CN200962068Y - 单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置，包括系泊环、系泊孔、翼形挂柱、小肘板、横板、模型锚泊线分段、浮筒、重块、等效立管系统、单柱式海洋平台模型、拖车、非接触式光学测量系统、拉力传感器、应变放大器、接线装置、数据自动采集卡及计算机实时分析系统。用等效系泊系统来等效实际系泊系统的静力特性。用等效立管系统来等效实际立管系统的静力特性。模型系泊架由翼形挂柱、系泊环、系泊孔、小肘板和横板组成，翼形挂柱的截面形状为机翼形，系泊孔绕系泊环一周均匀分布。本实用新型可使模型系泊系统更加接近于单柱式海洋平台的工程实际，降低对模型试验水池的尺度要求，并可改变单柱式海洋平台模型和来流方向的角度。

Description

单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种试验装置，更具体地说，是一种单柱式海洋平台(Spar平台)涡激运动模型试验装置。用于海洋工程模型试验技术领域。

背景技术

随着人类石油开采的范围由浅海、近海扩展到了深海区域，传统的海上采油平台已不再满足深海采油的需要，一种新型的海上采油平台——单柱式海洋平台应运而生，在深度为500m至3000m的水域中显示了强大的生命力。由于单柱式海洋平台涡激运动的复杂性，目前对其进行模型试验研究仍是一种重要的研究方法。

在国内，有人做过小尺度海洋立管、海底缆绳和拖缆的涡激振动模型试验。这方面的模型试验一般在拖曳水池和水槽中完成。国内目前还没有人开展过对单柱式海洋平台这种大尺度海洋结构物涡激运动的研究。国外所做的这方面的模型试验研究一般在船模拖曳水池中完成。由于单柱式海洋平台绝大多数都为深海采油平台，其系泊系统十分庞大。而现有水池的尺度较小，一般完全不能容下按常规缩尺比缩小的单柱式海洋平台系泊系统。所以其系泊系统不得不采用等效的办法来处理。

经对现有技术文献的检索发现，在由Port City Press出版的“CD of the 2003Offshore Technology Conference”(2003年近海技术会议CD)中，论文编号为“OTC15242”，题目为“Model Test Experience on Vortex Induced Vibrations of TrussSpars”(桁架式Spar平台的涡激振动模型试验研究)。文中提到了一种单柱式海洋平台涡激振动模型试验技术，即把单柱式海洋平台模型悬挂系泊于拖车上，模型系泊缆分两段，水下部分为非弹性的锚泊绳，水上部分为一根或多根线弹性的弹簧，整个模型系泊系统的水平刚度与原系泊系统相似，在船模拖曳水池的水道中拖动模型形成相对流速，产生涡激运动，把测量仪器放置于拖车上，在拖车运动过程中对模型的涡激运动进行测量。但是该装置问题有2个：一，由于模型系泊缆下段系泊绳不具有弹性，模型系泊缆中力的变化仅靠其上端的弹簧，这样模型系泊系统的水平恢复力—水平偏移特性表现出高度的线性特性，难以模拟非线性的实际系泊系统的水平恢复力—水平偏移特性；二，把单柱式海洋平台模型悬挂系泊于拖车上，在模型试验时，系泊线中产生的是往上的拉力，这个力与浮力的方向是相同的，而实际平台是系泊于海底的，系泊锚链上产生的是和浮力反向的拉力，这样模型系泊缆上测出的拉力与实际系泊缆上的受力相差较远，而且模型系泊系统的垂直恢复力—水平偏移特性与实际系泊系统相背离。

发明内容

本实用新型的目的是解决以往在拖曳水池中完成单柱式海洋平台涡激运动模型试验时存在的上述两大技术问题，提供一种单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置，使其更加接近单柱式海洋平台工程实际的涡激运动模型试验装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型所述的单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置包括：模型系泊架、等效系泊系统、等效立管系统、单柱式海洋平台模型、拖车、测量分析系统。单柱式海洋平台模型通过等效立管系统和等效系泊系统与模型系泊架连接，模型系泊架固接于拖车上，测量分析系统中除少部分直接布置于等效立管系统和等效系泊系统外大部分仪器布置于拖车上。

