CN107478508B - 深水顶张式立管的复杂弯曲试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋深水立管的研究试验装置，公开了深水顶张式立管的复杂弯曲试验装置，该装置包括设置在固定架上的模型管线(1)，模型管线(1)上、下两端侧面与供水管线系统连接；模型管线(1)上端采用卡盘固定并通过支架连接到固定架上；在固定架(16)的下部设有反力架(14)，反力架(14)通过弹簧与第二卡盘(2)连接；模型管线(1)上、下两端有活塞，活塞尾部安装有控制活塞的卡扣；在模型管线上贴有应变片，用来测量模型管线的壁张力和振动响应；在模型管线的上端设有压力表，用来测量模型管线内的压力。本发明可以实现深水顶张式立管的复杂弯曲试验研究，为立管复杂弯曲计算提供依据和试验验证。
Description
技术领域
本发明涉及海洋深水立管的研究试验装置，尤其涉及了深水顶张式立管的复杂弯曲试验装置。
背景技术
深水顶张式立管是一种适用于深水环境的海洋立管，立管的作用在于连接海底井口与海洋石油平台，通过海洋立管可以将海底的石油天然气等资源源源不断地运向石油平台。深水顶张式立管的复杂弯曲是指立管在受到轴向张力时，在外载荷作用下的弯曲变形，其计算理论建立在梁的复杂弯曲理论基础之上，其弯曲变形的几何刚度取决于管线自身的抗弯刚度以及受张力影响后抗弯刚度的变化。而梁的复杂弯曲理论针对的是实心梁问题(中空的箱梁等结构在广义上也可以等效为实心梁)，其发生复杂弯曲时张力完全由梁的横截面纤维束承担。然而立管内部充斥着液体，液体不会承担任何张力，但却可以承担压力，因此具有一定内压的立管其液体的作用与实心梁的固体纤维作用是完全不同的。内压的作用对于立管壁的径向挤压是恒定存在的，径向的压力会使立管壁产生环向的壁张力，这是内压存在时产生的不可避免的影响，而实心梁的复杂弯曲问题不存在这种情况。另外，内压在立管轴线方向产生的压力是否会传递到立管的横截面纤维上对于立管的复杂弯曲是两种不一样的情况，应区别对待。因此，具有内压立管的复杂弯曲应根据其实际受力特征来确定选用壁张力、有效张力或者其他形式进行计算。
但是，目前深水顶张式立管复杂弯曲的计算普遍采用有效张力，而立管的有效张力则是根据浮力原理和力的平衡条件推导出来的。对于长细比较大的顶张式立管，可忽略其剪切变形。因此，其两向弯曲问题可采用Euler-Bernoulli梁的复杂弯曲理论。其运动方程为：
式中：EI为抗弯刚度；T为张力；m为TTR单位长度质量；c为结构阻尼和流体阻尼；x(z,t)为XOZ平面内的挠曲线(顺流向)；y(z,t)为YOZ平面内的挠曲线(横流向)；fx(z,t)为XOZ平面内的外荷载，即涡泄引起的脉动拖曳力；fy(z,t)为YOZ平面内的外荷载，即涡激升力；z为水深坐标。
式(1)是顺流向TTR运动微分方程，式(2)是横流向TTR运动微分方程。
上述计算方法的不恰当之处是忽略了立管内压带来的管壁张力变化，尤其在数模中通常用等效截面刚度的实心梁代替立管模型，完全忽略内压的影响，立管内的液体作用仅以质量的存在参与到立管的复杂弯曲计算中，从而导致现有立管复杂弯曲计算的不尽合理。
立管的复杂弯曲计算应该采用管壁张力、有效张力或者其他的形式已经受到国内外学者的广泛关注，而解决这一问题的最有效方法是进行试验研究。至今为止，仍没人完成对立管复杂弯曲问题的试验研究工作。
发明内容
本发明针对现有技术的缺点，提供了深水顶张式立管的复杂弯曲试验装置，从而解决深水顶张式立管复杂弯曲的计算问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
