CN105806577A - 一种控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，该装置包括海洋立管模型以及对其两端予以支撑的第一、第二端部支撑装置，所述第一、第二端部支撑装置的顶部分别与横向试验支持架的两端相连接，所述第二端部支撑装置的外侧安装有连接所述横向试验支持架端部的拉力传感器和拉力张紧器，所述的拉力张紧器连接拉力弹簧并通过拉力弹簧连接其下端缠绕滑轮的钢丝绳。其优点是：可模拟立管在倾角来流作用下带有控制杆的涡激振动行为，利于对附有控制杆深海张紧式单根立管开展试验研究，解决了倾角均匀来流条件下带有抑制装置的深海张紧式单根立管涡激振动试验中单根立管排布和改变来流倾角的问题，弥补了学术界在该方面的不足。

Description

一种控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置

技术领域

本发明涉及一种海洋工程技术领域的试验装置，更具体地说，本发明涉及一种控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置。

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，深海油气田的开采量在总石油开采量中的比重逐年增加。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。随着油气开采逐步向深海进军，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，但海流成为使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管道自振频率附近，从而发生“锁定”现象。立管的涡激振动和“锁定”现象是导致立管失稳和疲劳破坏的主要因素。立管在实际作业过程中，由于海上作业平台在海面漂浮，经常在海平面上偏离平衡位置，这也经常导致立管发生倾斜，即海流与立管之间的角度由90度发生偏转。那么，在倾角来流下有控制杆的立管涡激振动的发生机理及抑制效果需要进一步探究。

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，而在实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定的倾斜角度。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，亟需的工作时开展系统性研究，特别是对于控制杆对涡激振动的抑制影响，不相关原则是否适用，还需进行实验验证。

研究倾角均匀来流条件下深海张紧式立管涡激振动的最可靠和最有效的手段是模型实验。通过模型实验，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涡激振动的抑制效果，为工程实际积累经验。

经对现有的技术文献检索发现，国内外对于倾角均匀来流条件附有控制杆的深海张紧式单根立管涡激振动抑制实验研究非常少，实现倾角来流下附有控制杆涡激振动抑制实验研究的最大难点在于：如何设计合理的实验装置，模拟立管在倾角来流作用下带有控制杆的涡激振动行为。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术的问题，并为此提供一种控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置。该装置的应用，可以解决现有技术在该研究中的难点，并克服现有技术所存在的不足。

本发明的技术方案是：

一种控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拉力传感器、拖车、控制杆抑制系统以及应变采集仪和计算机；

所述的海洋立管模型为裸管结构，它包括薄壁铜管以及自所述薄壁铜管的外表面依次向外设置的若干层热塑管和一层硅胶管，所述的薄壁铜管与所述热塑管之间设置有多片应变片，多片所述的应变片分别通过接线端子连接导线，所述导线的两端分别与所述薄壁铜管的一端或两端固定，所述薄壁铜管的一端通过销钉连接第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接第二圆柱接头；

所述的横向试验支持架包括主体横梁，所述主体横梁的顶部设置有用以支撑拖车的槽钢，所述的拖车包括动力系统、刹车系统和控制系统，所述主体横梁的顶部两侧分别设置有角度盘；

所述的海洋立管模型由其两端的第一、第二端部支撑装置予以支撑，所述第一、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相连接，所述第二端部支撑装置的外侧安装有连接所述横向试验支持架端部的拉力传感器以及连接所述拉力传感器的拉力张紧器，所述的拉力张紧器连接拉力弹簧并通过所述的拉力弹簧连接其下端缠绕滑轮的钢丝绳，所述的钢丝绳和所述海洋立管模型的轴线在同一平面内；

所述的第一、第二端部支撑装置分别包括竖直方向的支撑管，两个所述的支撑管与所述横向试验支持架的连接处分别设置有斜撑管，所述支撑管的底部连接支撑板，所述支撑板的内侧螺栓连接与其平行的导流板，所述的导流板连接加强架；

所述第一端部支撑装置侧的导流板下部开有通孔，所述的通孔内安装万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝与该侧的支撑板相固定，所述万向联轴节的另一端与所述的第一圆柱接头相连接，该侧支撑管的顶部安装有水平布置的角度板，所述的角度板与安装在其下的角度盘对齐；

所述第二端部支撑装置侧的导流板下部开有长方形豁口，所述的长方形豁口内设置有若干个角度卡板或补贴板，所述的角度卡板上设置有多个立管安装孔，在该侧支撑管的顶部安装有水平布置的角度板，该侧支撑板的外侧设置有滑轮，所述滑轮的滑轮座与该侧的支撑板之间设置有若干个楔形的滑轮座垫块，位于所述滑轮座下方的支撑板上开有钢丝绳过孔；

