CN105973553B - 一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统 - Google Patents
一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种土体‑海底多跨管道‑海流多场耦合作用的实验系统,该系统包括海底管道模型、第一端部土体支撑装置、第二端部土体支撑装置、横向试验支持架、拖车、多跨土体装置、拉力传感器以及应变采集仪和计算机。本发明的优点是:设计精巧简单,便于加工、安装及拆解,造价低廉,解决了垂直均匀来流条件有土体‑海底多跨管道‑海流多场耦合作用的海底管道涡激振动试验中跨肩土体的施加问题,是研究有土体‑海底多跨管道‑海流多场耦合作用的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。
Description
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,本发明涉及一种用于研究土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统。
背景技术
海底管道是深海油气开采输运不可或缺的关键设备,被誉为“海洋油气生命线”。由于深海海底地形复杂,管道铺设难度大、费用高,实际工程中的管道常直接铺设于海床表面,不做任何掩埋处理,加之海流冲刷作用,形成较长悬跨和多段悬跨的现象越来越普遍。悬空管跨的出现改变了管道的荷载和应力状态,尤其是当海流流经时,悬空管跨会出现交替的旋涡脱落,引起管道在顺流向(In-Line,IL)和横流向(Cross-Flow,CF)发生周期性的漩涡脱落,诱发涡激振动(Vortex-Induced Vibrations,VIV)。海底管道失效统计结果表明:悬跨段涡激振动是导致结构疲劳破坏的主要原因。
由于深海海底凸凹不平以及海流冲刷,直接铺设于海床表面的海底管道经常出现多段悬跨。多跨管道的相邻模态固有频率比较接近,其涡激振动常出现多模态现象,实际观测发现IL方向和CF方向涡激振动之间的影响十分强烈。挪威的MARINTEK研究机构于2000到2004年期间进行的一系列的海底多跨悬空管道模型实验,重点研究了多跨单模态和多跨多模态的涡激振动特性,采用特殊弹簧装置近似模拟跨肩处的土体边界对管道作用。
然而,已开展的实验并未真实的考虑跨肩处的管-土作用,而是采用简化的弹簧近似土体效应。由于海底管线悬跨段的长度与直径的比值较立管等海洋工程细长结构物要小很多,边界条件的影响突出,因此海床土体的力学性质,管土接触模拟情况以及管线的埋置深度等都会对涡激振动产生较大的影响。因此,需要开展真实的土体边界,多跨悬空管道涡激振动模型实验,深入研究管道结构特性、土体参数、跨肩处沟槽深度、管-土接触面积和长度等对相邻管跨相互作用机制的影响。通过模型实验,可以全方位的观测涡激振动现象及其特征,获得可靠的实验结果,用来效验理论和数值模型的精度。通过实验测试的方式可以更好的探究海底管线悬跨段涡激振动管土影响机理,为工程实际提供必要的实验参考和技术支持。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术的问题,并为此提供一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统。该系统能够模拟海底多跨土体边界条件,从而开展均匀来流土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用实验研究,探究流-固-土多场耦合的作用机理,为工程实际提供参考和借鉴。
本发明的技术方案是:
一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,包括海底管道模型、第一端部土体支撑装置、第二端部土体支撑装置、横向试验支持架、拖车、多跨土体装置、拉力传感器以及应变采集仪和计算机。
所述海底管道模型的两端分别穿过所述的第一端部土体支撑装置和第二端部土体支撑装置与其两侧的支撑板连接,所述的第一端部土体支撑装置和第二端部土体支撑装置以及两个支撑板的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接,所述的海底管道模型上设置有其上端连接所述横向试验支持架的多跨土体装置。
所述的海底管道模型为裸管结构的薄壁铜管,自所述薄壁铜管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,所述薄壁铜管的两端分别通过销钉连接第一、第二圆柱接头。