深水顶张式立管的复杂弯曲试验装置，包括固定架、设在固定架上的模型管线、供水管线系统，模型管线上、下两端侧面均与供水管线系统连接；模型管线上端设有第一活塞，模型管线下端设有第二活塞，固定架连接有第一卡扣、第二卡扣，第一活塞尾部安装于第一卡扣，第二活塞尾部安装于第二卡扣；固定架下侧设有滑道、反力架，滑道配合连接有滑槽，滑槽上设有第二支架，第二支架连接有第二卡盘，模型管线下侧连接于第二卡盘；反力架连接有弹簧的一端，弹簧的另一端连接第二卡盘，弹簧上设有弹簧拉力计。
模型管线上、下两端的第一活塞和第二活塞分别通过第一卡扣和第二卡扣限制其运动：当第一卡扣和第二卡扣分别夹紧第一活塞和第二活塞尾部并保持活塞头离开模型管线两端管壁时，模型管线的内压在两端未传递给管线自身；当第一卡扣和第二卡扣分别松开第一活塞和第二活塞时，模型管线的内压在两端传递给管线自身。因此，通过调节第一卡扣和第二卡扣，可以实现模型管线内压传递模式的改变。拉力计用于调节松紧并显示拉力读数，实现控制模型管线张力的目的。
作为优选，固定架上侧连接有第一支架，第一支架上设有第一卡盘，模型管线上侧连接于第一卡盘。
作为优选，模型管线表面贴有应变片，应变片用来测量模型管线的壁张力和振动响应；模型管线的上端设有压力表，压力表用来测量模型管线内的压力。
作为优选，供水管线系统包括与模型管线上端连接的入口管线，与模型管线下端一侧连接的第一出口管线，第一出口管线还连接有支管为第二出口管线，出口管线连通入口管线；入口管线的两端装有第一阀门和第二阀门；第一出口管线设有第三阀门和第四阀门，第二出口管线设有第五阀门；第二出口管线的末端通过第五阀门连接有水箱，水箱设有出水管，出水管连接有水泵，水泵出口设有第六阀门。
作为优选，还设有联轴节和电机，水泵通过联轴节与电机连接。
本发明的有益效果如下：本发明的试验装置，可以通过调节弹簧拉力计的松紧，控制模型管线张力的大小；通过调节阀门和水泵，控制模型管线的内压力；通过调节模型管线两端的活塞卡扣，实现管线内压传递模式的改变；通过扰动模型管线，使其产生自由振动，实现动态响应的测量、分析和验证。本发明可以实现深水顶张式立管的复杂弯曲试验研究，为立管复杂弯曲计算提供依据和试验验证。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
深水顶张式立管的复杂弯曲试验装置，如图1所示，包括固定架16、设在固定架16上的模型管线1、供水管线系统，模型管线1上、下两端侧面均与供水管线系统连接；模型管线1上端设有第一活塞30，模型管线1下端设有第二活塞31，固定架16连接有第一卡扣10、第二卡扣12，第一活塞30尾部安装于第一卡扣10，第二活塞31尾部安装于第二卡扣12；固定架16下侧设有滑道9、反力架14，滑道9配合连接有滑槽5，滑槽5上设有第二支架3，第二支架3连接有第二卡盘2，模型管线1下侧连接于第二卡盘2；反力架14连接有弹簧的一端，弹簧的另一端连接第二卡盘2，弹簧上设有弹簧拉力计33。
固定架16上侧连接有第一支架7，第一支架7上设有第一卡盘6，模型管线1上侧连接于第一卡盘6。
模型管线1表面贴有应变片32，应变片32用来测量模型管线1的壁张力和振动响应；模型管线1的上端设有压力表34，压力表34用来测量模型管线1内的压力。
供水管线系统包括与模型管线1上端连接的入口管线17，与模型管线1下端一侧连接的第一出口管线19，第一出口管线19还连接有支管为第二出口管线18，出口管线19连通入口管线17；入口管线17的两端装有第一阀门25和第二阀门29；第一出口管线19设有第三阀门26和第四阀门28，第二出口管线18设有第五阀门27；第二出口管线18的末端通过第五阀门27连接有水箱35，水箱35设有出水管20，出水管20连接有水泵21，水泵21出口设有第六阀门24。还设有联轴节22和电机23，水泵21通过联轴节22与电机23连接。
