CN110595871A - 一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，包括电脑，限位器，圆柱轨道，轨道座，螺栓，动力轮，内管，固定连接器，从动轮，爬壁车框架，应变片，水池，储气罐，调节阀，流量计，输气管，外管，电缆。实验前，找到一处合适的水池，该水池须具有一定的深度和大小，可以安装整个实验装置。在水池的一侧池壁上安装轨道，爬壁车在轨道上运行，测试管柱通过专用的连接器安装在爬壁车上。实验时，打开调节阀通气，开动爬壁车携带着测试管柱在水中移动。水流的扰动和高压气体的流通使测试管柱产生振动屈曲，应变片采集数据由电缆传至电脑，得到测试管柱内管在海洋环境中的力学性能特性。本发明的优点是安全可靠、操作简单、测量数据精确。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学、管柱力学和天然气开采技术领域，是一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法。
背景技术
海洋环境中的高产气井管柱是高速气体的流通的通道，由于海洋中洋流的作用，海水流过产气管柱时激励起的漩涡会引发管柱的振动，另外海水的流动一定程度也会引发产气管柱的弯曲变形。因此，洋流环境中的产气管柱振动是及其重要的研究内容。
在传统的海洋油气开采过程中，产气井管道内有高速气体流过，以及海洋中洋流的共同作用，导致产气管柱发生变形和振动，对海洋油气的开采产生了一定的影响。
本发明在海洋油气开采的过程中，对模拟产气井管柱的变形进行了一定的测量与控制，让管柱的振动和变形在电脑中显示出来，从而通过控制管柱的结构和约束，以及控制气体的流量来达到控制洋流环境中产气管柱变形的目的。进而，在海洋油气开采过程中，对于洋流环境气井垂直管柱的变形和振动有了一定的测量与控制，从而提高了作业效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种安全可靠、操作简单、测量数据精确、作业简单的一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法。
一种海洋测试管柱力学性能实验装置，包括电脑，限位器，圆柱轨道，轨道座，螺栓，动力轮，内管，固定连接，从动轮，爬壁车框架，应变片，水池，储气罐，调节阀，流量计，输气管，外管，电缆，实验前，找到合适的水池，该水池必须具有足够的深度和大小，足以安装整个实验装置，在水池的一侧池壁上平行安装两根圆柱轨道，通过轨道座和螺栓安装固定在池壁上，爬壁车由动力轮，从动轮和爬壁车框架(组成，将爬壁车安装在圆柱轨道上由电脑控制其沿池壁做平移运动，爬壁车框架上下两头由向外延伸的支杆，支杆顶端可以安装固定连接器，上下两个固定连接器分别夹持测试管柱的两头，测试管柱由内管和外管共同组成，将测试管柱通过固定连接器安装在爬壁车上，爬壁车启动后动力轮转动从而带动测试管柱在水中平行运动，测试管柱的底端与输气管连接，内管的外壁贴有应变片，实验时，打开调节阀通气由流量观测流量模拟高压产气，然后启动爬壁车使测试管柱在水中移动，水流的扰动高压气体的流通使测试管柱振动屈曲，应变采集到实验数据，通过电缆送至电脑得到海洋测试管柱力学性能特性。
所述实验装置适用于模拟洋流环境垂直高压产气井的工作。
所述实验装置，需要将整个装置安装在水池的一侧池壁上进行实验。
所述测试管柱在水中移动，通过测试管柱相与水的相对运动来模拟水流的流动，从而模拟了海洋环境中的水流扰动。
所述圆柱轨道通过轨道座和螺栓安装固定在池壁上，两根圆柱轨道平行安装为爬壁车使用。
所述爬壁车由动力轮，从动轮和爬壁车框架组成，该爬壁车安装在圆柱轨道上，电脑控制动力轮从而使其在水池中做平移运动，爬壁车的运动位置受限位器限制。
所述爬壁车上下端都有向外延伸的支杆，在支杆端部安装测试管柱可以让测试管柱在运动时避开爬壁车运动引起的水流扰动，使测试管柱只受自身运动的水流扰动的影响。
所述测试管柱的两端由固定连接器安装在爬壁车上，此爬壁车在水中运动同步携带着测试管柱在水中平移运动，以测试管柱在水中平动的方式模拟洋流。
所述的爬壁车安装有两个动力轮和六个从动轮，每四个轮组成一个轮组夹持一根圆柱轨道，通过两组轮组的刚性连接实现爬壁车的爬壁移动。
所述的爬壁车由动力轮提供动力，该动力轮通过电脑控制改变其转速，从而模拟不同速度的洋流。