所述的横向试验支持架包括主体横梁,所述的主体横梁由长方形截面钢管和若干方形截面的钢管构成,所述主体横梁的顶部安装用于支撑拖车的槽钢,所述主体横梁的内部安装用于放置长方体浮桶的薄壁木箱;所述的横向试验支持架通过其主体横梁顶部的槽钢以螺栓固定于所述拖车的底部,所述的拖车由动力系统、刹车系统、控制系统等组成。
所述的第一、第二端部土体支撑装置,分别包括竖直方向的连接架和连接所述连接架的土箱,两个所述的连接架分别连接流线型的土箱外板,两个所述连接架的外侧分别连接支撑板,两个所述连接架的顶部与两个所述支撑板的顶部分别连接所述横向实验支持架的主体横梁两端。
所述第一端部土体支撑装置侧的土箱外板下部设置有用于安装万向联轴节的通孔,所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在该侧的支撑板上,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。
所述第二端部土体支撑装置侧的支撑板外侧设置有滑轮,所述的土箱外板下部位于所述滑轮下方位置设置有用于穿过钢丝绳的通孔,所述的钢丝绳自连接所述海底管道模型的第二圆柱接头穿过该侧支撑板上的过孔后绕过滑轮并依次连接拉力弹簧、拉力张紧器和拉力传感器连接所述横向试验支持架的主体横梁,所述钢丝绳和所述海底管道模型的轴线在与来流方向垂直的同一平面内。
所述的多跨土体装置包括多跨土箱和与其焊连接的多跨连接架,所述的多跨连接架由方形截面钢管焊接而成且其四周焊有条形薄板,所述多跨连接架的顶部固定在所述横向实验支持架的主体梁上;所述多跨土箱的两侧分别连接流线型的导流板,所述导流板的中部设置有插板。
所述的多跨土箱上设置有土箱,所述的土箱有两种舱室,一种是位于所述土箱中部用于放置土体的土体舱,两一种是分别设置在所述土体舱两侧用于提供浮力的浮舱,所述土体舱的一侧设置有插板。
所述的插板由可以拆卸的两部分拼接而成,其中部开有便于所述的海底管道模型穿入且运动时不会触碰其边缘的大圆孔。
在所述插板的大圆孔附近设置有连接所述海底管道模型的防漏纱布,所述的防漏纱布以尼龙扎带加以固定,并通过防漏法兰固定在插板上。
所述的防漏法兰包括由两个半圆部分拼接而成的扎口盘,所述的扎口盘以螺丝固定在第一端部土体支撑装置上、第二端部土体支撑装置上、多跨土体装置的导流板上以及土体舱的两侧,所述的扎口盘用于压紧所述防漏纱布的一端,所述防漏纱布的另一端由尼龙扎带绑定在海底管道模型上。
所述的测量分析系统,包括设置在所述薄壁铜管与所述热塑管之间的多片电阻应变片和通过钢丝绳连接在所述横向试验支持架一侧的拉力传感器,所述的电阻应变片通过接线端子连接从海底管道模型一侧全部引出的导线,该导线与连接所述拉力传感器的导线分别连接应变采集仪,所述的应变采集仪连接电子计算机。
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。
本发明与现有技术相比,其有益效果是:
(1)解决了垂直均匀来流条件有土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的海底管道涡激振动试验中跨肩土体的施加问题。
(2)所述土箱的流线型设置,可以最大限度的减小土箱结构对流场的干扰,而土箱与支撑板的焊连接,又可以极大的增强土体结构的稳定性。
(3)设计精巧简单,便于加工、安装及拆解,造价低廉,是研究有土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的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是本发明的结构示意图;
图2是本发明中海底管道模型的结构示意图;
图3是图1中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中的海底管道模型与第一、第二端部土体支撑装置的连接示意图;
图6是图1中的海底管道模型与多跨土体装置的连接示意图;
图7是图5中端部土体支撑装置的俯视图;
图8是图7所示端部土体支撑装置的主视图;
图9是图7所示端部土体支撑装置的左视图;
图10是图1中多跨土体装置的俯视图;
图11是图10所示多跨土体装置的正视图;
图12是图10所示多跨土体装置的左视图;
图13是本发明中横向试验支持架与拖车位置的俯视图;
图14是图13所示横向试验支持架与拖车位置的右视图;
图15是图3所示中防漏沙装置示意图;
图中标记:
1-海底管道模型 2-第一端部土体支撑装置
2′-第二端部土体支撑装置 3-横向试验支持架
4-连接架 5-第一圆柱接头
6-第二圆柱接头 7-销钉