采用上述装置进行深水顶张式立管的复杂弯曲试验的方法如下：
步骤1.水箱35充水：将水箱35充水至离顶部有一定距离。
步骤2.向模型模型管线1冲水：开启第六阀门24、第一阀门25、第二阀门29、第四阀门28和第五阀门27，关闭第三阀门26，第一卡扣10夹紧第一活塞30尾部，保持活塞头离开模型管线1顶壁，第二卡扣12夹紧第二活塞31尾部，同样保持活塞头离开模型管线1底壁，此时模型管线的内压在两端未传递给管线自身，而是通过活塞传递给卡扣，采用此种方式是本专利的特点之一，启动水泵21。
步骤3.保持模型管线1的水不流动：当水箱35的第二出口管线18正常出水后，关闭第四阀门28，关闭水泵21，关闭第二阀门29，保持模型管线1内的水压为静水头压力，此时，应变片32的应变设定为零，此时模型管线1可以视为没有壁张力，视为不计模型管线1自重和静水压力影响。
步骤4.自由振动测试：扰动模型管线1，使其产生自由振动，记录下应变片32随时间变化的数据(应变时程)。
步骤5.固有频率计算：对应变时程作频谱分析，得出没有壁张力时的模型管线1固有频率f0。
步骤6.对模型管线1施加张力：张紧弹簧拉力计33，使第二卡盘2的第二支架3沿滑道9下移，模型管线1被张紧，保证施加的力比管线内的水自重大数十倍以上以减小静水压力对试验的影响，记下弹簧拉力计33读数F。从应变片32可读出模型管线的应变ε。此时，应变片32的读数全部是张力引起的，则此时截面的有效张力等于管壁张力：
Te＝Tw＝F
步骤7.自由振动测试：记录弹簧拉力计33和应变片32的读数，然后扰动模型管线1，使其产生自由振动，记录下应变片32随时间变化的数据(应变时程)。
步骤8.重复步骤5，求出有效张力等于壁张力时的模型管线固有频率f1。
步骤9.保持弹簧拉力计33张力增加模型管线1内的水压力：关闭第一阀门25和第五阀门27，开启第三阀门26和第四阀门28，启动水泵21加压，松开第一卡扣10使第一活塞30的活塞头贴紧管线顶壁，松开第二卡扣12使第二活塞31的活塞头贴紧模型管线1底壁，此时模型管线的内压在两端传递给管线自身，继续加压使模型管线1内的水压力增大至应变片32的读数是步骤6中施加张力产生的应变的两倍，即2ε，记下压力计34的读数为p(压强)，此时内压引起的壁张力大小也为F，关闭第三阀门26、第四阀门28和水泵21。此时的壁张力为：
Tw＝pA+Te＝pA+F＝2F
式中：A为模型管线内壁横截面积。因此，有效张力仍为：
Te＝F
步骤10.自由振动测试：扰动模型管线1，使其产生自由振动，记录下应变片32随时间变化的数据(应变时程)。
步骤11.重复步骤5，求出壁张力Tw＝pA+F的模型管线1固有频率f2。
步骤12.比较f1和f2，可得出没有外压条件下不同壁张力的固有频率变化情况。如果f1＝f2，则管线的复杂弯曲计算应采用有效张力，否则，应采用壁张力计算管线的复杂弯曲。
步骤13.改变内压在模型管线两端的传递模式：
延续步骤9的情形进行内压传递模式的改变，开启第三阀门26和第四阀门28，第一卡扣10夹紧第一活塞30尾部，保持第一活塞30的活塞头离开模型管线1顶壁，第二卡扣12夹紧第二活塞31尾部，同样保持第二活塞31的活塞头离开模型管线1底壁，启动水泵21加压，使得压力计34的读数同样为p，关闭第三阀门26、第四阀门28和水泵21。此时模型管线1的内压在两端未传递给管线自身，而是传递给了第一卡扣10和第二卡扣12，虽然内压引起的管内压力仍然存在，但此时内压对管壁张力的作用基本仅局限于环向应力，对于管线沿轴向的拉伸作用已同步骤9完全不同。