所述的模型系泊架由翼形挂柱、横板、小肘板和系泊环组成。翼形挂柱的截面形状为机翼形，四根翼形挂柱固定于拖车上。横板横向穿过翼形挂柱并与其固接，横板的上端固接于拖车上。翼形挂柱延伸到水下穿过系泊环并与其固接。在系泊环的下表面与翼形挂柱两侧间用小肘板加固。为保证模型系泊架有足够的横向刚度，横板从拖车上延伸到不影响波浪的水面以上高度处。绕系泊环有均匀分布的系泊孔并在中部也开有系泊孔，可实现同一个单柱式海洋平台模型多角度系泊。沿流向布置的两根翼形挂柱间距可取为3倍单柱式海洋平台模型直径，垂直流向布置的两根翼形挂柱间距可取为5倍单柱式海洋平台模型直径，系泊环与单柱式海洋平台模型底部的距离按具体水池深度而定。用流体数值计算软件模拟系泊于刚性假底上待试验的特定单柱式海洋平台模型涡激运动，得到其振动的最大频率及等效系泊系统和等效立管系统上的最大受力。翼形挂柱、横板、小肘板和系泊环均取为普通钢材。对这些部件的尺寸选择一系列值，然后用结构数值计算软件计算模型系泊架的固有频率以及等效系泊系统和等效立管系统上受最大力时的模型系泊架位移，按试验要求的精度确定模型系泊架中所有部件的尺寸。

所述的等效系泊系统由模型锚泊线分段、浮筒、重块组成。浮筒和重块系挂在两个模型锚泊线分段连接处，其系挂位置可不完全相同于实际情况，并且其水中重量也是可变的。模型锚泊线的类型数与实际情况一样，各种类型的模型锚泊线布置也和实际一样。每种类型模型锚泊线分段的材质与实际锚泊线一致，表面相关系数也一致，只是其长度和直径是可变的。每种类型模型锚泊线的总长由模型系泊架的尺寸限制。通过改变每种类型模型锚泊线分段的长度和直径，改变浮筒和重块的个数、系挂位置和水中重量，用数学优化方法使得每根模型锚泊线的张力—水平位移特性与实际一致，总模型系泊系统的恢复力—水平位移特性与实际一致。

所述的等效立管系统中，立管数目、立管的材质和直径根据具体单柱式海洋平台立管系统而定，用数学优化方法使得等效立管系统的恢复力—水平位移特性与原系统相似。等效立管系统中立管的表面相关系数与实际一致。

所述的单柱式海洋平台模型就用等效系泊系统系泊于模型系泊架上，并接上等效立管系统。

所述的测量分析系统由非接触式光学测量系统、拉力传感器、应变放大器、接线装置、数据自动采集卡及计算机实时分析系统组成。应变放大器、接线装置、数据自动采集卡及计算机实时分析系统置于拖车上。流速即为拖车速度，可直接从拖车上的速度控制台得到。

本实用新型的有益效果是：等效系泊系统的水平恢复力—水平位移特性以及垂直恢复力—水平位移特性可与实际一致；单根模型系泊线的水平恢复力—水平位移特性以及垂直恢复力—水平位移特性也可与实际一致，从而大大提高了单根系泊线上测得的系泊力与实际的接近程度；模型系泊线的材质和表面相关系数与实际一致，等效立管的表面相关系数也与实际一致，这使得等效系泊系统和等效立管系统的阻尼与实际大为接近；由于采用等效的系泊系统，从而大大降低模型系泊系统的尺度，进而可以降低对模型试验水池的尺度要求和降低模型系泊架的尺度(即提高模型系泊架的刚性)；翼形挂柱的翼形设计可降低其对模型流场的干扰；绕系泊环有均匀分布的系泊孔，可改变单柱式海洋平台模型的系泊位置，从而改变其与来流方向的角度，实现多工况试验。

附图说明

图1是单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置主视图。

图2是单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置俯视图。

图3是测量分析系统框图。

附图标记说明：系泊环1，系泊孔2，翼形挂柱3，小肘板4，横板5，模型锚泊线分段6，浮筒7、重块8，等效立管系统9，单柱式海洋平台模型10，拖车11，非接触式光学测量系统12，拉力传感器13，应变放大器14，接线装置15，数据自动采集卡及计算机实时分析系统16。

具体实施方式

以下结合图1和图2详细说明本实用新型的具体实施方式。

本实施例由系泊环1，系泊孔2，翼形挂柱3，小肘板4，横板5，模型锚泊线分段6，浮筒7、重块8，等效立管系统9，单柱式海洋平台模型10，拖车11，非接触式光学测量系统12，拉力传感器13，应变放大器14，接线装置15，数据自动采集卡及计算机实时分析系统16组成。其连接关系为：翼形挂柱3上端固接于拖车11上，横板5横向穿过翼形挂柱3并与其固接，横板5上端固接于拖车11上，4根翼形挂柱3延伸到水下穿过系泊环1并与其固接，小肘板4布置于系泊环1下表面与翼形挂柱3两侧间，系泊环11上沿周向均匀开系泊孔2并在中部也开有系泊孔2，浮筒7和重块8分别系挂在两段模型锚泊线分段6端部连接处，最下段模型锚泊线分段6的下端系于系泊孔2上，等效立管系统9的下端与系泊环中部的系泊孔2连接，最上段模型锚泊线分段6和等效立管系统9的上端系于单柱式海洋平台模型10的相应系泊点上，拉力传感器13布置于模型锚泊线分段6和等效立管系统9上，非接触式光学测量系统12布置于拖车11上，应变放大器14、接线装置15和数据自动采集卡及计算机实时分析系统16也布置于拖车11上。