所述测试管柱的底端接有输气管，输气管将输气管中的高压气体输入内管，模拟海洋高压产气。
所述测试管柱由内管和外管共同组成，模拟了真实情况下海洋完井采气管的结构。
所述输气管中的高压气体由调节阀调节，通过流量计观测流量的变化，从而模拟产气时的不同产量。
所述内管外壁上贴有应变片，由应变片测得内各个位置的变形数据。
所述应变片测得的变形数据由电缆传送至电脑，最终经处理得到测试管柱内管在海洋环境中的力学性能特性。
一种海洋测试管柱力学性能实验装置的组装步骤如下：
S1、找到合适的水池：该水池必须具有足够的深度和大小，以便于安装整个实验装置。
S2、安装圆柱轨道：在水一侧壁上打安装孔，将两根圆柱轨道行安装在水池壁上，通过轨道座和螺栓固定。
S3、安装爬壁车：将爬壁车的动力轮，从动轮和爬壁车框架通过零件组装在一起，再将组装好的爬壁车安装到圆柱轨道上，使其可以左右平移，最后在圆柱轨道上安装限位器。
S4、粘贴应变片：在内管上粘贴应变片，应变片环绕于管的四周，每层应变片等间距间隔90°分布于内管上，5层共20个。
S5、制作测试管柱：当内管上的应变片粘贴完成后，将内管插入外管并在两端固定中间留有环空，应变片的电缆由两管上端的环空中引出。
S6、安装测试管柱：将测试管柱的两端通过两块固定连接器安装在爬壁车框架的支杆上，此时测试管柱被固定在爬壁车上，爬壁车携带着垂直的测试管柱在水中做水平方向的平移。
S7、连接电缆、输气管：测试管柱安装完成后，在其上端连接电缆，电连接到电脑，测试管柱的下端连接输气管，输气管连接到输气二者中间接调节，由调节阀调节气体产量的大小。S8、水池注水，检查整套装置气密性，开机调试，使装置能够正常地工作。
一种海洋测试管柱力学性能实验装置的实验步骤如下：
S1、打开电脑：开始采集实验数据。
S2、启动爬壁车：爬壁车动力轮转动带动其在水中运动，测试管柱随着爬壁车一起在水中平动，当爬壁车到达限位器时自动停车。
S3、处理实验数据：通过应变片采集的实验数据可以通过模态分析法得到各个点的位移、振幅等，最后得到内管的振动、变形等力学性能数据。
本发明的优点：
1、本发明中的装置结构简单易于加工，只需要找到合适大小和深度的水池就可以开展实验，操作灵活性强。
2、本发明利所使用的的爬壁车，通过轨道安装在水池池壁上，可以在水中运动，安装稳定牢固，可以保证测试管柱运动的精确，以及消除实验因素以外的多余振动。
3、本发明中的爬壁车由动力轮提供动力，动力轮使用防水电机，由电脑控制，从而使测试管柱获得不同的移动速度，模拟多种流速的洋流。
4、本发明中的爬壁车安装有向外延伸的支杆，测试管柱通过支杆远离爬壁车，从而避开爬壁车周围的水流扰动。
5、本发明的测试管柱由内管和外管共同组成，还原了海洋环境完井气井产气管柱的结构。
6、本发明的内管由储气罐通入高压气体，通过流量计的观测由调节阀调节气体的压力和流量，模拟多种采气产量。
7、本发明的应变片可以精确地采集到管柱的实验数据。
8、本发明通过电脑处理应变片采集到的实验数据，通过模态分析法得到各个点的位移、振幅等，最后得到内管直观的振动、变形图像和数据。
9、本发明操作简单，测量数据精确，便于控制成本，对于实际作业场景安全可靠。
附图说明
图1为装置示意图。
图2为爬壁车移动示意图。
图3为爬壁车三视图。
图4为爬壁车安装图。
图5为应变片位置图。
图中：1-电脑，2-限位器，3-圆柱轨道，4-轨道座，5-螺栓，6-动力轮，7-内管，8-固定连接器，9-从动轮，10-爬壁车框架，11-应变片，12-水池，13-储气罐，14-调节阀，15-流量计，16-输气管，17-外管，18-电缆。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法：包括电脑(1)，限位器(2)，圆柱轨道(3)，轨道座(4)，螺栓(5)，动力轮(6)，内管(7)，固定连接器(8)，从动轮(9)，爬壁车框架(10)，应变片(11)，水池(12)，储气罐(13)，调节阀(14)，流量计(15)，输气管(16)，外管(17)，电缆(18)，实验前，找到合适的水池(12)，该水池(12)必须具有足够的深度和大小，足以安装整个实验装置，在水池(12)的一侧池壁上平行安装两根圆柱轨道(3)，通过轨道座(4)和螺栓(5)安装固定在池壁上，爬壁车由动力轮(6)，从动轮(9)和爬壁车框架(10)组成，将爬壁车安装在圆柱轨道(3)上由电脑(1)控制其沿池壁做平移运动，爬壁车框架(10)上下两头由向外延伸的支杆，支杆顶端可以安装固定连接器(8)，上下两个固定连接器(8)分别夹持测试管柱的两头，测试管柱由内管(7)和外管(17)共同组成，将测试管柱通过固定连接器(8)安装在爬壁车上，爬壁车启动后动力轮(6)转动从而带动测试管柱在水中平行运动，测试管柱的底端与输气管(16)连接，内管(7)的外壁贴有应变片(11)，实验时，打开调节阀(14)通气由流量计(15)观测流量模拟高压产气，然后启动爬壁车使测试管柱在水中移动，水流的扰动高压气体的流通使测试管柱振动屈曲，应变片(11)随之采集到实验数据，通过电缆(18)传送至电脑(1)得到海洋测试管柱力学性能特性。