步骤14.自由振动测试：扰动模型管线1，使其产生自由振动，记录下应变片32随时间变化的数据(应变时程)。
步骤15.重复步骤5，求出此时模型管线1的固有频率f3。
步骤16.比较f3和f2，可得出相同内压和相同有效张力条件下不同内压传递模式的固有频率变化情况。如果f3＝f2，则内压传递模式对管线的复杂弯曲没有影响；如果f3≠f2，则内压传递模式对管线的复杂弯曲有影响。在f3≠f2的情况下，比较f3和f1，如果f3＝f1，则说明步骤13中模型管线固有频率为f3时其复杂弯曲情况可以用有效张力计算，此时的内压对管线的复杂弯曲没有影响；如果f3≠f1，则说明步骤13中模型管线固有频率为f3时的复杂弯曲情况应根据内压及其传递情况和有效张力特殊对待，而不是绝对的由有效张力或者壁张力决定。
步骤17.卸除模型管线1的张力：释放弹簧拉力计33，使其读数为零。
步骤18.使内压传递到模型管线两端管壁：开启第三阀门26和第四阀门28，启动水泵21加压，松开第一卡扣10使第一活塞30的活塞头贴紧管线顶壁，松开第二卡扣12使第二活塞31的活塞头贴紧管线底壁，继续加压使模型管线1内的水压力增大至与步骤9中施加的压力p相等，关闭第三阀门26、第四阀门28和水泵21。此时的壁张力为：
Tw＝F
步骤19.自由振动测试：扰动模型管线1，使其产生自由振动，记录下应变片32随时间变化的数据(应变时程)。
步骤20.重复步骤5，求出有效张力等于零的模型管线1固有频率f4。
步骤21.比较f1和f4，可以得出有效张力不同但壁张力相同时固有频率的变化情况。如果f1＝f4，则管线的复杂弯曲计算应采用壁张力，否则，应采用有效张力计算复杂弯曲。
步骤22.改变内压在模型管线两端的传递模式：延续步骤18的情形进行内压传递模式的改变，开启第三阀门26和第四阀门28，第一卡扣10夹紧第一活塞30尾部，保持活塞头离开管线顶壁，第二卡扣12夹紧第二活塞31尾部，同样保持活塞头离开管线底壁，启动水泵21加压，使得压力计34的读数同样为p，关闭第三阀门26、第四阀门28和水泵21。此时模型管线1的内压在两端未传递给管线自身，而是传递给了第一卡扣10和第二卡扣12，虽然内压引起的管内压力仍然存在，但此时内压对管壁张力的作用基本仅局限于环向应力，对于管线沿轴向的拉伸作用已同步骤18完全不同。
步骤23.自由振动测试：扰动模型管线1，使其产生自由振动，记录下应变片32随时间变化的数据(应变时程)。
步骤24.重复步骤5，求出此时模型管线1的固有频率f5。
步骤25.比较f5和f4，可得出相同内压和相同有效张力条件下不同内压传递模式的固有频率变化情况。如果f5＝f4，则内压传递模式对管线的复杂弯曲没有影响；如果f5≠f4，则内压传递模式对管线的复杂弯曲有影响。在f5≠f4的情况下，比较f5和f0，如果f5＝f0，则说明步骤22中模型管线固有频率为f5时其复杂弯曲情况可以用有效张力计算，此时的内压对管线的复杂弯曲没有影响；如果f5≠f0，则说明步骤22中模型管线固有频率为f5时的复杂弯曲情况应根据内压及其传递情况和有效张力特殊对待，而不是绝对的由有效张力或者壁张力决定。
实施例2
深水顶张式立管的复杂弯曲试验装置，如图1所示，包括固定架16、设在固定架16上的模型管线1、供水管线系统，模型管线1上、下两端侧面均与供水管线系统连接；模型管线1上端设有第一活塞30，模型管线1下端设有第二活塞31，固定架16连接有第一卡扣10、第二卡扣12，第一活塞30尾部安装于第一卡扣10，第二活塞31尾部安装于第二卡扣12；固定架16下侧设有滑道9、反力架14，滑道9配合连接有滑槽5，滑槽5上设有第二支架3，第二支架3连接有第二卡盘2，模型管线1下侧连接于第二卡盘2；反力架14连接有弹簧的一端，弹簧的另一端连接第二卡盘2，弹簧上设有弹簧拉力计33。
