CN211425805U - 一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，储水箱接进水管；进水管中间接上水泵和流量计后接到转换接头，转换接头将进水管与中心管连接起来；中心管上有多处测点贴上应变片，中心管外套中间管，悬臂深入模拟溶腔，中间管与法兰连接并固定到模拟溶腔上；中间管接转换接头，转换接头一端将中间管与出水管连接起来，另一端接出应变片的信号线，出水管接卤水箱。本发明的有益效果是：模拟造腔管柱在各种激励作用下的振动及运动情况，并完成对其主要参数的测定，从而可以实现对各种振动现象的直观观察及测量，为完善理论研究和控制措施提供依据。

Description

一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置

技术领域

本发明涉及一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置。

背景技术

在深部盐岩洞穴中进行石油、天然气及高放射核废料地下储存是国内外公认的理想方式。目前在盐岩地层中建造储存库普遍采用单井油垫对流法水溶开采，造腔时，将造腔内管、造腔外管和生产套管依次嵌套，即造腔内管之外套造腔外管，造腔外管之外套生产套管，构成造腔管柱系统。造腔淡(卤)水经造腔内管(或者造腔内管和造腔外管之间的环空部分)注入腔体，腔内卤水从造腔内管和造腔外管之间的环空部分(或者造腔内管)排出地面，流动的非饱和卤水不断溶蚀腔壁盐岩，逐渐扩大腔体体积；造腔外管和生产套管之间充满柴油或者其他液体，下行形成油垫层隔开淡卤水和腔顶盐岩以抑制上溶并促使腔体横向侧溶，或者上行撤除油垫层使淡卤水溶解腔顶盐岩，让腔体向上溶蚀，从而形成理想形状的腔体。

造腔盐岩地层一般位于500至2000米之间，造腔内管和造腔外管一般从地面井口自由悬至地下溶腔中，因修井和腔体测试需要，造腔内管和造腔外管之间不设置任何支撑。在实际造腔过程中因造腔内管破损导致的事故时有发生，如造腔内管弯曲变形、管柱接箍损坏等，都会增加造腔的成本，延长工期甚至造成大的工程事故。但是主要的事故任然是悬臂的造腔内管弯曲变形，甚至是断裂，并且目前还没有技术能够探测腔体的情况。

虽然目前已近进行过很多与盐穴储库造腔相关的试验研究，但是这些研究主要针对造腔过程和造腔形状控制的物理模拟，都未涉及研究腔体里造腔管的振动及运动情况，没有研究造成工程中造成内管弯曲变形的原因。本发明主要针对的是模拟造腔管柱在各种激励作用下的振动及运动情况，并完成对其主要参数的测定，从而可以实现对各种振动现象的直观观察及定量测量，为完善理论研究和控制措施提供依据。

发明内容

针对盐岩地层水溶造腔中出现的管柱弯曲变形、破损等自激振动和动力失稳引起的工程问题，本发明的目的是在于提供了一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置。该装置结构简单，操作方便，水流可以精准控制，两口距可以调节，水流可以实现正、反循环(水流从中心管进为正循环，从中间管进为反循环)，可以实时监测造腔管的受力应变情况，分析不同情况下对于造腔管的影响，通过应变仪实时分析数据得知造腔管受力分布和自激振动情况，能够更加真实的模拟实际造腔工程中造腔管柱在卤水流动中发生的动力现象，通过转换水泵连接方式和调节两口距，确保试验能够真实反映可能引起管柱自激振动或动力失稳的诱因，从而为规避造腔工程中管柱破坏引起的事故提供更加可靠、更加详细的技术支持。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，它包括测点一、测点二、测点三、测点四、测点五、测点六、法兰、中心管、中间管、模拟溶腔、进水管、出水管、流量计、水泵、储水箱、卤水箱、转换接头、应变片信号线、应变仪、钢架，其特征在于：储水箱与进水管一端连接；进水管安装在水泵上，水泵上安装有流量计，进水管另一端端部与中心管上部接口连接密封；中心管从转换接头上端接口插入，并用工业涂胶密封，转换接头通过扎丝固定到钢架上，转换接头下端连接中间管并涂抹工业涂胶粘接密封；中心管上有多处测点分别贴上应变片，中心管外套中间管，中心管悬臂深入模拟溶腔，中间管与法兰连接，法兰固定到模拟溶腔上；转换接头左端连接出水管，右端接出应变片信号线，出水管另一端接卤水箱。由于本项研究的着眼点是分析造腔管柱在各种激励作用下的振动行为，所研究的问题同时涉及到了质量、时间、长度三个基本物理量及运动参量等导出量，因此应选用动力相似模型。由管柱振动的微分方程出发采用积分类比法来推导相似判据，本文可参考黄涛(钻柱耦合振动的理论及试验研究)推导出的其中一项相似公式：

