CN110726529B - 一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开展天然气管道悬索跨越结构清管动力响应实验的装置，其中，透明钢化玻璃管和无缝钢管通过法兰相连接，主缆索作为主要的承力部件与塔架相连接。固定支架可将无缝钢管固定，放置在平板上，平板下方的凸轮转动可带动连杆上下移动，促使平板上下移动，从而实现管道的上下振动。信号测试装置加速度传感器与位移传感器可根据测试需要安装在无缝钢管相应的位置。该装置主要为研究天然气管道悬索跨越结构清管时的动力响应及其对清管两相流的影响而设计，能够获取管道悬索跨越结构在不同清管工况下的振动加速度、振动位移等，并模拟管道在不同的振动条件下，对清管两相流流型的影响。

Description

一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置

技术领域

本发明涉及油气储运工程安全领域，可探究管道跨越结构清管时，管道的振动加速度、位移等动力响应特征的变化，以及在不同振幅、振动频率等振动条件下，管内清管两相流流动状态，特别涉及一种可开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置。

背景技术

天然气管道在建设的过程中，常遇到跨越河流、深沟谷等不利于非开挖技术工程开展的地形条件，此时，往往需要采用管道跨越结构。管道跨越结构是一种将输送管道从天然或人工障碍物上部架空通过的建设工程，一般由管道、塔架、缆索以及可能存在的加劲梁组成。随着我国天然气管道的快速发展，管道悬索跨越结构已成为应用最广泛的跨越结构之一，已相继建成了跨度超过200m的悬索跨越结构若干座。

清管是天然气管道悬索跨越结构在试压前后或运行过程中不可缺少的常规操作流程，能够清除管内的积液、杂质等，从而提高管道运输效率，降低管内腐蚀损伤。但由于悬索跨越结构以缆索为主要的承力部件，缺乏土壤嵌固作用，在清管过程中，清管器推动管内积液不断积聚成为液弹，从而形成清管两相流，对管道和弯头形成冲击，造成管道的强振动与大位移，而管道的强振动与大位移又会反过来影响管内清管器运动与两相流流型的变化，造成更为强烈的振动与大位移现象。强振动与大位移严重威胁管道悬索跨越结构的安全运行，轻则引起跨越结构变形，重则引起管道失稳、破坏甚至坍塌，造成天然气泄漏甚至爆炸，不仅造成严重的经济损失，还会危害人民的生命财产安全。因此，对管道悬索跨越结构进行清管动力响应研究具有十分重要的意义。

由于天然气管道悬索跨越结构动力响应与管内清管两相流相互影响的复杂性，实验研究是认识清管物理过程、观察清管动力响应现象最为直接有效的方式。但目前，受已有管道跨越结构实验平台的限制，无法直观地观察到清管时管内清管器运动与两相流流型的变化，也难以控制管道的动力响应状态以分析其对清管两相流的影响。因此，为解决上述问题，进一步探究管道悬索跨越结构清管过程中的动力响应及其对清管两相流流型的影响，利用无缝钢管、透明钢化玻璃管、凸轮机构、振动测试仪、加速度传感器、位移传感器等设计了开展天然气管道悬索跨越结构清管动力响应实验的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，该装置主要是为了研究天然气管道悬索跨越结构清管时的动力响应及其对清管两相流的影响而设计的，能够获取管道跨越结构在不同清管工况下管道的振动加速度、振动位移等，模拟管道在不同的振动条件下，对清管两相流流型的影响。一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，包括三个部分：

(1)天然气管道悬索跨越结构主体，包括10透明钢化玻璃管、11无缝钢管、7塔架、8主缆索、9主吊索；

(2)振动来源装置，包括16固定支架、17平板、18凸轮、19连杆、20连杆固定转轴、21凸轮固定转轴；

(3)信号测试装置，包括14加速度传感器、15位移传感器。

管道悬索跨越结构的清管动力响应实验需要上述实验装置结合振动测试仪、电机、清管器、秒表、高速摄像仪等进行，管道的主要承力部件为7塔架、8主缆索与9主吊索。由于清管时的动力响应与管道本身的材料有关，测试管段采用11无缝钢管有利于振动位移、加速度等动力响应特征测试结果的准确性。测试管段前后采用10透明钢化玻璃管，有助于直观观察管道悬索跨越结构在清管时，管内清管器的运动及清管两相流流型的变化。17平板与凸轮机构依次放置在测试管段11无缝钢管的下方，利用16固定支架将17平板与11无缝钢管连接。