固定架16上侧连接有第一支架7，第一支架7上设有第一卡盘6，模型管线1上侧连接于第一卡盘6。
模型管线1表面贴有应变片32，应变片32用来测量模型管线1的壁张力和振动响应；模型管线1的上端设有压力表34，压力表34用来测量模型管线1内的压力。
供水管线系统包括与模型管线1上端连接的入口管线17，与模型管线1下端一侧连接的第一出口管线19，第一出口管线19还连接有支管为第二出口管线18，出口管线19连通入口管线17；入口管线17的两端装有第一阀门25和第二阀门29；第一出口管线19设有第三阀门26和第四阀门28，第二出口管线18设有第五阀门27；第二出口管线18的末端通过第五阀门27连接有水箱35，水箱35设有出水管20，出水管20连接有水泵21。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (3)
1.深水顶张式立管的复杂弯曲试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，调节模型管线(1)两端的活塞(2)和卡扣(3)，使活塞(2)离开模型管线(1)两端管壁，向模型管线(1)充水，并保持模型管线(1)的水不流动，此时应变片(4)的视为应变为零，模型管线(1)视为没有壁张力；
步骤二，扰动模型管线(1)，使其产生自由振动，记录下应变片(4)的应变时程数据；
步骤三，对步骤二中的应变时程数据作频谱分析，得出没有壁张力时的模型管线(1)固有频率f0；
步骤四，张紧弹簧拉力计(5)，保证施加的力比模型管线(1)内的水自重大20-80倍以上，此时弹簧拉力计(5)读数为F，从应变片(4)可读出模型管线(1)的应变ε，此时，应变片(4)的读数全部是张力引起的，模型管线(1)横截面的有效张力等于管壁张力；
步骤五，记录弹簧拉力计(5)和应变片(4)的读数，然后扰动模型管线(1)，使其产生自由振动，记录下应变片(4)的应变时程数据；
步骤六，对步骤五中的应变时程数据作频谱分析，求出有效张力等于壁张力时的模型管线(1)固有频率f1；
步骤七，保持弹簧拉力计(5)张力并增加模型管线(1)内的水压力，松开两端卡扣(3)使活塞(2)头贴紧模型管线(1)两端管壁，继续加压使模型管线(1)内的水压力增大至应变片(4)的读数是步骤四中施加张力产生的应变的两倍，即2ε，记下压力表(6)的读数为p，此时有效张力仍为F，而内压引起的壁张力也为F，总的壁张力为2F；
步骤八，扰动模型管线(1)，使其产生自由振动，记录下应变片(4)的应变时程数据；
步骤九，对步骤八中的应变时程数据作频谱分析，求出壁张力为2F时的模型管线(1)固有频率f2；
步骤十，比较f1和f2，可得出不同壁张力的固有频率变化情况；如果f1＝f2，则模型管线(1)的复杂弯曲计算应采用有效张力，如果f1≠f2，应采用壁张力计算模型管线(1)的复杂弯曲；
步骤十一，延续步骤七的情形进行内压传递模式的改变，夹紧两端卡扣(3)使活塞(2)头离开模型管线(1)两端管壁，启动水泵(7)加压，使得压力表(6)的读数同样为p；此时模型管线(1)的内压在两端未传递给模型管线(1)自身，而是传递给了模型管线(1)两端卡扣(3)，虽然内压引起的管内压力仍然存在，但此时内压对模型管线(1)管壁张力的作用基本仅局限于环向应力；
步骤十二，扰动模型管线(1)，使其产生自由振动，记录下应变片(4)的应变时程数据；
步骤十三，对步骤十二中的应变时程数据作频谱分析，求出此时模型管线(1)的固有频率f3；