8-薄壁铜管 9-插板
10-万向联轴节 11-端部土箱外板
12-支撑板 13-土箱
14-防漏法兰 15-万向联轴节螺丝
16-滑轮 17-钢丝绳
18-扎口盘 19-拉力弹簧
20-拖车 21-多跨土体装置
22-多跨连接架 23-防漏纱布
24-拉力张紧器 25-拉力传感器
26-多跨土箱 27-导流板
28-土体舱 29-浮舱 30-尼龙扎带
具体实施方式
为使本发明更容易被清楚理解,下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作以详细描述。
参照图1,本发明的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,包括海底管道模型1、第一端部土体支撑装置2、第二端部土体支撑装置2′、横向试验支持架3、拖车20、多跨土体装置21、拉力传感器25以及应变采集仪和计算机。
所述海底管道模型1的两端分别穿过所述的第一端部土体支撑装置2和第二端部土体支撑装置2′与其两侧的支撑板12连接,所述的第一端部土体支撑装置2和第二端部土体支撑装置2′以及两个支撑板12的顶部分别与所述横向试验支持架3的两端连接,所述的海底管道模型1上设置有其上端连接所述横向试验支持架3的多跨土体装置21。
参照图2,所述的海底管道模型1为裸管结构,该海底管道模型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13、图14,所述的横向试验支持架3包括主体横梁,所述的主体横梁由长方形截面钢管和若干方形截面的钢管构成,所述主体横梁的顶部安装用于支撑拖车20的槽钢,所述主体横梁的内部安装用于放置长方体浮桶的薄壁木箱;所述的横向试验支持架3通过其主体横梁顶部的槽钢以螺栓固定于所述拖车20的底部,所述的拖车20由动力系统、刹车系统、控制系统等组成,它是所述横向试验支持架3和部分测量分析系统的载体。
参照图5、图7、图8、图9并结合图1,所述的第一端部土体支撑装置2、第二端部土体支撑装置2′分别包括竖直方向的连接架4和连接所述连接架4的土箱13,两个所述的连接架4分别连接流线型的土箱外板11,两个所述连接架4的外侧分别连接支撑板12,两个所述连接架4的顶部与两个所述支撑板12的顶部分别连接所述横向实验支持架3的主体横梁两端。
所述第一端部土体支撑装置2侧的土箱外板11下部设置有用于安装万向联轴节10的通孔,所述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15固定在该侧的支撑板12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。
所述第二端部土体支撑装置2′侧的支撑板12外侧设置有滑轮16,所述的土箱外板11下部位于所述滑轮16下方位置设置有用于穿过钢丝绳17的通孔,所述的钢丝绳17自连接所述海底管道模型1的第二圆柱接头6穿过该侧支撑板12上的过孔后绕过滑轮16并依次连接拉力弹簧19、拉力张紧器24和拉力传感器25连接所述横向试验支持架3的主体横梁;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。
参照图6、图10、图11、图12并结合图1,所述的多跨土体装置21包括多跨土箱26和多跨连接架22,所述的多跨土箱26与多跨连接架22焊接连接,所述的多跨连接架22由方形截面钢管焊接而成,所述多跨连接架22四周焊有条形薄板,所述多跨连接架的顶部固定在所述横向实验支持架3的主体梁上;所述多跨土箱两侧分别连接导流板27,所述的导流板27为流线型,所述导流板27的中部设置有插板9。
参照图5和图7,所述的多跨土箱26上设置有土箱13,所述的土箱13有两种舱室,即土体舱28、浮舱29;所述的土体舱28位于所述土箱13中部,用于放置土体,模拟土体边界条件;所述的浮舱29有两个,分别位于所述土体舱28的两侧,用于提供浮力,所述土体舱28的一侧也安装有上述的插板9。
所述的插板9由可以拆卸的两部分拼接而成,方便海底管道模型1安装;所述插板9的中部开有便于海底管道模型1穿入且运动时不会触碰其边缘的大圆孔,在该大圆孔附近设置连接所述海底管道模型1的防漏纱布23,所述的防漏纱布23以尼龙扎带30加以固定,并通过防漏法兰14固定在插板9上,以防止多跨土箱26内的土体成分漏出,从而保证海底管道模型1的运动不受干扰。
参照图15并结合图1、图5、图6,所述的防漏法兰14包括由两个半圆部分拼接而成的扎口盘18,所述的扎口盘18以螺丝固定在所述的第一端部土体支撑装置2上、第二端部土体支撑装置2′上、多跨土体装置26的导流板27上以及土体舱28的一侧,所述的扎口盘18用于压紧所述防漏纱布23的一端,所述防漏纱布23的另一端由尼龙扎带30绑定在海底管道模型1上。
