类是在天然水域进行的细长柔性立管涡激振动试验。这类试验中的立管模型一般较长，长细比最接近实际，试验流速靠船或其他装置拖动而形成。但这类试验立管模型两端的边界条件并不理想，立管外形成的相对流场受地点、海况和船只等设施的操纵水平等因素影响很大，试验的费用较高。另一类是在人工水池中进行的试验。获得的试验数据可为涡激振动预报模型作基准，相比于天然水池中进行的试验，人工水池试验的优点在于：流场易于控制、质量好，立管的边界条件容易设计，可对多种涡激振动影响因素进行试验观测。现阶段，在人工水池内开展的模型试验已被广泛应用到海洋立管涡激振动问题研究。

海洋立管的涡激振动与参激振动一般同时发生，并且相互之间存在耦合作用。经过对现有技术的检索调研发现：海洋立管涡激-参激耦合振动发生机制以及振动特性研究仍存在诸多未知。主要原因是缺乏必要的试验测量装置，特别是无法实现涡激振动与参数振动耦合作用同时观测，并很好的控制涡激振动与参数振动的发生条件。

发明内容

本发明针对垂直均匀来流条件变轴向力立管涡激-参激耦合振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究垂直均匀来流条件，变轴向力立管涡激-参激耦合试验装置，能够模拟垂直均匀的来流，对简谐变化轴向力海洋立管开展试验研究，探究其振动特性及有效抑制措施，为工程实际提供参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、轴向力往复装置、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缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩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；所述轴向力往复装置设置在拖车的边部，并与海洋立管模型一端连接，所述轴向力往复装置包括设置在支座上设置电机、连接杆、滑轨、滑块、偏心孔盲板、上部滑轮和下部滑轮，所述电机设置在所述支座的一端，所述滑轨设置在所述支座的中部，所述滑块装配在所述滑轨内，所述上部滑轮和下部滑轮设置在所述支座的另一端，所述电机的输出轴上安装有偏心孔盲板，所述偏心孔盲板上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆的另一端与所述滑块连接；所述海洋立管模型第二圆柱接头连接钢丝绳，该钢丝绳穿过第二支撑板后绕过滑轮依次连接拉力张紧器、拉力弹簧和拉力传感器，最终与轴向力往复装置中的滑块相连；所述钢丝绳和所述海洋立管模型的轴线在同一平面内，该平面与来流方向垂直；所述电机的输出轴中心、所述连接杆的上下对称面、所述滑块的上下对称面均与所述上部滑轮的滑轮槽的上部边缘位于同一水平高度，所述上部滑轮的滑轮槽边缘与所述下部滑轮的滑轮槽边缘在一条直线上，所述电机连接有变频器，所述电机转动，通过所述连接杆使所述滑块在所述滑轨上往复运动，往复运动的振幅是所述连接杆与所述偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化；在所述滑块的往复运动过程中，通过钢丝绳带动所述拉力弹簧作伸缩运动；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没有或带有抑制装置的变轴向力立管涡激振动试验中，施加简谐变化的轴向力的问题，为试验研究海洋立管的涡激振动-参数振动耦合机制提供必要的试验装备支撑，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，造价低廉，安装调试方便，容易推广，是研究垂直均匀来流条件的变轴向力立管涡激振动试验必要的装备设施。

附图说明

图1是本发明中没有抑制结构的单根立管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单根立管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是横向试验支持架与拖车相互位置的俯视图；

图10是图9所示横向试验支持架与拖车相互位置的的右视图；

图11是轴向力往复装置的主视图；

图12是轴向力往复装置的俯视图；

图13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-滑块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-滑轨

22-上部滑轮23-下部滑轮24-拉力张紧器

25-拉力传感器27-偏心孔盲板28-电机

29-支座30-硅胶带(螺旋列板)31-连接杆

53-电阻应变片55-热缩管56-硅胶管

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和图3所示，本发明提出的一种垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型1、横向试验支持架3、拖车、轴向力往复装置、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3的两端连接，所述横向试验支持架3固定于所述拖车20的底部，所述轴向力往复装置安装在拖车20的边部，通过钢丝绳17与海洋立管模型1相连。

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13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缩管55和一层硅胶管56，所述薄壁铜管51与所述热缩管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，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带有抑制结构，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30，所述硅胶带30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，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；如图9和图10所示。

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，如图6所示，所述第一导流板11的下部设有一个通孔，所述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的顶部与所述主体横梁的另一端连接，在第二支撑管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，其外侧设有一个滑轮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。所述主体横梁上与第二端部支撑装置的连接端底部的海洋立管模型1的第二圆柱接头6连接钢丝绳17，该钢丝绳17穿过支撑板14后绕过滑轮依次连接拉力张紧器24、拉力弹簧19、拉力传感器25最终与轴向力往复装置相连；所述钢丝绳和所述海洋立管模型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、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。

