CN209117301U - 一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，包括：工装平台，包括工装架、竖直运动轨道系统、水平运动轨道系统和连接杆；竖直运动轨道系统和水平运动轨道系统均包括伺服电机、底座A、底座B、皮带轮A、皮带轮B、移动座和导轨；实验平台，包括透明水槽、透明软管、输液管、输气管、浮力块、三通管、水泵A、水泵B、空气压缩机、造波机、回流箱和回流管；监测平台，包括波高测试仪、流速仪、加速度传感器、压力传感器A、压力传感器B、流量计和调压阀；控制平台，包括控制单元和数据采集及处理单元。

Description

一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验 系统

技术领域

本实用新型涉及一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统。

背景技术

立管是连接海洋平台和水下生产系统的关键环节，也是深海油气开采系统中最易损坏的薄弱组件。海底管道建设成本高,多采用油气混输方式,管内流体属于气液两相流。气液两相由于各相流速、压力等因素差异，会产生不同的流动结构形式，即流型。由于深海立管受外部波流和管内多相流等多源激励，动力影响机制复杂，是典型的多源激励流固耦合振动问题。振动会使立管产生疲劳损坏，一旦立管发生破坏，会造成巨大的财产损失，甚至会导致长期性的海洋环境和生态灾难。因此，深入了解气液两相流的流动规律和流动诱发管道振动的机理，合理设计管道并控制其科学运行，具有重要的意义。然而，现有实验装置只是单纯的研究内部两相流对管道的振动响应，而没有考虑外部波流载荷的影响，而且现有实验装置的立管只能对处于一种状态下的立管进行研究。

实用新型内容

本实用新型提供一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，鉴于以往实验仅单纯的进行内部多相流振动测试实验的缺陷，本实验系统结合了波流载荷作用和内部多相流，更能真实模拟立管所处的实际环境，提高了测试精度；同时结构紧凑、操作简单、经济实用、数据采集精度高、立管可实现不同位置状态。

本实用新型提供一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，包括：

工装平台：包括用于支撑波高测试仪和流速仪的工装架，置于透明水槽之上；用于提供透明软管竖直运动的竖直运动轨道系统，置于透明水槽内边沿处；用于提供透明软管水平运动的水平运动轨道系统，置于透明水槽之上；用于连接竖直运动轨道系统的连接杆，通过螺栓固定于移动座上；所述的竖直运动轨道系统和水平运动轨道系统结构相同，竖直运动轨道系统包括伺服电机、底座A、底座B、皮带轮A、皮带轮B、移动座以及固定于底座A和底座B之间的导轨，底座A上固定有伺服电机，伺服电机的输出端连接皮带轮A，底座B上旋转安装皮带轮B，皮带轮A与皮带轮B之间安装有皮带，移动座滑动安装于导轨上且固定于皮带上，移动座上设置有连接杆与三通管相连；所述的竖直运动轨道系统的底座A通过螺栓固定于透明水槽上部，底座B通过螺栓固定于透明水槽的底部；所述的水平运动轨道系统的底座A和底座B分别固定于透明水槽前后侧。

实验平台：包括透明水槽、透明软管、输液管、输气管、浮力块、三通管、水泵A、水泵B、空气压缩机、造波机、回流箱、回流管。所述的造波机设置在透明水槽一侧制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪；所述的水泵A设置在透明水槽底部，通过控制水泵造出量程内任意大小流速的海流；所述的水泵B设置在透明水槽底部，吸水口与透明水槽相连，出水口经输液管与三通管相连；所述的空气压缩机设置在透明水槽一侧，出气口经输气管与三通管相连；所述的透明软管的一端与三通管相连，另一端通过铁丝固定于水平运动轨道系统，透明软管上布置有多个浮力块，透明软管上设置有压力传感器A、压力传感器B、加速度传感器；所述的回流箱与透明软管的出水口相连且通过螺栓固定在透明水槽上，回流箱内的液体经回流管流入透明水槽。

监测平台：包括用于采集和处理波浪信号的波高测试仪，用于采集和处理流速数据信号的流速仪；用于采集和处理加速度信号的加速度传感器，用于采集和处理压力信号的压力传感器A和压力传感器B；用于测量气体流量和液体流量的流量计；用于调节进口气体压力的调压阀。

控制平台：包括用于控制造波机输出功率及水泵A和水泵B输出功率的控制单元及用于对来自于所述的监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