将3法兰拆卸投入清管器并重新安装3法兰，打开6注水阀门，在注水口注入一定的染色水，关闭6注水阀门，打开1空气压缩机并调至一定压力后，打开2阀门，使空气推动清管器向前运动，开始清管操作。改变1空气压缩机出口压力以及2阀门的开度，可以模拟不同的清管速度，在正式开始之前，需要反复试验获得与一定清管器运行速度相对应的阀门开度，改变注水量的大小可模拟不同的持液率，从而探究管道悬索跨越结构在不同清管速度、持液率的清管工况下，清管两相流流型的变化，以及管道的动力响应情况；连接电机使17平板下方的凸轮机构运转，利用18凸轮的转动带动19连杆上下移动，促使平板上下移动，从而实现管道的上下振动。并且，改变17平板的厚度或19连杆的长度可模拟不同的振动幅度，改变电机转速可调节凸轮转动速度，从而模拟不同的振动频率，探究管道在不同振动幅度、不同振动频率下的清管两相流变化情况。

本发明采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：

(1)通过改变1空气压缩机压力与2阀门的开度，可达到改变清管器运行速度的效果；

(2)通过改变在注水口注入染色水的体积，可达到改变管内持液率的效果；

(3)天然气管道悬索跨越结构测试管段采用11无缝钢管，有利于保证振动加速度、振动位移等测试参数的准确性；

(4)测试管段前后采用10透明钢化玻璃管可以直观观察清管器运动状态与清管两相流的变化，并利用高速摄像机记录管内流型；

(5)凸轮装置静止可模拟不同清管工况下的管道悬索跨越结构的清管动力响应情况，进而探究清管器速度及持液率对管道动力响应的影响；

(6)连接电机使凸轮机构运转时，改变17平板的厚度或19连杆长度可改变管道抬升高度，从而模拟管道在不同的振动幅度下对清管两相流的影响；

(7)连接电机使凸轮机构运转时，改变所连电机的转速可调节18凸轮转动速度，从而改变管道的振动频率，继而模拟管道在不同的振动频率下对清管两相流的影响；

(8)利用14加速度传感器、15位移传感器配合振动测试仪，可得到天然气管道悬索跨越结构的振动位移、振动加速度等动力响应参数。

附图说明

图1与图2是本发明一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置结构示意图。

图中：1空气压缩机、2阀门、3法兰、4法兰、5法兰、6注水阀门、7塔架、8主缆索、9主吊索、10透明钢化玻璃管、11无缝钢管、12法兰、13法兰、14加速度传感器、15位移传感器、16固定支架、17平板、18凸轮、19连杆、20连杆转轴、21凸轮转轴、22法兰、23法兰、24废水池、25主缆固定墩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明为一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，包括1空气压缩机、2阀门、3法兰、4法兰、5法兰、6注水阀门、7塔架、8主缆索、9主吊索、10透明钢化玻璃管、11无缝钢管、12法兰、13法兰、14加速度传感器、15位移传感器、16固定支架、17平板、18凸轮、19连杆、20连杆转轴、21凸轮转轴、22法兰、23法兰、24废水池、25主缆固定墩。

测试管段中介质来源为染色水、空气，其提供设备为空气压缩机；振动来源为凸轮机构，其动力设备为电机。具体实施方式为：

(1)天然气管道悬索跨越结构清管动力响应实验

第一步，实验平台搭建完毕后，将14加速度传感器、15位移传感器安装在11无缝钢管段的段头、段中与段尾三处，并连接振动测试仪。布置好高速摄像机，使其与管道平行；

第二步，设置10组不同的工况，具体如表1所示；

表1清管实验工况表

第三步，拆卸3法兰，装入清管器，并重新装上3法兰；

第四步，根据表1中的工况1，打开6注水阀门注入700ml染色水后，关闭6注水阀门；

第五步，打开1空气压缩机，打开并控制2阀门的开度以控制清管器流速，同时打开高速摄像机记录清管器运动与两相流流型的变化情况，打开秒表记录清管时间，打开振动测试仪记录振动加速度与振动位移；

第六步，待清管器吹出10透明钢化玻璃管的同时，停止计时，2分钟后关闭振动测试仪，高速摄像机与1空气压缩机；

第七步，重复上述第三步至第六步，直至完成工况1-10的全部实验；

第八步，根据清管动力响应实验的振动加速度、振动位移测试结果，以及高速摄像机记录的管内清管器运动与清管两相流的变化情况，分析清管时的清管两相流变化的物理过程，以及持液率、清管速度对管道动力响应特征的影响规律。