记C_l为几何相似比，则可初选几何相似比：

其中l_p、l_m分别为原型及模型尺寸，反映了原型与模型间相应尺寸的比例关系。则由上式可知：

即

由原型的材料参数知ρ_p＝7850Kg/m³，E_p＝210GPa，带入上式得：

查询材料手册知以下几种材料的参数与之相近，其材料性能如下表所示：

计算对比上述材料性能参数，可初选材料为硬质PC管，其材料参数与推导的计算公式相接近，其材料性能为：

E_p＝2.32GPa，ρ_p＝1180Kg/m³

故由上式可知实际的几何相似比为：

根据相似定理和量纲分析，可得到各试验量与相应原型物理量间的比例关系。如果初选定相似比1:10

则

可选材料为PVC管，实际相似比为：

算出相应的管柱为：10mm,16mm。

将原型尺寸按几何相似关系成比例地缩小，即可得到模型的结构尺寸。同理亦可将注水流量等管柱的实际工作参数依据计算所得的相似常数进行转化，从而确定相应的试验参数的变化范围。现场造腔作业数据如下表所示：

水溶造腔管柱系统目前均采用钢制管材(中心管为D114.3钢管，中间管为D177.8钢管)，力学特性和抗腐蚀性能均较好。工程实际溶腔大约为直径60m，高30m。

造腔管柱系统现场参数：

考虑到盐的腐蚀性，腔体选择塑料桶，依据试验场地和试验设施的条件，选择直径1m，高度 1.5m的圆柱体塑料桶。根据相似参数计算得出模型管子尺寸，如下表所示：

目前储气库造腔注水量主要在15～60m³/h范围内，不同的管材可能有不同试验现象，但考虑到实际能满足的最大流量，实际工程流量与模拟试验注水量的对应关系如下表：

采用水泵提供造腔水流动力，调节水泵来控制造腔水流流量，通过监测应变仪收集的应变信号，观测不同水流流量下对中心管(即造腔内管)动力特性的影响，获取引起中心管振动的临界流速，利用获取的数据和理论公式进行推导，并反推和修正理论公式；利用上述的动力相似模型，推导出实际工程理论临界流速和实际工程中不同流速对造腔内管的影响。

将水泵从进水管拆下，使原来连接储水箱的进水管一端连接到卤水箱；将水泵连接到原来的出水管上，使原来连接卤水箱的出水管一端连接储水箱；此时开始试验就可以实现反循环(淡水从中间管与中心管间隙进入腔体，从中心管排出卤水)；通过调整转换接头与中心管连接的位置，就可以调节中心管与中间管下端的两口距；中间管被固定在铁架上，中心管外套中间管，并全程竖直悬垂。

转换接头由三通管改进而来；转换接头上端稍大于中心管，中心管从转换接头上端穿入，并用工业涂胶将间隙密封；转换接头右上端接口为应变片信号线留有小孔，信号线从小孔接出并用工业涂胶密封；转换接头左下端接口与出水管连接，用卡箍紧固，并垫有橡胶和水胶带进行密封；转换接头下端与中间管连接，并涂抹工业涂胶进行密封；中心管上端接口与进水管连接，用卡箍紧固，并垫有橡胶和水胶带进行密封。

利用流量计，对造腔水流的流量进行读取和监控，使试验进展和获取的数据更可靠；储水箱提供造腔所用的淡水，卤水箱用于收集腔体排出的卤水；水泵用于提供造腔水流循环的动力，从储水箱中按照一定流量抽水注入模拟溶腔并形成腔体，腔体内水将盐溶解变成卤水后由造腔管排入卤水箱中；流量计用于获取和监控水流流量；转换接头用于连接进水管、出水管、中心管、中间管和接出应变片信号线，并被固定在铁架上；应变片主要用于采集各个测点的应变情况，信号线负责传输应变片采集的信号；应变仪负责收集并处理应变片采集的信号；中心管和中间管主要用于进排水并研究不同流速、不同循环方式、不同两口距下造腔管柱的动力特性；法兰用于连接中间管，并固定在模拟溶腔上；模拟溶腔用于模拟地下盐层腔体，负责储盐并形成腔体；铁架用于固定中间管和转换接头。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过动力相似设计，选用合适的尺寸和刚度的管材建造了实时分析检测造腔管柱在各种激励作用下的受力情况及振动行为的模型，能够足够真实地反映实际工程中造腔中管柱在水流作用下的动力特性。