优选地，所述的空气压缩机和水泵B模拟内部两相流，造波机和水泵A模拟波流环境，两者共同作用模拟海洋立管所处实际环境。

优选地，所述的输气管、输液管和透明软管三者通过三通管相连。

优选地，所述的透明软管上沿其长度方向设置有加速度传感器、压力传感器A和压力传感器B。

优选地，所述的造波机置于透明水槽一侧；所述的水泵A和水泵B设置于透明水槽底部。

优选地，所述的竖直运动轨道系统置于透明水槽内侧边沿处，水平运动轨道系统置于透明水槽上方，两者共同作用可实现柔性立管不同的位置状态。

优选地，所述的移动座上设置有皮带通道、固定板和用于安装导轨的轨道孔，皮带贯穿皮带通道且与固定板经销钉固定。

优选地，所述的移动座和三通管之间设置有连接杆。

优选地，所述的底座B内开设有凹槽，皮带轮B旋转安装于凹槽内且传动轴穿过底座B安装于轴承上。

优选地，所述的回流箱和回流管设置于透明水槽的一侧以实现液体的循环使用。

优选地，所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，它包括以下步骤：

S1、利用透明软管模拟海洋柔性立管，根据相似理论确定缩尺比，设计实验中柔性立管的尺寸和波流参数；设计实验内部流体流态以及所模拟柔性立管的生产工况；利用浮力块提供柔性立管的分布式浮力；

S2、控制平台控制竖直运动轨道系统和水平运动轨道系统的伺服电机做正反转，将透明软管底部和顶部分别移动至实验所需位置；

S3、将流量计、调压阀、波高测试仪、流速仪以及透明软管上的加速度传感器、压力传感器的数据进行归零处理；

S4、启动造波机和水泵A，调节造波机制造特定波高、周期的规则波以模拟海浪；调节水泵A的功率制造出特定流速的海流；

S5、启动水泵B和空气压缩机，在透明软管内部形成泡状流，通过调节水泵B功率和调压阀节流大小以形成稳定的流态；

S6、待泡状流稳定后，加速度传感器测定透明软管的振动参数，压力传感器测定流体的压差波动信号，同时利用流量计测定气体流量和液体流量以计算泡状流参数，控制平台将传感器和流量计的数据信号进行实时采集、处理分析和显示；

S7、逐渐增大气体流量，依次形成段塞流、搅拌流、环状流以及雾状流，待每种流态稳定之后，通过加速度传感器测定每种稳定流态下透明软管的振动参数，压力传感器测定流体的压差波动信号，同时利用流量计测定气体流量和液体流量以计算相应多相流参数，控制平台将传感器和流量计的数据信号进行实时采集、处理分析和显示；

S8、通过小波分析，将各种流型的时域分布的压差波动信号图转化成频域分布的功率密度图，把所得结果的识别特性与典型流型的功率密度谱进行比较，确定流型；通过模态分析，进行数据处理，获得各种流型下柔性立管的振动特性，从而实现了深水海洋立管多相流振动的实验。

本实用新型提供的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，通过造波机制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪，通过水泵A造出量程内任意大小流速的海流，通过水泵B和空气压缩机制造内部多相流，并通过监测平台采集上述模拟内部多相流耦合波流载荷作用下的压力、加速度、流量、波高、周期以及流速等信号，最后通过控制平台对造波机、空气压缩机、水泵电机输出功率的控制对实验平台进行控制运行，并对传感器测得的响应信号进行处理分析，最终显示在数据采集界面上，经过小波分析和模态分析，可以确定流型并得到各种流型下柔性立管的振动特性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的实验系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的竖直运动轨道系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的底座B的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的底座B与皮带轮B的安装示意图；

图5为本实用新型实施例提供的移动座与三通管的安装示意图；

图6为本实用新型实施例提供的移动座的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的竖直运动轨道系统与三通管连接处的局部放大图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，包括：

工装平台：包括用于支撑波高测试仪5的工装架31和支撑流速仪19的工装架23，均置于透明水槽6之上；用于提供透明软管15竖直运动的竖直运动轨道系统30，置于透明水槽6内边沿处；用于提供透明软管15水平运动的水平运动轨道系统24，置于透明水槽6之上；所述的竖直运动轨道系统30和水平运动轨道系统24两者共同作用可实现柔性立管不同的位置状态；用于连接竖直运动轨道系统30的连接杆8，通过螺栓固定于移动座7上；所述的竖直运动轨道系统30和水平运动轨道系统24结构相同，竖直运动轨道系统30包括伺服电机29、底座A26、底座B12、皮带轮A28、皮带轮B32、移动座7以及固定于底座A26和底座B12之间的导轨25，底座A26上固定有伺服电机29，伺服电机29的输出端连接皮带轮A28，底座B12上旋转安装皮带轮B32，皮带轮A28与皮带轮B32之间安装有皮带27，移动座7滑动安装于导轨25上且固定于皮带27上，移动座7上设置有连接杆8与三通管13相连；所述的移动座7上设置有皮带通道36、固定板37和用于安装导轨25的轨道孔35，皮带27贯穿皮带通道36且与固定板37经销钉固定；所述的竖直运动轨道系统30的底座A26通过螺栓固定于透明水槽6上部，底座B12通过螺栓固定于透明水槽6的底部；所述的底座B12内开设有凹槽33，皮带轮B32旋转安装于凹槽33内且传动轴34穿过底座B12安装于轴承上；所述的水平运动轨道系统24的底座A26和底座B12分别固定于透明水槽6前后侧。