在试验时，先根据实际单柱式海洋平台和水池的尺度确定合适的模型缩尺比，再根据模型的尺度来确定流向翼形挂柱3间距、垂直流向翼形挂柱3间距和系泊环1与单柱式海洋平台模型10底部间距。然后，选择与实际平台锚泊线的类型及布置形式一致的模型锚泊线，模型锚泊线分段6的材质及表面相关系数与实际一致。浮筒7和重块8系挂在模型锚泊线分段6连接处。通过改变每种类型模型锚泊线分段6的长度和直径，改变浮筒7和重块8的个数、系挂位置和水中重量，用数学优化方法使得每根模型锚泊线的张力—水平位移特性与实际一致，总模型系泊系统的恢复力—水平位移特性与实际一致。等效立管系统9中的立管数目可调整，立管的材质和直径也可改变，用数学优化方法使得等效立管系统9的恢复力—水平位移特性与原系统相似。等效立管系统9中立管的表面相关系数与实际一致。用流体数值计算软件模拟系泊于刚性假底上单柱式海洋平台模型10的涡激运动，得到其振动的最大频率及等效系泊系统和等效立管系统9上的最大受力。翼形挂柱3、横板5、小肘板4和系泊环1均取为普通钢材。对这些部件的尺寸选择一系列值，然后用结构数值计算软件计算模型系泊架的固有频率以及等效系泊系统和等效立管系统9上受最大力时的模型系泊架位移，按试验要求的精度确定模型系泊架中所有部件的尺寸。制作模型系泊架，安装到位。然后将单柱式海洋平台模型10用等效系泊系统系泊在模型系泊架上，并接上等效立管系统9。在模型系泊线的适当位置安装拉力传感器13，在拖车11上适当位置对准单柱式海洋平台模型10安装非接触式光学测量系统12，把安装好的测量仪器的线接到拖车上的应变放大器14并连接接线装置15和数据自动采集卡及计算机实时分析系统16，调试所有仪器，对单柱式海洋平台模型10施加一激振力然后让其自由振动，测量其在水中的固有频率，待单柱式海洋平台模型10及水池中的水静止后，按工况开动拖车11到一定速度，打开数据自动采集卡及计算机实时分析系统16进行数据采集和分析。

可把模型系泊线系泊于系泊环1上不同位置的系泊孔2，来改变单柱式海洋平台模型10和来流方向的角度，实现多工况试验。

Claims (3)

1.一种单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置，包括：系泊环(1)、系泊孔(2)、翼形挂柱(3)、小肘板(4)、横板(5)、模型锚泊线分段(6)、浮筒(7)、重块(8)、等效立管系统(9)、单柱式海洋平台模型(10)、拖车(11)、非接触式光学测量系统(12)、拉力传感器(13)、应变放大器(14)、接线装置(15)、数据自动采集卡及计算机实时分析系统(16)，其特征在于：翼形挂柱(3)上端固接于拖车(11)上，横板(5)横向穿过翼形挂柱(3)并与其固接，横板(5)上端固接于拖车(11)上，四根翼形挂柱(3)延伸到水下穿过系泊环(1)并与其固接，小肘板(4)布置于系泊环(1)下表面与翼形挂柱(3)两侧间，系泊环(11)上沿周向均匀开系泊孔(2)并在中部也开有系泊孔(2)，浮筒(7)和重块(8)分别系挂在两段模型锚泊线分段(6)端部连接处，最下段模型锚泊线分段(6)的下端系于系泊孔(2)上，等效立管系统(9)的下端与系泊环中部的系泊孔(2)连接，最上段模型锚泊线分段(6)和等效立管系统(9)的上端系于单柱式海洋平台模型(10)的系泊点上，拉力传感器(13)布置于模型锚泊线分段(6)和等效立管系统(9)上，非接触式光学测量系统(12)布置于拖车(11)上，应变放大器(14)、接线装置(15)和数据自动采集卡及计算机实时分析系统(16)也布置于拖车(11)上。

2.根据权利要求1所述的单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置，其特征是：四根所述的翼形挂柱(3)中，沿流向布置的两根翼形挂柱间距为3倍单柱式海洋平台模型直径，垂直流向布置的两根翼形挂柱间距为5倍单柱式海洋平台模型直径。

3.根据权利要求1所述的单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置，其特征是：所述的翼形挂柱(3)，截面形状为机翼形。

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