所述的控制杆抑制系统设置在所述的海洋立管模型上，它包括沿所述海洋立管模型的长度方向等距离安装且圆周均布在所述海洋立管模型圆周截面上的若干个控制杆连接装置，所述的控制杆连接装置包括以铁片弯成的铁环，所述铁环两端的延伸部分以穿过螺丝孔的螺丝连接为一体，沿所述铁环的圆周均布设置若干螺母，若干个螺母内分别穿过其一端连接所述海洋立管模型的螺栓，所述螺栓的另一端连接具有钳式开口的固定装置，所述固定装置的钳式开口内契合安装控制杆。

在以上设置中：

所述薄壁铜管的外径为8mm，壁厚为1mm。

所述的导线为外径0.3mm的7芯导线。

所述角度卡板的数量为四个，四个所述角度卡板上的立管安装孔的轴线与所述角度卡板厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度。

所述滑轮座垫块的数量为三个，三个所述滑轮座垫块上的斜面与该侧支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度。

所述控制杆连接装置中的铁环直径为16mm。

所述的控制杆采用相对于海洋立管模型刚度较小的橡皮条制作，其数量是与所述铁环上圆周均布的螺母数量相应的3个、4个或5个。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)设计合理，制作简单，造价低廉，安装方便，容易推广，可为研究倾角均匀来流条件带有控制杆的海洋立管涡激振动提供必要的设备支持。

(2)可模拟立管在倾角来流作用下带有控制杆的涡激振动行为，利于对附有控制杆深海张紧式单根立管开展试验研究。

(3)解决了倾角均匀来流条件下带有抑制装置的深海张紧式单根立管涡激振动试验中单根立管排布和改变来流倾角的问题，弥补了学术界在该方面的不足。

(4)可通过实验探究倾角均匀来流条件带有控制杆的海洋立管涡激振动的

特性及抑制措施，为工程实际提供参考和借鉴。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中海洋立管模型的结构示意图；

图3是横向试验支持架的俯视图；

图4是图3的侧视图；

图5是图1中支撑板的结构示意图；

图6是图1中导流板的结构示意图；

图7是图1中海洋立管模型与控制杆抑制系统的连接示意图；

图8是图7的截面图；

图9是图1中角度盘的示意图；

图10是横向试验支持架与拖车的相互位置俯视图；

图11是图10的侧视图；

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所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图13-2是图12-2所示状态下立管与来流之间倾角示意图；

图13-3是图12-3所示状态下立管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；

图中标记：1-海洋立管模型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-角度盘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11-导流板

12-加强架13-支撑管

14-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-控制杆抑制系统

28-控制杆29-控制杆连接装置

30-控制杆固定装置

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更容易被清楚理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参照图1，本发明的控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，包括海洋立管模型1、横向试验支持架3、拖车20、拉力传感器25、控制杆抑制系统27以及应变采集仪和计算机；

所述的海洋立管模型1由其两端的第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′予以支撑，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3的两端相连接，所述第二端部支撑装置2′的外侧安装有连接所述横向试验支持架3端部的拉力传感器25以及连接所述拉力传感器25的拉力张紧器24，所述的拉力张紧器24连接拉力弹簧19并通过所述的拉力弹簧19连接其下端缠绕滑轮16的钢丝绳17，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；

参照图2，所述的海洋立管模型1为裸管结构，该海洋立管模型1包括外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管8，自所述薄壁铜管8的外表面依次向外设置有紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，所述的薄壁铜管8与所述热塑管之间设置有多片用于采集应变的应变片，多片所述的应变片分别通过接线端子连接外径为0.3mm的7芯导线，所述7芯导线的两端分别与所述薄壁铜管8的一端或两端固定，所述薄壁铜管8的一端通过销钉7连接第一圆柱接头5，所述薄壁铜管8的另一端通过销钉7连接第二圆柱接头6；

参照图3、图4并结合图1、图9、图10、图11，所述的横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的顶部设置有用以支撑拖车20的槽钢，所述的拖车包括动力系统、刹车系统和控制系统，所述主体横梁的顶部两侧分别设置有扇形结构的角度盘4；

参照图5、图6并结合图1，所述第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′分别包括竖直方向的支撑管13，两个所述的支撑管13与所述横向试验支持架3的连接处分别设置有斜撑管9，所述支撑管13的底部连接支撑板14，所述支撑板14的内侧螺栓连接与其平行的塑料材质的导流板11，所述的导流板11连接加强架12；