实验平台：包括透明水槽6、透明软管15、输液管11、输气管4、浮力块17、三通管13、水泵A9、水泵B10、空气压缩机1、造波机3、回流箱21、回流管20。所述的造波机3设置在透明水槽6一侧制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪；所述的水泵A9设置在透明水槽6底部，通过控制水泵造出量程内任意大小流速的海流；所述的水泵B10设置在透明水槽6底部，吸水口与透明水槽6相连，出水口经输液管11与三通管13相连；所述的空气压缩机1设置在透明水槽6一侧，出气口经输气管4与三通管13相连；所述的空气压缩机1和水泵B10模拟内部两相流，造波机3和水泵A9模拟波流环境，两者共同作用模拟海洋立管所处实际环境；所述的透明软管15的一端与三通管13相连，另一端通过铁丝固定于水平运动轨道系统24，透明软管15上布置有多个浮力块17，透明软管15上设置有压力传感器A14、压力传感器B18、加速度传感器16；所述的输气管4、输液管11和透明软管15三者通过三通管13相连；所述的回流箱21与透明软管15的出水口相连且通过螺栓固定在透明水槽6上，回流箱21内的液体经回流管20流入透明水槽6，以实现液体的循环使用。

监测平台：包括用于采集和处理波浪信号的波高测试仪5，用于采集和处理流速数据信号的流速仪19；用于采集和处理加速度信号的加速度传感器16，用于采集和处理压力信号的压力传感器A14和压力传感器B18；用于测量气体流量和液体流量的流量计22；用于调节进口气体压力的调压阀2。

控制平台：包括用于控制造波机3输出功率及水泵A9和水泵B10输出功率的控制单元及用于对来自于所述的监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

作为优选方案，所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，它包括以下步骤：

S1、利用透明软管15模拟海洋柔性立管，根据相似理论确定缩尺比，设计实验中柔性立管的尺寸和波流参数；设计实验内部流体流态以及所模拟柔性立管的生产工况；利用浮力块17提供柔性立管的分布式浮力；

S2、控制平台控制竖直运动轨道系统30和水平运动轨道系统24的伺服电机29做正反转，伺服电机29带动皮带轮A28转动，皮带轮A28经皮带27带动皮带轮B32转动，皮带27带动移动座7沿着导轨25移动，将透明软管15底部和顶部分别移动至实验所需位置；

S3、将流量计22、调压阀2、波高测试仪5、流速仪19以及透明软管15上的加速度传感器16、压力传感器A14和压力传感器B18的数据进行归零处理；

S4、启动造波机3和水泵A9，调节造波机3制造特定波高、周期的规则波以模拟海浪；调节水泵A9的功率制造出特定流速的海流；

S5、启动水泵B10和空气压缩机1，在透明软管15内部形成泡状流，通过调节水泵B10功率和调压阀2节流大小以形成稳定的流态；

S6、待泡状流稳定后，加速度传感器16测定透明软管15的振动参数，压力传感器A14和压力传感器B18测定流体的压差波动信号，同时利用流量计22测定气体流量和液体流量以计算泡状流参数，控制平台将传感器和流量计的数据信号进行实时采集、处理分析和显示；

S7、逐渐增大气体流量，依次形成段塞流、搅拌流、环状流以及雾状流，待每种流态稳定之后，通过加速度传感器16测定每种稳定流态下透明软管15的振动参数，压力传感器A14和压力传感器B18测定流体的压差波动信号，同时利用流量计22测定气体流量和液体流量以计算相应多相流参数，控制平台将传感器和流量计的数据信号进行实时采集、处理分析和显示；