组装操作步骤：
S1、找到合适的水池(12)：该水池(12)必须具有足够的深度和大小，以便于安装整个实验装置。
S2、安装圆柱轨道(3)：在水池(12)一侧壁上打安装孔，将两根圆柱轨道(3)平行安装在水池壁上，通过轨道座(4)和螺栓(5)固定。
S3、安装爬壁车：将爬壁车的动力轮(6)，从动轮(9)和爬壁车框架(10)通过零件组装在一起，再将组装好的爬壁车安装到圆柱轨道(3)上，使其可以左右平移，最后在圆柱轨道(3)上安装限位器(2)。
S4、粘贴应变片(11)：在内管(7)上粘贴应变片(11)，应变片(11)环绕于管的四周，每层应变片(11)等间距间隔90°分布于内管(7)上，5层共20个。
S5、制作测试管柱：当内管(7)上的应变片(11)粘贴完成后，将内管(7)插入外管(17)并在两端固定中间留有环空，应变片的电缆由两管上端的环空中引出。
S6、安装测试管柱：将测试管柱的两端通过两块固定连接器(8)安装在爬壁车框架(10)的支杆上，此时测试管柱被固定在爬壁车上，爬壁车携带着垂直的测试管柱在水中做水平方向的平移。
S7、连接电缆(18)、输气管(16)：测试管柱安装完成后，在其上端连接电缆(18)，电缆(18)连接到电脑(1)，测试管柱的下端连接输气管(16)，输气管(16)连接到输气管(13)二者中间接调节阀(14)，由调节阀(14)调节气体产量的大小。
S8、水池(12)注水，检查整套装置气密性，开机调试，使装置能够正常地工作。
实验步骤：
S1、打开电脑(1)：开始采集实验数据。
S2、启动爬壁车：爬壁车动力轮(6)转动带动其在水中运动，测试管柱随着爬壁车一起在水中平动，当爬壁车到达限位器(2)时自动停车。
S3、处理实验数据：通过应变片(11)采集的实验数据可以通过模态分析法得到各个点的位移、振幅等，最后得到内管(7)的振动、变形等力学性能数据。
Claims (10)
1.一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：包括电脑(1)，限位器(2)，圆柱轨道(3)，轨道座(4)，螺栓(5)，动力轮(6)，内管(7)，固定连接器(8)，从动轮(9)，爬壁车框架(10)，应变片(11)，水池(12)，储气罐(13)，调节阀(14)，流量计(15)，输气管(16)，外管(17)，电缆(18)，实验前，找到合适的水池(12)，该水池(12)必须具有足够的深度和大小，足以安装整个实验装置，在水池(12)的一侧池壁上平行安装两根圆柱轨道(3)，通过轨道座(4)和螺栓(5)安装固定在池壁上，爬壁车由动力轮(6)，从动轮(9)和爬壁车框架(10)组成，将爬壁车安装在圆柱轨道(3)上由电脑(1)控制其沿池壁做平移运动，爬壁车框架(10)上下两头由向外延伸的支杆，支杆顶端可以安装固定连接器(8)，上下两个固定连接器(8)分别夹持测试管柱的两头，测试管柱由内管(7)和外管(17)共同组成，将测试管柱通过固定连接器(8)安装在爬壁车上，爬壁车启动后动力轮(6)转动从而带动测试管柱在水中平行运动，测试管柱的底端与输气管(16)连接，内管(7)的外壁贴有应变片(11)，实验时，打开调节阀(14)通气由流量计(15)观测流量模拟高压产气，然后启动爬壁车使测试管柱在水中移动，水流的扰动高压气体的流通使测试管柱振动屈曲，应变片(11)随之采集到实验数据，通过电缆(18)传送至电脑(1)得到海洋测试管柱力学性能特性。
2.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述实验装置适用于模拟洋流环境垂直高压产气井的工作，需要将整个装置安装在水池(12)的一侧池壁上进行实验。
