一種鋼懸鏈線立管觸底振動實驗方法及系統的製作方法
2023-07-02 00:20:26
專利名稱：一種鋼懸鏈線立管觸底振動實驗方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種振動實驗方法及系統，特別是關於一種鋼懸鏈線立管觸底振動 實驗方法及系統。
背景技術：
鋼懸鏈線立管是水下生產系統和浮式平臺之間最常用的連接管道。受浮式平臺升 沉運動影響，鋼懸鏈線立管的觸底段與海床之間始終處於動態接觸狀態，極易引發疲勞損 傷，給鋼懸鏈線立管的設計及投產後的運營安全帶來困難和隱患。鋼懸鏈線立管觸底段與 海床之間管土作用關係複雜，相應的實驗成為該領域研究的必要手段。進行全尺寸的鋼懸鏈線立管接地實驗非常困難，有研究利用西英格蘭Watchet海 港的海岸海床落差實現了全尺寸的懸鏈線立管接地實驗。實驗過程中，首先必須在鋼懸鏈 線立管上選取一個截斷點，該截斷點的位置指的是整個鋼懸鏈線立管原型運動過程中最大 限度靠近海床而不接觸海床的位置，若在截斷點處施加位移載荷，自然能夠較好地模擬浮 體升沉運動帶來的立管響應(包括管土作用響應)。但是該實驗存在耗資過大、周期過長、 且受地理條件限制的顯著缺點，同時無法考察海床附近海流的阻尼影響及不同性狀海床基 土的影響。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠同時考察海床附近海流對鋼懸鏈線 立管的阻尼影響和不同性狀海床基土對鋼懸鏈線立管影響的鋼懸鏈線立管觸底振動實驗 方法及系統。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗 方法，其包括以下內容1)設置一水槽，在水槽底部鋪設物性與力學特性與原型海床海土 相接近的粘土，水槽內的水位高於粘土上表面，在水槽末端設置有消波區，在消波區上方的 水槽上設置出水口，並通過將出水循環回流的方式模擬立管觸底區的海流；幻應用截斷模 擬的方法，在有限的水槽內設置一立管觸底段模型，對立管觸底段模型的一端施加垂向載 荷和水平側向載荷，模擬浮體運動引發的鋼懸鏈線立管觸底振動，及管土相互作用形成的 海床溝槽；；3)通過間隔設置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應變片，收集模型觸底 振動的響應信號，進而得到海床床面土體性質及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振 動影響。實現上述方法的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統，其特徵在於它包括海 床模擬造流裝置、支撐架和立管運動裝置；所述海床模擬造流裝置包括一水槽，所述水槽內 鋪設有粘土，所述水槽內的水面高於所述粘土上表面；所述水槽末端設置有一傾斜的消波 區，所述消波區上方的水槽上開設排水口，所述排水口下方設置一水箱，所述水箱通過回流 管和流速控制泵連接至水槽前端底部；所述粘土內設置有一吸力錨，所述吸力錨連接一立 管觸底段模型的一端，所述立管觸底段模型的另一端連接一立管接頭；所述立管觸底段模型上間隔設置有若干加速度傳感器和應變片；所述支撐架跨越在所述水槽前部，其包括一 由立柱和橫梁組成的框架，在跨越所述水槽的兩橫梁上對稱設置有四根光槓，所述四根光 槓頂部連接有一 「工」字形鋼板，所述鋼板上固定連接一垂向液壓缸的缸體；所述立管運動 裝置包括一活動板，其通過螺母固定連接在所述垂向液壓缸的活塞杆底部，所述活動板的 四角穿套在所述四根光槓上，所述活動板中部設置有兩根側向運動滑軌，所述側向運動滑 軌的兩端分別設置有滑塊，同一端的兩所述滑塊上共同連接一活動框，其中一所述活動框 連接一側向液壓缸的輸出端；兩所述活動框內分別設置有一軸向運動滑軌，兩所述軸向運 動滑軌上分別設置有滑塊，練所述軸向滑軌上的所述滑塊頂部共同連接一底板，所述底板 中心固定設置一連接杆，所述連接杆的底部連接所述立管接頭。 