S8、通过小波分析，将各种流型的时域分布的压差波动信号图转化成频域分布的功率密度图，把所得结果的识别特性与典型流型的功率密度谱进行比较，确定流型；通过模态分析，进行数据处理，获得各种流型下柔性立管的振动特性，从而实现了深水海洋立管多相流振动的实验。

本实用新型提供的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，通过造波机制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪，通过水泵A造出量程内任意大小流速的海流，通过水泵B和空气压缩机制造内部多相流，并通过监测平台采集上述模拟内部多相流耦合波流载荷作用下的压力、加速度、流量、波高、周期以及流速等信号，最后通过控制平台对造波机、空气压缩机、水泵电机输出功率的控制对实验平台进行控制运行，并对传感器测得的响应信号进行处理分析，最终显示在数据采集界面上，经过小波分析和模态分析，可以确定流型并得到各种流型下柔性立管的振动特性。

Claims (10)

1.一种波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于，包括：

工装平台：包括用于支撑波高测试仪和流速仪的工装架，置于透明水槽之上；用于提供透明软管竖直运动的竖直运动轨道系统，置于透明水槽内边沿处；用于提供透明软管水平运动的水平运动轨道系统，置于透明水槽之上；用于连接竖直运动轨道系统的连接杆，通过螺栓固定于移动座上；所述的竖直运动轨道系统和水平运动轨道系统结构相同，竖直运动轨道系统包括伺服电机、底座A、底座B、皮带轮A、皮带轮B、移动座以及固定于底座A和底座B之间的导轨，底座A上固定有伺服电机，伺服电机的输出端连接皮带轮A，底座B上旋转安装皮带轮B，皮带轮A与皮带轮B之间安装有皮带，移动座滑动安装于导轨上且固定于皮带上，移动座上设置有连接杆与三通管相连；所述的竖直运动轨道系统的底座A通过螺栓固定于透明水槽上部，底座B通过螺栓固定于透明水槽的底部；所述的水平运动轨道系统的底座A和底座B分别固定于透明水槽前后侧；

实验平台：包括透明水槽、透明软管、输液管、输气管、浮力块、三通管、水泵A、水泵B、空气压缩机、造波机、回流箱、回流管；所述的造波机设置在透明水槽一侧制造不同波高、周期的规则波以模拟海浪；所述的水泵A设置在透明水槽底部，通过控制水泵造出量程内任意大小流速的海流；所述的水泵B设置在透明水槽底部，吸水口与透明水槽相连，出水口经输液管与三通管相连；所述的空气压缩机设置在透明水槽一侧，出气口经输气管与三通管相连；所述的透明软管的一端与三通管相连，另一端通过铁丝固定于水平运动轨道系统，透明软管上布置有多个浮力块，透明软管上设置有压力传感器A、压力传感器B、加速度传感器；所述的回流箱与透明软管的出水口相连且通过螺栓固定在透明水槽上，回流箱内的液体经回流管流入透明水槽；

监测平台：包括用于采集和处理波浪信号的波高测试仪，用于采集和处理流速数据信号的流速仪；用于采集和处理加速度信号的加速度传感器，用于采集和处理压力信号的压力传感器A和压力传感器B；用于测量气体流量和液体流量的流量计；用于调节进口气体压力的调压阀；

控制平台：包括用于控制造波机输出功率及水泵A和水泵B输出功率的控制单元及用于对来自于所述的监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

2.根据权利要求1所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的空气压缩机和水泵B模拟内部两相流，造波机和水泵A模拟波流环境，两者共同作用模拟海洋立管所处实际环境。

3.根据权利要求2所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的输气管、输液管和透明软管三者通过三通管相连。

4.根据权利要求3所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的透明软管上沿其长度方向设置有加速度传感器、压力传感器A和压力传感器B。

5.根据权利要求4所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的造波机置于透明水槽一侧；所述的水泵A和水泵B设置于透明水槽底部。

6.根据权利要求5所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的竖直运动轨道系统置于透明水槽内侧边沿处，水平运动轨道系统置于透明水槽上方，两者共同作用可实现柔性立管不同的位置状态。

7.根据权利要求6所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的移动座上设置有皮带通道、固定板和用于安装导轨的轨道孔，皮带贯穿皮带通道且与固定板经销钉固定。

8.根据权利要求7所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的移动座和三通管之间设置有连接杆。

9.根据权利要求8所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的底座B内开设有凹槽，皮带轮B旋转安装于凹槽内且传动轴穿过底座B安装于轴承上。

10.根据权利要求9所述的波流载荷作用下深水海洋立管内部多相流振动测试实验系统，其特征在于：所述的回流箱和回流管设置于透明水槽的一侧以实现液体的循环使用。