(2)天然气管道悬索跨越结构动力响应对清管两相流的影响实验

第一步，将14加速度传感器、15位移传感器安装在11无缝钢管段的段头、段中与段尾三处，并连接振动测试仪。布置好高速摄像机，使其与管道平行，连接凸轮机构运转所需要的电机；

第二步，设置12组实验工况，如表2所示；

表2管道动力响应对清管两相流的影响实验工况表

第三步，拆卸3法兰，装入清管器，并重新装上3法兰；

第四步，根据表2中的工况1，打开6注水阀门注入700ml染色水后，关闭6注水阀门；

第五步，选择对应长度的19连杆，调整电机转速，开启1空气压缩机，待压力上升至所需值，打开并控制2阀门的开度以控制清管器速度，同时打开高速摄像机记录清管器的运动及清管两相流的变化情况，打开秒表记录清管时间，打开振动测试仪记录振动加速度与振动位移；

第六步，待清管器吹出10透明钢化玻璃管的同时，停止计时，关闭电机，2分钟后关闭振动测试仪，高速摄像机，1空气压缩机；

第七步，重复上述第三步至第六步，直至完成工况1-12的全部实验；

第八步，根据高速摄像机记录的管内清管器与清管两相流流型的变化情况，结合实验工况，对比两次实验的振动加速度、振动位移的测试结果，分析管道的振动幅度、振动频率对清管两相流流型的影响规律。实验测试结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，由空气压缩机(1)、阀门(2)、法兰、注水阀门(6)、塔架(7)、主缆索(8)、主吊索(9)、透明钢化玻璃管(10)、无缝钢管(11)、加速度传感器(14)、位移传感器(15)、固定支架(16)、平板(17)、凸轮(18)、连杆(19)、连杆转轴(20)、凸轮转轴(21)、废水池(24)、主缆固定墩(25)组成；其特征在于所述透明钢化玻璃管(10)与无缝钢管(11)通过法兰连接，并由主吊索(9)将二者与主缆索(8)连接，主缆索(8)作为主要的承力部件，与塔架(7)连接，并通过主缆固定墩(25)在地面固定，废水池(24)设置在透明钢化玻璃管(10)的末端，空气压缩机(1)通过阀门(2)与透明钢化玻璃管(10)连接，注水阀门(6)与透明钢化玻璃管(10)连接；所述固定支架(16)、平板(17)、凸轮(18)、连杆(19)、连杆转轴(20)、凸轮转轴(21)为振动来源装置，其中，固定支架(16)可将无缝钢管(11)固定，放置在平板(17)上，平板(17)下方为由凸轮(18)、连杆(19)、连杆转轴(20)、凸轮转轴(21)组成的凸轮机构，凸轮(18)绕凸轮转轴(21)转动，带动连杆(19)绕连杆转轴(20)上下移动，促使平板(17)上下移动，从而实现管道的上下振动；所述加速度传感器(14)与位移传感器(15)为信号测试装置，根据测试需要安装在无缝钢管(11)相应的位置。

2.如权利要求1所述的一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，其特征在于：测试管段采用无缝钢管(11)，测试管段前后采用透明钢化玻璃管(10)。

3.如权利要求1所述的一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，其特征在于：平板(17)与凸轮机构依次放置在测试管段无缝钢管(11)的下方，利用固定支架(16)将平板(17)与无缝钢管(11)连接，静止可模拟不同清管工况下的管道悬索跨越结构的清管动力响应情况。

4.如权利要求1所述的一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，其特征在于：平板(17)与凸轮机构依次放置在测试管段无缝钢管(11)的下方，利用固定支架(16)将平板(17)与无缝钢管(11)连接，连接电机使凸轮机构运转时，改变平板(17)的厚度或连杆(19)长度可改变管道抬升高度。

5.如权利要求1所述的一种开展天然气管道悬索跨越结构清管响应实验的装置，其特征在于：平板(17)与凸轮机构依次放置在测试管段无缝钢管(11)的下方，利用固定支架(16)将平板(17)与无缝钢管(11)连接，连接电机使凸轮机构运转时，改变所连电机的转速可调节凸轮(18)转动速度，从而改变管道的振动频率。

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