所述第一端部支撑装置2侧的导流板11下部开有通孔，所述的通孔内安装万向联轴节10，所述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15与该侧的支撑板14相固定，所述万向联轴节10的另一端与所述的第一圆柱接头5相连接，该侧支撑管13的顶部安装有水平布置的角度板21，所述的角度板21压在角度盘4上并与所述的角度盘4对齐；

所述第二端部支撑装置2′侧的导流板11下部开有多个长方形豁口，所述的长方形豁口内设置有角度卡板22或补贴板26，所述的角度卡板22上设有多个立管安装孔，在该侧支撑管13的顶部同样安装有水平布置的角度板21，该侧支撑板14的外侧设置有一个滑轮16，所述滑轮16的滑轮座与该侧的支撑板14之间设置有楔形的滑轮座垫块23，在所述支撑板14上位于滑轮座垫块23下方处开有钢丝绳过孔。

在该实验装置中包括4个角度卡板22，4个所述角度卡板22上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。

参照图14-1，图14-2，图14-3并结合图1，所述滑轮座垫块23的数量为三个，三个所述滑轮座垫块23上的斜面与该侧支撑板14接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；

参照图7、图8并结合图1，所述的控制杆抑制系统27安装在所述的海洋立管模型1上，它包括沿所述海洋立管模型1的长度方向等距离安装且圆周均布在所述海洋立管模型1圆周截面上的若干个控制杆连接装置29，所述的控制杆连接装置29包括以铁片弯成并留有两个延伸部分的铁环，所述铁环的两个延伸部分开有螺丝孔并以穿过所述螺丝孔的螺丝使其连接为一体，沿所述铁环的圆周均布焊接若干螺母，所述的螺母内穿过其一端连接所述海洋立管模型1的螺栓，所述螺栓的另一端焊接以螺母加工而成的具有钳式开口的固定装置30，所述固定装置30的钳式开口内契合安装控制杆28，所述的控制杆28采用相对于海洋立管模型1刚度较小的橡皮条制作，其数量可以根据情况确定为3个、4个或5个。在所述海洋立管模型1的运动过程中，所述的控制杆连接装置29与所述海洋立管模型1的相对位置保持不变，但所述的控制杆28与所述海洋立管模型1的相对位置可通过转动所述的控制杆连接装置29来改变。

下面以带有控制杆抑制系统27的海洋立管模型为例，介绍本发明的制作、安装和试验过程：

(1)试验前，首先根据拖曳水池的尺度、拖车的速度以及试验工况的具体情况和试验的经济性，确定所述海洋立管模型1的具体尺度，并根据所述海洋立管模型1的尺度、拖车的尺度以及试验工况的具体情况和经济性，确定所述横向试验支持架3以及第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′的材料和尺度；

(2)取外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管8，在平台平面上沿所述薄壁铜管8的轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线，以确定应变片的粘贴位置；

(3)将所述的第一圆柱接头5和第二圆柱接头6分别安装在所述薄壁铜管8的两端，并去除应变片粘贴位置的薄壁铜管8表面的氧化层；

(4)粘贴应变片，使前后应变片、上下应变片均互成一对，并采用半桥接法使其通过接线端子连接导线，连接时需用薄胶带将应变片同接线端子连接的金属细丝与所述薄壁铜管的表面隔开，以实现绝缘，然后在应变片粘贴处涂覆适量硅橡胶，以达到保护和防水的目的；

(5)引出各位置的导线至所述薄壁铜管8的一端或两端，并用薄胶带将导线沿所述薄壁铜管8的轴线方向固定；

(6)在所述所述薄壁铜管8的外侧套上若干层热塑管，并在所述热塑管外侧套上一层硅胶管，使所述热塑管的外表面与硅胶管的内表面紧密接触，至此完成裸管结构的制作；

(7)将所述的横向试验支持架3以及第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′安装好，转动所述的第一端部支撑装置2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上的角度盘4相应角度对应，以使导流板11与来流方向保持平行；

(8)确定所述导流板11与海洋立管模型1之间的间距，将相应的角度卡板22安装在第二端部支撑装置2′导流板11的长方形豁口中，并将相应角度的滑轮垫块23安装在该侧支撑板14上，然后把滑轮16安装在滑轮垫块23上；

(9)将所述海洋立管模型1的两端固定在所述的第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′上，并在海底管道模型1上等距离安装控制杆抑制系统27；

(10)将所述海洋立管模型1一端或两端引出的导线沿第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′延伸至横向试验支持架3的一端或两端；

