CN106052987A - 采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，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连接，所述的横向试验支持架上安装有敲击抑制装置，所述敲击抑制装置的下端连接击打装置，所述第二端部支撑装置的外侧安装有连接横向试验支持架的钢丝绳连接件并通过钢丝绳连接件顺序连接钢丝绳连接螺母、拉力弹簧、其下端缠绕滑轮的钢丝绳。其优点是：能够有效的抑制发生“锁定”现象时海洋立管的涡激振动，可以比较全面的观测带有敲击抑制装置的立管涡激振动现象及其特征并获得可靠的实验结果，从而更好的探究敲击对海洋立管涡激振动的抑制机理。

Description

采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置

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，本发明涉及一种采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置。

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。海水流过海洋立管时，管道后缘将产生交替的漩涡脱落，诱使管道振动，而结构振动又会反作用于流场，这种典型的流-固耦合现象称为“涡激振动”。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。

为了有效的抑制立管涡激振动，各国学者进行了大量研究并提出了多种抑制措施，常见的涡激振动抑制措施有被动控制和主动控制两类：

被动控制是直接改变结构表面形状或安装附加装置，从而改变结构周围的流场，这种方式在实际工程中已得到广泛应用。例如：(1)螺旋列板(helical strakes)、突起(bumps)等表面突出结构；(2)整流罩(fairings)、分隔板(splitter plate)等尾流控制装置；(3)轴向板条(axial rod shroud)、控制杆(control rod)等覆盖结构。目前在国内外，对螺旋列板和整流罩的研究比较成熟。

主动控制是近年来发展起来的涡激振动控制措施，通过监测流场和结构受力情况，运用计算机自动控制技术，在流场中引入外部扰流从而控制漩涡脱落。例如：声激励系统、抽吸与喷吹、圆柱体的旋转振动等。2003年第2期《Computers&Fluids》杂志中的论文“Optimal control of cylinder wakes via suction and blowing”介绍了抽吸和喷吹条件下漩涡脱落控制的应用方法。2006年第8期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“.Flow structure of wake behind a rotationally oscillating circularcylind”研究了位于旋转摆动圆柱体后面的结构流-固耦合现象。海洋立管涡激振动主动控制无疑是一种比较理想的方法，它对于提高立管结构抵抗外界激励不确定性的能力，以及在振动发生时连续自动地调整结构动力特性方面均优于被动抑制方法。

经过对现有的技术文献调研发现，国内外对于敲击抑制立管涡激振动的实验研究还非常少，在如何设计实验装置及如何实现对海洋立管的敲击作用方面，还存在诸多不足，而模型实验是目前研究敲击对海洋立管涡激振动抑制效果的最有效的手段。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，并究其对涡激振动的抑制效果，为工程实际提供参考和借鉴。

本发明的技术方案是：

一种采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，包括海洋立管模型、第一端部支撑装置、第二端部支撑装置、横向试验支持架、拖车、敲击抑制装置以及应变采集仪和计算机；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横向试验支持架的两端相连接，所述的横向试验支持架上安装有由动力传输装置驱动的敲击抑制装置，所述敲击抑制装置的下端通过连接杆连接击打装置，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钢丝绳连接件，所述的钢丝绳连接件通过钢丝绳连接螺母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。

所述的海洋立管模型包括外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管，所述薄壁铜管的外表面由内向外依次设置有紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，所述薄壁铜管的外表面与所述的热塑管之间设置有多片用于采集应变的电阻应变片，多片所述的电阻应变片分别通过接线端子与多条7芯导线相连，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相固定；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，所述的主体横梁由截面为长方形的钢管和若干截面为方形的钢管构成，其内部安装有用来放置长方体浮桶的薄壁木 箱；所述的横向试验支持架以其顶部的槽钢通过螺栓固定于拖车的底部，所述的拖车上设置有动力系统、刹车系统以及控制系统。

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，两个所述支撑管的上端分别连接所述横向试验支持架主体横梁的两端，两个所述支撑管的底部分别连接由钢板制作的支撑板，所述支撑板的内侧通过导流板固定螺丝连接与其平行且以塑料材质制作的导流板，所述的导流板上螺栓连接以薄铁板条制作的加强架，所述的横向试验支持架与所述第一、第二端部支撑装置的连接端分别安装具有加固作用的斜撑管。

所述第一端部支撑装置侧的导流板下部开有通孔并在通孔内安装有万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在该侧的支撑板上，所述万向联轴节的另一端与位于该侧的所述海洋立管模型的第一圆柱接头连接。