所述轴向力往复装置设置在拖车上，如图11和图12所示，所述轴向力往复装置包括设置在支座29上的电机28、连接杆31、滑轨21、滑块4、偏心孔盲板27、上部滑轮22和下部滑轮23，所述电机28设置在所述支座29的一端，所述滑轨21设置在所述支座21的中部，所述滑块4装配在所述滑轨21内，所述上部滑轮22和下部滑轮23设置在所述支座29的另一端，所述电机28的输出轴上安装有偏心孔盲板27，所述偏心孔盲板27上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆31的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆31的另一端与所述滑块4连接；滑块4置于滑轨21槽中，所述钢丝绳17与滑块4连接，钢丝绳17绕入上部滑轮22槽中，并向下延伸绕入下部滑轮22槽中与拉力传感器25、拉力弹簧19、拉力张紧器24相连最终连接到海洋立管模型1上。上述电机28轴中心、滑块4中心、上部滑轮22槽的上部边缘位于同一水平高度，上部滑轮22槽边缘与下部滑轮23槽内边缘在一条直线上，电机28连接变频器连接电源，通过变频器改变供电电压的频率可以调节电机至需要的转速，满足轴向力变化的频率，偏心孔盲板27距离电机轴中心相应位置开螺丝孔，连接杆31一端通过螺丝拧入螺丝孔，电机28转动，通过连接杆31使滑块4在滑轨21上往复运动，滑块4通过钢丝绳17带动拉力弹簧19作伸缩运动，往复运动的振幅是所述连接杆32与所述偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化，根据变轴向力的幅值选择合适距离的偏心孔与连接杆端部的径向杆连接，例如：该径向杆是螺丝，偏心孔为螺丝孔，其偏心孔的偏心距就是幅值，通过选择与连杆上螺丝连接的螺丝孔的位置即可实现轴向力幅值的变化。

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。

以下介绍本发明中带有抑制结构的单根立管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51的轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线，确定电阻应变片的粘贴位置。将薄壁铜管51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6。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缩管(使其外表面与硅胶管内表面紧密接触，在热缩管外侧套上一层硅胶管(至此完成了裸管结构的制作)。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13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，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1一端或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，用吊机将其吊起，并安装好。根据变轴向力的幅值选择合适距离的偏心板盲板27上的螺丝孔，螺丝孔的偏心距即为轴向力变化的幅值，将连接杆31通过螺丝安装在此螺丝孔中，将轴向力往复装置的偏心孔盲板27转至平衡位置，即将连接螺丝位于最高点或最低点，此时滑块4位于往复运动的中间位置，通过调节拉力张紧器24使拉力达到平均拉力值，通过变频器调节电机28供电电压的频率，使电机28达到工况所需的转速，满足轴向力变化的频率要求。拉力传感器25和导线与应变仪连接，应变仪连接计算机。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)

1.一种垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，其特征在于，包括海洋立管模型(1)、横向试验支持架(3)、轴向力往复装置、拖车(20)、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(3)的两端连接，所述横向试验支持架(3)固定于所述拖车(20)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，所述薄壁铜管的外径为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缩管(55)和一层硅胶管(56)，所述薄壁铜管(51)与所述热缩管(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(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(1)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，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车(20)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(10)，所述万向联轴节(10)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(10)的另一端与所述海底管道模型中的第一圆柱接头(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，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(16)，所述第二支撑板上位于所述滑轮(16)的下方设有一钢丝绳过孔；

所述拖车(20)的边部设有与海洋立管模型(1)一端连接的轴向力往复装置，所述轴向力往复装置包括设置在支座(29)上设置电机(28)、连接杆(31)、滑轨(21)、滑块(4)、偏心孔盲板(27)、上部滑轮(22)和下部滑轮(23)，所述电机(28)设置在所述支座(29)的一端，所述滑轨(21)设置在所述支座(21)的中部，所述滑块(4)装配在所述滑轨(21)内，所述上部滑轮(22)和下部滑轮(23)设置在所述支座(29)的另一端，所述电机(28)的输出轴上安装有偏心孔盲板(27)，所述偏心孔盲板(27)上设有多个不同偏心位置的偏心孔，所述连接杆(31)的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆(31)的另一端与所述滑块(4)连接；

所述海洋立管模型第二圆柱接头(6)连接钢丝绳(17)，该钢丝绳(17)穿过第二支撑板后绕过滑轮(16)依次连接拉力张紧器(24)、拉力弹簧(19)和拉力传感器(25)，最终与轴向力往复装置中的滑块(4)相连；所述钢丝绳(17)和所述海洋立管模型(1)的轴线在同一平面内，该平面与来流方向垂直；

所述电机(28)的输出轴中心、所述连接杆(31)的上下对称面、所述滑块(4)的上下对称面均与所述上部滑轮(22)的滑轮槽的上部边缘位于同一水平高度，所述上部滑轮(22)的滑轮槽边缘与所述下部滑轮(23)的滑轮槽边缘在一条直线上，所述电机(28)连接有变频器，所述电机(28)转动，通过所述连接杆(31)使所述滑块(4)在所述滑轨(21)上往复运动，往复运动的振幅是所述连接杆(31)与所述偏心孔盲板(27)上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化；在所述滑块(4)的往复运动过程中，通过钢丝绳(17)带动所述拉力弹簧(19)作伸缩运动；

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所述垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，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(30)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所述垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，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所述垂直均匀来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，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)。