步骤十四，比较f3和f2，可得出相同内压和相同有效张力条件下不同内压传递模式的固有频率变化情况：
如果f3＝f2，则内压传递模式对模型管线(1)的复杂弯曲没有影响；
如果f3≠f2，则内压传递模式对模型管线(1)的复杂弯曲有影响；
在f3≠f2的情况下，比较f3和f1，如果f3＝f1，则说明步骤十一中模型管线(1)固有频率为f3时其复杂弯曲情况可以用有效张力计算，此时的内压对模型管线(1)的复杂弯曲没有影响；如果f3≠f1，则说明步骤十一中模型管线(1)固有频率为f3时的复杂弯曲情况应根据内压及其传递情况和有效张力特殊对待，而不是绝对的由有效张力或者壁张力决定；
步骤十五，释放弹簧拉力计(5)，使其读数为零，加压同时松开模型管线(1)两端卡扣(3)使活塞(2)头贴紧两端管壁，如此内压传递到模型管线(1)两端管壁，继续加压使模型管线(1)内的水压力增大至与步骤七中施加的压力p相等，此时的壁张力为F；
步骤十六，扰动模型管线(1)，使其产生自由振动，记录下应变片(4)的应变时程数据；
步骤十七，对步骤十六中的应变时程数据作频谱分析，求出有效张力等于零的模型管线(1)固有频率f4；
步骤十八，比较f1和f4，得出有效张力不同但壁张力相同时固有频率的变化情况；如果f1＝f4，则模型管线(1)的复杂弯曲计算应采用壁张力，否则，应采用有效张力计算复杂弯曲。
2.如权利要求1所述的深水顶张式立管的复杂弯曲试验方法，其特征在于：还包括如下步骤：
步骤十九，延续步骤十五的情形进行内压传递模式的改变，夹紧两端卡扣(3)使活塞(2)头离开模型管线(1)两端管壁，启动水泵(7)加压，使得压力表的读数同样为p，关闭第一阀门(8)、第二阀门(9)和水泵(7)；此时模型管线(1)的内压在两端未传递给模型管线(1)自身，而是传递给了两端卡扣(3)，虽然内压引起的管内压力仍然存在，但此时内压对模型管线(1)管壁张力的作用基本仅局限于环向应力；
步骤二十，扰动模型管线(1)，使其产生自由振动，记录下应变片(4)的应变时程数据；
步骤二十一，对步骤二十中的应变时程数据作频谱分析，求出此时模型管线(1)的固有频率f5；
步骤二十二，比较f5和f4，可得出相同内压和相同有效张力条件下不同内压传递模式的固有频率变化情况：
如果f5＝f4，则内压传递模式对模型管线(1)的复杂弯曲没有影响；
如果f5≠f4，则内压传递模式对模型管线(1)的复杂弯曲有影响；
在f5≠f4的情况下，比较f5和f0，如果f5＝f0，则说明步骤十九中模型管线(1)固有频率为f5时其复杂弯曲情况可以用有效张力计算，此时的内压对模型管线(1)的复杂弯曲没有影响；如果f5≠f0，则说明步骤十九中模型管线(1)固有频率为f5时的复杂弯曲情况应根据内压及其传递情况和有效张力特殊对待，而不是绝对的由有效张力或者壁张力决定。
3.如权利要求1所述的深水顶张式立管的复杂弯曲试验方法，其特征在于：模型管线(1)两端侧面分别与供水管道(15)连接，模型管线(1)两端用活塞(2)密封，活塞(2)通过固定其位置的卡扣(3)进行调节，从而现实模型管线(1)内压传递模式的改变；模型管线(1)上端采用第一卡盘(10)将其固定，模型管线(1)下端通过第二卡盘(11)、支架(12)、滑道(13)和弹簧拉力计(5)连接到反力支架(14)上；模型管线(1)中部贴有应变片(4)，应变片(4)用于测量模型管线(1)的静态应变和动态应变，模型管线(1)上部设置有压力表(6)，压力表(6)用于测定模型管线(1)内部压力的大小。
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