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25、接线装置、应变采集仪和计算机。所述的电阻应变片通过接线端子连接导线,该导线从海底管道模型1的一侧全部引出,并与所述的拉力传感器25分别连接应变采集仪,所述的应变采集仪连接电子计算机。在该设置中,连接所述电阻应变片的导线从海底管道模型1的一侧全部引出的目的是方便与所述的应变采集仪连接。
以下以带有多跨土箱26的海底管道模型1为例,介绍本发明的制作、安装和试验过程:
(1)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,再根据所述海底管道模型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以及第一端部土体支撑装置2、第二端部土体支撑装置2′和多跨土体装置21的材料和尺度。
(2)制作海底管道模型1:
A.沿薄壁铜管8的轴线方向划出前后相对、上下相对的四条平行线,确定电阻应变片的粘贴位置;
B.在所述薄壁铜管8的两端分别安装第一圆柱接头5和第二圆柱接头6并以销钉7固定;
C.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,分别使前后电阻应变片和上下电阻应变片互成一对,并采用半桥接法通过接线端子连接导线,要求以薄胶带将电阻应变片同接线端子连接的金属细丝与薄壁铜管8的表面隔开,以实现绝缘,在电阻应变片的粘贴处涂覆适量硅橡胶,以达到保护和防水目的;
D.引出各位置的导线至所述薄壁铜管6的一端并用薄胶带将导线沿所述薄壁铜管8的轴线方向固定;
E.在所述薄壁铜管8的外侧套上若干层热塑管,并在所述热塑管的外侧套上一层硅胶管,要求热塑管的外表面与硅胶管的内表面紧密接触。
(3)制作横向试验支持架3、第一端部土体支撑装置2、第二端部土体支撑装置2′、两个支撑板12以及多跨土体装置21,并将其安装好。
(4)将防漏沙法兰14安装在第一、第二端部土体支撑装置2和多跨土体装置21上,将海底管道模型1穿过多跨土体装置21的两端,将多跨土体装置21上的防漏沙布23捆绑在海底管道模型1上,将海底管道模型1的两端穿过第一、第二端部土体支撑装置2并固定在第一、第二支撑板12上,将第一、第二端部土体支撑装置2上的防漏沙布23捆绑在海底管道模型1上。
(5)将在所述海底管道模型1一端引出的导线沿所述第一端部土体支撑装置2或第二端部土体支撑装置2′延伸至所述横向试验支持架3的一端。
(6)将所述的横向试验支持架3置于拖车20的底部,并用拖车20上部的吊机将所述的横向试验支持架3吊起并安装在拖车20上。
(7)调节连接在所述横向试验支持架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数值。
(8)将自所述薄壁铜管6引出的连接电阻应变片的导线和连接拉力传感器25和导线分别与应变采集仪连接,并使应变采集仪连接其内部安装有相应数据采集分析软件的计算机。
(9)完成所有的安装后,进行调试,调试完毕后,可按工况及试验技术要求进行试验,用于测量分析系统的各仪器设备可采用相应的市售产品。
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 (8)
1.一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,包括海底管道模型、第一端部土体支撑装置、第二端部土体支撑装置、横向试验支持架、拖车、测量分析系统以及应变采集仪和计算机,其特征在于:
所述海底管道模型的两端分别穿过所述的第一、第二端部土体支撑装置并与其两侧的支撑板连接,所述的第一端部土体支撑装置和第二端部土体支撑装置以及两个支撑板的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接,所述的海底管道模型上设置有其上端连接所述横向试验支持架的多跨土体装置;