所述第二端部支撑装置侧的导流板下部开有管道安装通孔，该侧的支撑板外侧安装有滑轮且在所述滑轮的下方开有钢丝绳过孔，在该侧横向试验支持架的主体横梁与第二端部支撑装置的连接端安装有拉力传感器，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；所述的拉力弹簧连接自所述的第二圆柱接头穿过该侧所述支撑板上钢丝绳过孔后绕过所述的滑轮的钢丝绳，所述的钢丝绳与所述海洋立管模型1的轴线均处于与来流方向垂直的同一平面内。

所述的敲击抑制装置包括通过连接杆连接为一体的动力传输装置和击打装置，还包括安装在所述的横向试验支架上并用于支撑电机的电机支座；

所述的动力传输装置包括固定板以及设置在所述固定板上的滑轨和一对轮盘，所述的滑轨与滑块构成滑移副，所述的轮盘安装在所述的固定板上并通过所述电机支座上的轮盘支柱予以固定，所述的轮盘上安装传动带，所述的传动带上焊接抬升片；

所述的击打装置包括通过连接绳与所述的滑块相连接的击打块，还包括分别连接在所述击打块上端的压缩弹簧和所述击打块下端的反弹弹簧，所述击打块的下端连接击打杆。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)通过敲击，破坏流体与结构间的相互作用，并有效的抑制发生“锁定”现象时海洋立管的涡激振动，同时对来流的适应性也很强。

(2)可以比较全面的观测带有敲击抑制装置的立管涡激振动现象及其特征并获得可靠的实验结果，用来效验理论和数值模型的精度。

(3)可以更好的探究敲击对海洋立管涡激振动的抑制机理，为工程实际提供必要的实验参考和技术支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中海洋立管模型的裸管结构示意图；

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中海洋立管模型与其两端部第一、第二支撑装置的连接示意图；

图8是图1中敲击抑制装置的主视图；

图9是图8的侧视图；

图10是图1中横向试验支持架与拖车位置的俯视图；

图11是图10的侧视图；

图12是图1中横向试验支持架与敲击抑制装置的位置关系示意图；

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-敲击抑制装置； 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-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-拉力弹簧； 20-拖车；

21-动力传输装置； 22-击打装置； 23-拉力张紧器；

24-拉力传感器； 25-连接杆； 26-电机；

27-轮盘支柱； 28-电机支座； 29-滑块；

30-固定板； 31-滑轨； 32-击打块；

33-击打杆； 34-轮盘； 35-传动带；

36-抬升片； 37-压缩弹簧； 38-反弹弹簧。

具体实施方式

为了使本发明的优点和特征更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对其技术方案作以详细说明。

参照图1并结合图3、图4、图7，本发明采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，包括海洋立管模型1，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，所述的横向试验支持架3上安装有由动力传输装置21驱动的敲击抑制装置4，所述敲击抑制装置4的下端通过连接杆26连接击打装置22，所述第二端部支撑装置2′的外侧安装有连接所述横向实验支持架3端部的拉力传感器24，所述的拉力传感器24连接拉力张紧器23，所述的拉力张紧器23通过钢丝绳连接螺母连接拉力弹簧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。所述第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′分别使用方形铁管焊接而成。

参照图2，所述的海洋立管模型1为裸管结构，其构成包括外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管8，所述薄壁铜管8的外表面由内向外依次设置有紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，所述薄壁铜管8的外表面与所述的热塑管之间设置有多片用于采集应变的电阻应变片，多片所述的电阻应变片分别通过接线端子与多条导线相连，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的两端相固定；所述薄壁铜管8的一端连接以销钉7固定的第一圆柱接头5，所述薄壁铜管8的另一端连接以销钉7固定其直径大于第一圆柱接头5的第二圆柱接头6。所述的导线为7芯导线。

参照图7并结合图1、图5、图6，所述的第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′分别包括竖直方向的支撑管13，两个所述支撑管13的上端分别连接所述横向试验支持架3主体横梁的两端，两个所述支撑管13的底部分别连接由钢板制作的支撑板14，所述支撑板14的内侧通过导流板固定螺丝18连接与其平行的塑料材质导流板11，所述的导流板11上螺栓连接薄铁板条的加强架12，所述的 横向试验支持架3与所述第一端部支撑装置2、第二端部支撑装置2′的连接端分别安装具有加固作用的斜撑管9。

所述第一端部支撑装置2侧的导流板11下部开有通孔并在通孔内安装有万向联轴节10，所述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15固定在该侧的支撑板14上，所述万向联轴节10的另一端与位于该侧的所述海洋立管模型1的第一圆柱接头5连接；