2、与现有技术相比，本发明创新性的加入了应变仪实时监测，采用数字化设备精准采集管柱在试验时的受力情况、振动情况等；直接通过采集多个测点在管柱不同位置的应力应变情况等，得到较为详细的管柱振动和受力情况。

3、与现有技术相比，本发明实现水流的正反循环，并且调整造腔管的两口距，使试验结果更加符合实际工程中的造腔情况，分析对比在不同循环模式下、不同两口距条件下、不同水流大小下对造腔管的影响。

本发明通过模拟造腔管柱在各种激励作用下的振动及运动情况，并完成对其主要参数的测定，通过数据分析，得出引起管柱自激振动和动力失稳的临界水流流量，从而为实际工程造腔设计和建造以及工艺控制参数优化设计提供技术支持。

附图说明

图1为一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置的结构示意图。

图2为此设置的转换接头剖面示意图。

图中：1-测点一；2-测点二；3-测点三；4-测点四；5-测点五；6-测点六；7-法兰；8-中心管； 9-中间管；10-模拟溶腔；11-进水管；12-出水管；13-流量计；14-水泵；15-储水箱；16-卤水箱；17-转换接头；18-应变片信号线；19-应变仪；20-钢架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1、图2所示，一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，它由测点一1、测点二2、测点三3、测点四4、测点五5、测点六6、法兰7、中心管8、中间管9、模拟溶腔10、进水管11、出水管12、流量计13、水泵14、储水箱15、卤水箱16、转换接头17、应变片信号线18、应变仪19、钢架20等部件组成。其连接关系是：储水箱15中装有适量的水，储水箱15与进水管11一端连接；进水管11安装在水泵上14，水泵14上安装有流量计13，进水管11另一端端部与中心管8上部接口连接密封；中心管8从转换接头17上端接口插入，并用工业涂胶密封，转换接头17通过扎丝固定到钢架20上，转换接头17下端连接中间管9 并涂抹工业涂胶粘接密封；中心管8上有多处测点分别贴上应变片，中心管8从最下端测点一1开始、每隔30cm设置测点二2、测点三3、测点四4，分别贴有应变片，且测点四4位置刚好在中间管9的管口位置，测点五5与测点六6也贴有应变片，测点五5位置在法兰7 处的中心管上，测点六6位置在转换接头17下端接口处的中心管8上；模拟溶腔10里面盛有适量的结晶盐；先准备另外一套管子先将模拟溶腔10中的结晶盐溶解形成一个溶腔；模拟中心管8外套中间管9，中心管8悬臂深入模拟溶腔10，中间管9与法兰7连接，法兰7固定到模拟溶腔10上；转换接头17左端连接出水管12，右端接出应变片信号线18，出水管 12另一端接卤水箱16。

采用水泵14提供造腔用的水流动力，调节水泵14来控制造腔水流的大小，分别以9.31L/h、43.98L/h、58.64L/h、73.29L/h、87.96L/h的注水量进行试验，通过应变仪19检测的数据观测不同水流流量情况对管柱动力特性的影响，获取引起管柱发生振动或者过大应变时的临界流速，利用实验获得的数据完善理论研究并为控制措施提供依据；利用流量计13对造腔水流的流量进行读取和监控，使试验进展和获得的数据更可靠。

转换接头17采用三通管改进而来，上端接口稍大于中心管8，中心管8从转换接头17上端穿入，并用工业涂胶将小孔的间隙密封；转换接头右上端接口为应变片信号线18留有小孔，信号线18从小孔接出并用工业涂胶密封；转换接头17左下端接口与出水管12连接，用卡箍紧固，并垫有橡胶和水胶带进行密封；转换接头17下端与中间管9连接，并涂抹工业涂胶进行密封；中心管8上端接口与进水管11连接，用卡箍紧固，并垫有橡胶和水胶带进行密封；中间管9被固定在铁架20上，中心管8外套中间管9，并全程竖直悬垂。

一、水流正循环下的试验的步骤：

S1、调整中心管8与转换接头17上端接口连接的位置，同时调节测点五5和测点六6应变片的位置，使测点五5位置在法兰7处的中心管上，使测点六6位置在转换接头17下端接口处的中心管8上，并使中心管8与中间管9下端两口中心距为30mm，再通过转换接头17固定好中心管；

S2、启动应变仪19，待仪器正常并调零后打开水泵，分别以9.31L/h、43.98L/h、58.64L/h、 73.29L/h、87.96L/h的注水量进行试验；