所述的第一、第二端部土体支撑装置,分别包括竖直方向的连接架和连接所述连接架的土箱,两个所述的连接架分别连接流线型的土箱外板,两个所述连接架的外侧分别连接支撑板,两个所述连接架的顶部与两个所述支撑板的顶部分别连接所述横向试验支持架的主体横梁两端;所述第一端部土体支撑装置侧的土箱外板下部设置有用于安装万向联轴节的通孔,所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在该侧的支撑板上,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;所述第二端部土体支撑装置侧的支撑板外侧设置有滑轮,所述的土箱外板下部位于所述滑轮下方位置设置有用于穿过钢丝绳的通孔,所述的钢丝绳自连接所述海底管道模型的第二圆柱接头穿过该侧支撑板上的过孔后绕过滑轮并依次连接拉力弹簧、拉力张紧器和拉力传感器连接所述横向试验支持架的主体横梁,所述钢丝绳和所述海底管道模型的轴线在与来流方向垂直的同一平面内;
所述的多跨土体装置包括多跨土箱和与其焊连接的多跨连接架,所述的多跨连接架由方形截面钢管焊接而成且其四周焊有条形薄板,所述多跨连接架的顶部固定在所述横向试验支持架的主体梁上;所述多跨土箱的两侧分别连接流线型的导流板,所述导流板的中部设置有插板。
2.根据权利要求1所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,其特征在于:所述的海底管道模型为裸管结构的薄壁铜管,自所述薄壁铜管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,所述薄壁铜管的两端分别通过销钉连接第一、第二圆柱接头。
3.根据权利要求2所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,其特征在于: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。
4.根据权利要求1所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,其特征在于:所述的横向试验支持架包括主体横梁,所述的主体横梁由长方形截面钢管和若干方形截面的钢管构成,所述主体横梁的顶部安装用于支撑拖车的槽钢,所述主体横梁的内部安装用于放置长方体浮桶的薄壁木箱;所述的横向试验支持架通过其主体横梁顶部的槽钢以螺栓固定于所述拖车的底部,所述的拖车由动力系统、刹车系统、控制系统等组成。
5.根据权利要求1所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,其特征在于:所述的多跨土箱上设置有土箱,所述的土箱有两种舱室,一种是位于所述土箱中部用于放置土体的土体舱,一种是分别设置在所述土体舱两侧用于提供浮力的浮舱,所述土体舱的一侧设置有插板。
6.根据权利要求5所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,其特征在于:所述的插板由可以拆卸的两部分拼接而成,其中部开有便于所述的海底管道模型穿入且运动时不会触碰其边缘的大圆孔,在所述插板的大圆孔附近设置有连接所述海底管道模型的防漏纱布,所述的防漏纱布以尼龙扎带加以固定,并通过防漏法兰固定在插板上。
7.根据权利要求6所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,其特征在于:所述的防漏法兰包括由两个半圆部分拼接而成的扎口盘,所述的扎口盘以螺丝固定在第一端部土体支撑装置上、第二端部土体支撑装置上、多跨土体装置的导流板上以及土体舱的两侧,所述的扎口盘用于压紧所述防漏纱布的一端,所述防漏纱布的另一端由尼龙扎带绑定在海底管道模型上。
8.根据权利要求2所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统,其特征在于:所述的测量分析系统,包括设置在所述薄壁铜管与所述热塑管之间的多片电阻应变片和通过钢丝绳连接在所述横向试验支持架一侧的拉力传感器,所述的电阻应变片通过接线端子连接从海底管道模型一侧全部引出的导线,该导线与连接所述拉力传感器的导线分别连接应变采集仪,所述的应变采集仪连接电子计算机。
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CN105243275A (zh) * | 2015-10-10 | 2016-01-13 | 天津大学 | 一种海底多跨管道涡激振动的预报方法 |
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2016
- 2016-05-07 CN CN201610297462.3A patent/CN105973553B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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