所述第二端部支撑装置2′侧的导流板11下部开有管道安装通孔，该侧的支撑板14外侧安装有滑轮16，所述滑轮16的下方开有钢丝绳过孔，在该侧横向实验支持架3的主体横梁与第二端部支撑装置2′的连接端安装有拉力传感器24，所述拉力传感器24的另一端依次连接有拉力张紧器23和拉力弹簧19；所述的拉力弹簧19连接自所述的第二圆柱接头6穿过该侧所述支撑板14上钢丝绳过孔后绕过所述的滑轮16的钢丝绳17，所述的钢丝绳17与所述海洋立管模型1的轴线均处于与来流方向垂直的同一平面内。

参照图10、图11并参照图1，所述的横向实验支持架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；所述的横向实验支持架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，它是所述横向实验支持架3和部分测量分析系统的载体。

参照图12并结合图1，所述的敲击抑制装置4包括动力传输装置21、击打装置22、连接杆25，还包括安装在所述的横向实验支架3上用于支撑电机26的电机支座28。

参照图8并结合图9，所述的动力传输装置21包括固定板30以及设置在所述固定板30上的滑轨31和一对轮盘34，所述的滑轨31与滑块29构成滑移副，所述的轮盘34安装在所述的固定板30上并通过所述电机支座28上的轮盘支柱27予以固定，所述的轮盘34上安装传动带35，所述的传动带35上焊接抬升片36；所述的击打装置22包括通过连接绳与所述的滑块30相连接的击打块33，还包括分别连接在所述击打块33上端的压缩弹簧40和所述击打块33下端的反弹弹簧41，所述击打块33的下端连接击打杆34；所述的动力传输装置21和击打装置22通过连接杆26连接为一体；

所述敲击抑制装置4的工作原理是：启动电机27带动所述的轮盘35转动，并将动力传递给其上焊有抬升片39的传动带，使所述的抬升片39随同传送带周期性地转动，同时按一定的时间间隔抬升所述的滑块30；

由于所述电机27的转速可以调节，故可以通过调节其转速改变所述滑块30的起落周期；又由于两个所述轮盘35之间的距离可以调节，故可以通过对其距离的调节改变滑块30沿滑轨32运动的行程；

当所述的滑块29在所述滑轨31的底部与抬升片36接触时被抬升，当所述的滑块29在所述滑轨31的顶部与抬升片36分离时自由下落；由于所述的击打块32通过连接绳与所述的滑块29连接，所以，在所述的滑块29上升过程中，所述的击打块32也随其上升并压缩所述的压缩弹簧37；又由于所述的击打杆33焊接在击打块32的底部，所以，在所述的滑块29下降过程中，所述的击打块32也随其下降并带动所述的击打杆33下降，从而压缩所述的反弹弹簧38；

所述的击打块32为可拆卸设置，可根据需要更换不同质量的击打块32通过所述的击打杆33对所述海洋立管模型1进行周期性击打，其击打速度可以通过调节所述滑块29的行程来控制；

所述压缩弹簧37在击打块32上升时被压缩，可在击打块32下降时为其提供动力；所述的反弹弹簧38在击打块下降被压缩，可在完成对所述海洋立管模型1的击打后为所述击打块32的上升提供动力。为了有效的消除连接杆对流场的干扰，所述的连接杆25为翼型设置。

所述的导线和所述的拉力传感器24分别连接应变采集仪，所述的应变采集仪连接计算机。

本发明中的测量分析系统包括从所述海洋立管模型1的一侧全部引出的导线，所述的导线分别通过接线端子连接电阻应变片和应变采集仪，并通过所述的应变采集仪连接拉力传感器25和计算机。所述的导线从所述海洋立管模型1的一侧全部引出的目的是方便连接所述的应变采集仪。

制作本发明时，应首先根据拖曳水池的尺度、拖车20的速度以及试验工况的具体情况和试验的经济性，获得海洋立管模型1的具体尺度；在根据所述海洋立管模型1和拖车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、敲击抑制装置4、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；然后依次制作所述的海洋立管模型1、横向试验支持架3、敲击抑制装置4以及第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′等装置；测量分析系统可采用市售的仪器或设备。

下面以带有所述敲击抑制装置4的海洋立管模型1为例，说明本发明的制造和使用方法：

(1)首先在制作所述海洋立管模型1的薄壁铜管8上沿其轴线方向划出上下 相对和左右相对的四条平行线，确定电阻应变片的粘贴位置；

(2)在所述薄壁铜管8的两端分别装上第一圆柱接头5和第二圆柱接头6，去除所述电阻应变片粘贴位置的铜管表面氧化层后粘贴电阻应变片，要求左右位置的电阻应变片互成一对，上下位置的电阻应变片互成一对，并分别采用半桥接法，通过接线端子连接导线，同时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的铜管表面隔开以实现绝缘；