(11)将上述完成连接的整体装置吊入拖曳水池中，让其漂至拖车底部，用所述横向试验支持架3上拖车20的吊机将其吊起，并使其与拖车20呈现如图10、图11、图12-1、图12-2、图12-3中所示的15度、30度和45度等相应角度，相应的海洋立管模型1与來流之间的角度如图13-1、13-2、13-3所示。

(12)调节所述的拉力张紧器24，使其端部拉力达到试验工况所需大小，以导线将所述的拉力传感器25与采集系统的应变采集仪连接，并使所述的应变采集仪连接计算机，计算机内部安装相应的数据采集分析软件；

(13)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。

以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各个技术特征均可能发生某些变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的细节变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拉力传感器、拖车、控制杆抑制系统以及应变采集仪和计算机；其特征在于：

所述的海洋立管模型为裸管结构，它包括薄壁铜管以及自所述薄壁铜管的外表面依次向外设置的若干层热塑管和一层硅胶管，所述的薄壁铜管与所述热塑管之间设置有多片应变片，多片所述的应变片分别通过接线端子连接导线，所述导线的两端分别与所述薄壁铜管的一端或两端固定，所述薄壁铜管的一端通过销钉连接第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接第二圆柱接头；

所述的横向试验支持架包括主体横梁，所述主体横梁的顶部设置有用以支撑拖车的槽钢，所述的拖车包括动力系统、刹车系统和控制系统，所述主体横梁的顶部两侧分别设置有角度盘；

所述的海洋立管模型由其两端的第一、第二端部支撑装置予以支撑，所述第一、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相连接，所述第二端部支撑装置的外侧安装有连接所述横向试验支持架端部的拉力传感器以及连接所述拉力传感器的拉力张紧器，所述的拉力张紧器连接拉力弹簧并通过所述的拉力弹簧连接其下端缠绕滑轮的钢丝绳，所述的钢丝绳和所述海洋立管模型的轴线在同一平面内；

所述的第一、第二端部支撑装置分别包括竖直方向的支撑管，两个所述的支撑管与所述横向试验支持架的连接处分别设置有斜撑管，所述支撑管的底部连接支撑板，所述支撑板的内侧螺栓连接与其平行的导流板，所述的导流板连接加强架；

所述第一端部支撑装置侧的导流板下部开有通孔，所述的通孔内安装万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝与该侧的支撑板相固定，所述万向联轴节的另一端与所述的第一圆柱接头相连接，该侧支撑管的顶部安装有水平布置的角度板，所述的角度板与安装在其下的角度盘对齐；

所述第二端部支撑装置侧的导流板下部开有长方形豁口，所述的长方形豁口内设置有若干个角度卡板或补贴板，所述的角度卡板上设置有多个立管安装孔，在该侧支撑管的顶部安装有水平布置的角度板，该侧支撑板的外侧设置有滑轮，所述滑轮的滑轮座与该侧的支撑板之间设置有若干个楔形的滑轮座垫块，位于所述滑轮座下方的支撑板上开有钢丝绳过孔；

所述的控制杆抑制系统设置在所述的海洋立管模型上，它包括沿所述海洋立管模型的长度方向等距离安装且圆周均布在所述海洋立管模型圆周截面上的若干个控制杆连接装置，所述的控制杆连接装置包括以铁片弯成的铁环，所述铁环两端的延伸部分以穿过螺丝孔的螺丝连接为一体，沿所述铁环的圆周均布设置若干螺母，若干个螺母内分别穿过其一端连接所述海洋立管模型的螺栓，所述螺栓的另一端连接具有钳式开口的固定装置，所述固定装置的钳式开口内契合安装控制杆。

2.根据权利要求1所述的控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于：所述薄壁铜管的外径为8mm，壁厚为1mm。

3.根据权利要求1所述的控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于：所述的导线为外径0.3mm的7芯导线。

4.根据权利要求1所述的控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于：所述角度卡板的数量为四个，四个所述角度卡板上的立管安装孔的轴线与所述角度卡板厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度。

5.根据权利要求1所述的控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于：所述滑轮座垫块的数量为三个，三个所述滑轮座垫块上的斜面与该侧支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度。

6.根据权利要求1所述的控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于：所述控制杆连接装置中的铁环直径为16mm。

7.根据权利要求1所述的控制杆形式的倾角来流海洋立管涡激振动抑制装置，其特征在于：所述的控制杆采用相对于海洋立管模型刚度较小的橡皮条制作，其数量是与所述铁环上圆周均布的螺母数量相应的3个、4个或5个。