S3、观察应变仪19并记录每次试验的数据；试验完成后，关闭水泵14，再次调整中心管8 与转换接头17上端接口连接位置，同时调节测点五5和测点六6应变片的位置，使测点五5 位置在法兰7处的中心管上，使测点六6位置在转换接头17下端接口处的中心管8上，并使中心管8与中间管9下端两口中心距为20mm；

S4、通过转换接头17固定好中心管8，重复上述S2步骤，得到在正循环水流情况下，不同两口距和不同水流大小管柱受力应变数据。

二、水流反循环下的试验的步骤：

S1、将水泵14从进水管11拆下，使原来连接储水箱15的进水管11一端连接到卤水箱16；将水14连接到原来的出水管12上，使原来连接卤水箱16出水管12的一端连接储水箱15(淡水从中间管9与中心管8间隙进入腔体，从中心管8排出卤水)；

S2、调整中心管8与转换接头17上端接口连接的位置，同时调节测点五5和测点六6应变片的位置，使测点五5位置在法兰7处的中心管上，使测点六6位置在转换接头17下端接口处的中心管8上，并使中心管8与中间管9下端两口中心距为30mm，再通过转换接头17固定好中心管；

S3、启动应变仪19，待仪器正常并调零后打开水泵，分别以9.31L/h、43.98L/h、58.64L/h、 73.29L/h、87.96L/h的注水量进行试验；

S4、观察应变仪19并记录每次试验的数据；试验完成后，关闭水泵14，再次调整中心管8 与转换接头17上端接口连接位置，同时调节测点五5和测点六6应变片的位置，使测点五5 位置在法兰7处的中心管上，使测点六6位置在转换接头17下端接口处的中心管8上，并使中心管8与中间管9下端两口中心距为20mm；

S5、通过转换接头17固定好中心管8重复上述S3步骤，得到在反循环水流情况下，不同两口距和不同水流大小管柱受力应变数据。

Claims (5)

1.一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，它包括测点一(1)、测点二(2)、测点三(3)、测点四(4)、测点五(5)、测点六(6)、法兰(7)、中心管(8)、中间管(9)、模拟溶腔(10)、进水管(11)、出水管(12)、流量计(13)、水泵(14)、储水箱(15)、卤水箱(16)、转换接头(17)、应变片信号线(18)、应变仪(19)、钢架(20)，其特征在于：储水箱(15)与进水管(11)一端连接；进水管(11)安装在水泵上(14)，水泵上安装有流量计(13)，进水管(11)另一端端部与中心管(8)上部接口连接密封；中心管(8)从转换接头(17)上端接口插入，并用工业涂胶密封，转换接头(17)通过扎丝固定到钢架(20)上，转换接头(17)下端连接中间管(9)并涂抹工业涂胶粘接密封；中心管(8)上有多处测点分别贴上应变片，中心管(8)外套中间管(9)，中心管(8)悬臂深入模拟溶腔(10)，中间管(9)与法兰(7)连接，法兰(7)固定到模拟溶腔(10)上；转换接头(17)左端连接出水管(12)，右端接出应变片信号线(18)，出水管(12)另一端接卤水箱(16)。

2.根据权利要求1所述的一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，其特征在于：所述的中心管(8)外套中间管(9)，中心管(8)从最下端测点一(1)开始、每隔30cm设置测点二(2)、测点三(3)、测点四(4)，分别贴有应变片，且测点四(4)位置刚好在中间管(9)的管口位置，测点五(5)与测点六(6)也贴有应变片，测点五(5)位置在法兰(7)处的中心管(8)上，测点六(6)位置在转换接头(17)下端接口处的中心管(8)上。

3.根据权利要求1所述的一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，其特征在于：所述的各个测点分别测量中心管(8)对应的位置的应变情况，其应变片的信号线(18)用防水胶带紧贴到中心管(8)上向上从转换接头(17)的右上端接出，其接出上的信号线(18)连接到应变仪(19)上，应变仪(19)可读取应变情况。

4.根据权利要求1所述的一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，其特征在于：所述的转换接头(17)上端接口稍大于中心管(8)直径，中心管(8)从上端接口穿入，并用工业涂胶将间隙密封，转换接头(17)右上端接口为应变片信号线(18)留有小孔，信号线从小孔接出并用工业涂胶密封。

5.根据权利要求1所述的一种双向水溶造腔管柱流致振动动力模型实验装置，其特征在于：所述的转换接头(17)左下端接口与出水管(12)连接，用卡箍紧固，并垫有橡胶和水胶带进行密封，转换接头(17)下端与中间管(9)连接，并涂抹工业涂胶进行密封连接，中心管(8)上端接口与进水管(11)用连接，用卡箍紧固，并垫有橡胶和水胶带进行密封。

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