(3)在电阻应变片粘贴处涂覆适量的硅橡胶，以达到保护和防水目的；

(4)引出各位置的导线至所述薄壁铜管8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，然后在薄壁铜管8的外侧套上若干层热塑管，再在所述的热塑管外侧套上一层内表面紧密接触所述热塑管的硅胶管，由此完成所述海洋立管模型1的制作；

(5)将所述横向实验支持架3的两端固定在所述第一端部支撑装置2和第二端部支撑装置2′的两个支撑管13上端，然后在所述的横向实验支持架3上安装电机支座28，并在所述的电机支座28上安装电机26，再在所述的横向实验支持架3外侧安装敲击抑制装置4；

(6)将所述海洋立管模型1的一侧引出的导线沿第一端部支撑装置2或第二端部支撑装置2′分别沿所述的第一端部支撑装置2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23使其端部拉力达到试验工况所需要的值；

(7)使所述的拉力传感器25和导线与所述的应变采集仪连接，再将所述的应变采集仪连接计算机，所述计算机内部安装有相应的数据采集分析软件。

(8)对安装完毕后的所有仪器装置进行调试，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 (9)

1.一种采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，包括海洋立管模型、第一端部支撑装置、第二端部支撑装置、横向试验支持架、拖车、敲击抑制装置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横向试验支持架的两端相连接，所述的横向试验支持架上安装有由动力传输装置驱动的敲击抑制装置，所述敲击抑制装置的下端通过连接杆连接击打装置，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钢丝绳连接件，所述的钢丝绳连接件通过钢丝绳连接螺母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。

2.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：所述的海洋立管模型包括外径为8mm、壁厚为1mm的薄壁铜管，所述薄壁铜管的外表面由内向外依次设置有紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，所述薄壁铜管的外表面与所述的热塑管之间设置有多片用于采集应变的电阻应变片，多片所述的电阻应变片分别通过接线端子与多条7芯导线相连，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相固定；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。

3.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：所述的横向试验支持架包括主体横梁，所述的主体横梁由截面为长方形的钢管和若干截面为方形的钢管构成，其内部安装有用来放置长方体浮桶的薄壁木箱；所述的横向试验支持架以其顶部的槽钢通过螺栓固定于拖车的底部，所述的拖车上设置有动力系统、刹车系统以及控制系统。

4.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：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，两个所述支撑管的上端分别连接所述横向试验支持架主体横梁的两端，两个所述支撑管的底部分别连接由钢板制作的支撑板，所述支撑板的内侧通过导流板固定螺丝连接与其平行且以塑料材质制作的导流板，所述的导流板上螺栓连接以薄铁板条制作的加强架，所述的横向试验支持架与所述第一、第二端部支撑装置的连接端分别安装具有加固作用的斜撑管。

5.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：所述第一端部支撑装置侧的导流板下部开有通孔并在通孔内安装有万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在该侧的支撑板上，所述万向联轴节的另一端与位于该侧的所述海洋立管模型的第一圆柱接头连接。

6.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：所述第二端部支撑装置侧的导流板下部开有管道安装通孔，该侧的支撑板外侧安装有滑轮且在所述滑轮的下方开有钢丝绳过孔，在该侧横向试验支持架的主体横梁与第二端部支撑装置的连接端安装有拉力传感器，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；所述的拉力弹簧连接自所述的第二圆柱接头穿过该侧所述支撑板上钢丝绳过孔后绕过所述的滑轮的钢丝绳，所述的钢丝绳与所述海洋立管模型1的轴线均处于与来流方向垂直的同一平面内。

7.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：所述的敲击抑制装置包括通过连接杆连接为一体的动力传输装置和击打装置，还包括安装在所述的横向试验支架上并用于支撑电机的电机支座。

8.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：所述的动力传输装置包括固定板以及设置在所述固定板上的滑轨和一对轮盘，所述的滑轨与滑块构成滑移副，所述的轮盘安装在所述的固定板上并通过所述电机支座上的轮盘支柱予以固定，所述的轮盘上安装传动带，所述的传动带上焊接抬升片。

9.根据权利要求1所述的采用敲击方式对海洋立管涡激振动进行主动控制的装置，其特征在于：所述的击打装置包括通过连接绳与所述的滑块相连接的击打块，还包括分别连接在所述击打块上端的压缩弹簧和所述击打块下端的反弹弹簧，所述击打块的下端连接击打杆。