3.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述测试管柱在水中移动，通过测试管柱相与水的相对运动来模拟水流的流动，从而模拟了海洋环境中的水流扰动。
4.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述圆柱轨道(3)通过轨道座(4)和螺栓(5)安装固定在池壁上，两根圆柱轨道(3)平行安装为爬壁车使用。
5.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述爬壁车由动力轮(6)，从动轮(9)和爬壁车框架(10)组成，该爬壁车安装在圆柱轨道(3)上，电脑(1)控制动力轮(6)从而使其在水池(12)中做平移运动，爬壁车的运动位置受限位器(2)限制。
6.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述爬壁车上下端都有向外延伸的支杆，在支杆端部安装测试管柱可以让测试管柱在运动时避开爬壁车运动引起的水流扰动，使测试管柱只受自身运动的水流扰动的影响。
7.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述的爬壁车安装有两个动力轮(6)和六个从动轮(9)，每四个轮组成一个轮组夹持一根圆柱轨道(3)，通过两组轮组的刚性连接实现爬壁车的爬壁移动；所述的爬壁车的动力轮(6)通过电脑(1)控制改变其转速，从而模拟不同速度的洋流。
8.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述测试管柱由内管(7)和外管(17)共同组成，测试管柱的底端接有输气管(16)，输气管(16)将输气管(13)中的高压气体输入内管(7)，模拟海洋高压产气。
9.根据权利要求1所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法，其特征在于：所述输气管(16)中的高压气体由调节阀(14)调节，通过流量计(15)观测流量的变化，从而模拟产气时的不同产量。
10.根据权利要求1-9所述一种海洋测试管柱力学性能实验装置和实验方法的具体使用过程包括以下几个组装和实验步骤：
S1、找到合适的水池(12)：该水池(12)必须具有足够的深度和大小，以便于安装整个实验装置；
S2、安装圆柱轨道(3)：在水池(12)一侧壁上打安装孔，将两根圆柱轨道(3)平行安装在水池壁上，通过轨道座(4)和螺栓(5)固定；
S3、安装爬壁车：将爬壁车的动力轮(6)，从动轮(9)和爬壁车框架(10)通过零件组装在一起，再将组装好的爬壁车安装到圆柱轨道(3)上，使其可以左右平移，最后在圆柱轨道(3)上安装限位器(2)；
S4、粘贴应变片(11)：在内管(7)上粘贴应变片(11)，应变片(11)环绕于管的四周，每层应变片(11)等间距间隔90°分布于内管(7)上，5层共20个；
S5、制作测试管柱：当内管(7)上的应变片(11)粘贴完成后，将内管(7)插入外管(17)并在两端固定中间留有环空，应变片的电缆由两管上端的环空中引出；
S6、安装测试管柱：将测试管柱的两端通过两块固定连接器(8)安装在爬壁车框架(10)的支杆上，此时测试管柱被固定在爬壁车上，爬壁车携带着垂直的测试管柱在水中做水平方向的平移；
S7、连接电缆(18)、输气管(16)：测试管柱安装完成后，在其上端连接电缆(18)，电缆(18) 连接到电脑(1)，测试管柱的下端连接输气管(16)，输气管(16)连接到输气管(13)二者中间接调节阀(14)，由调节阀(14)调节气体产量的大小；
S8、水池(12)注水，检查整套装置气密性，开机调试，使装置能够正常地工作；
S9、设置电脑(1)：设置电脑(1)上的参数，控制爬壁车的动力轮(6)的转速，是爬壁车在实验开始时以合适的速度在水中运动；
S10、打开调节阀(14)：由流量计(15)观测气体的流量和压力，调节调节阀(14)，将气流控制到实验需要模拟的情况；
S11、打开电脑(1)：开始采集实验数据；
S12、启动爬壁车：爬壁车动力轮(6)转动带动其在水中运动，测试管柱随着爬壁车一起在水中平动，当爬壁车到达限位器(2)时自动停车；
S13、处理实验数据：通过应变片(11)采集的实验数据可以通过模态分析法得到各个点的位移、振幅等，最后得到内管(7)的振动、变形等力学性能数据。
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