所述支撐架中由立柱和橫梁組成的框架包括四根立柱和四根橫梁，其中兩根短的 所述橫梁底部對應設置一連接兩所述立柱的底座，兩所述底座通過地腳螺栓固定連接在地在所述支撐架位於水槽一側的兩立柱之間對角設置一斜撐，且兩側所述斜撐方向 相反，每一所述斜撐中間通過反向螺紋接頭連接。所述連接杆先轉動地連接一接頭，再將所述接頭固定連接所述立管接頭。本發明由於採取以上技術方案，具有以下優點1、本發明由於通過對立管觸底段 模型施加的垂向和水平載荷的方式，合理地模擬了立管原型截斷點處產生的運動和受到的 內力，因此能夠在有限的室內空間內全尺寸模擬立管觸底段管道的觸底振動響應，並可進 一步研究模擬鋼懸鏈線立管觸底區海床溝槽的形成機制。2、本發明由於在立管觸底段模型 的不同截面位置設置了加速度傳感器和應變片，因此可以根據獲得的加速度信號和應變信 號研究其觸底振動的響應特性及疲勞特性，還可以研究靜水及不同流速情況下的環境阻尼 影響及不同性狀海床基土的影響。3、本發明在立管運動裝置中通過一垂向液壓缸帶動一 活動板，通過活動板帶動兩個活動框，並通過底板將兩活動框連接成一體，將與立管觸底段 模型連接的連接杆固定在底板上，因此，不但可以在通過垂向液壓缸帶動活動板進行上下 運動的同時帶動立管觸底段模型的一端上下運動，進而實現鋼懸鏈線立管上選取的截斷點 處的垂向運動的模擬；而且可以通過側向液壓缸驅動其中一活動框架進行水平運動的同時 帶動立管觸底段模型水平運動，進而實現鋼懸鏈線立管上選取的截斷點處的水平運動的模 擬。本發明整體結構簡單，調整方便，特別是可以在有限的室內空間內全尺寸模擬立管觸底 段管道的觸底振動響應，它可以廣泛用於各種鋼懸鏈線立管觸底振動的實驗和研究中。
圖1是本發明的結構示意2是本發明中支撐架結構示意3是本發明中立管提升裝置結構示意4是本發明中立管觸底段模型與鉸接接頭鉸接示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明實現方法可以概括為以下內容
1)設置一水槽，在水槽底部鋪設物性與力學特性與原型海床海土相接近的粘土， 水槽內的水位高於粘土上表面，在水槽末端設置有消波區，在消波區上方的水槽上設置出 水口，並通過將出水循環回流的方式模擬立管觸底區的海流；2)應用截斷模擬的方法，在有限的水槽內設置一立管觸底段模型，對立管觸底段 模型的一端施加垂向載荷和水平側向載荷，模擬浮體運動引發的鋼懸鏈線立管觸底振動， 及管-土相互作用形成的海床溝槽；3)通過間隔設置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應變片，收集模型觸底振 動的響應信號，進而得到海床床面土體性質及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振動影響。為實現上述方法，本發明系統包括一海床模擬造流裝置、一支撐架和一立管運動
直ο如圖1所示，本發明的海床模擬造流裝置包括一設置在支架上的水槽1，水槽1內 鋪設有粘土 2，粘土 2的物性和力學特性可以配製得與原型海床海土相接近，粘土 2浸在水 中，水面3高於粘土 2上表面，用於模擬海水。水槽1末端設置有一傾坡狀的消波區4，以避 免水流反射生成反射波。水槽1末端的消波區4的上方開設一排水口 5。在排水口的下方 設置一水箱6，水箱6下部通過一回流管7和流速控制泵8連接至水槽1前端底部。粘土 2 內設置有一吸力錨9，其上連接一立管觸底段模型10 —端，立管觸底段模型10的另一端連 接一立管接頭11。在立管觸底段模型10上根據需要間隔設置有若干加速度傳感器和應變 片(圖中未示出)如圖1、圖2所示，本發明的支撐架跨越在水槽1的前部，支撐架包括通過地腳螺 栓固定在地面上的兩個底座12，每個底座12上設置有一對立柱13，每對立柱13之間設置 有一斜撐14，兩斜撐14的方向相反，兩斜撐14的中部設置有一反向螺紋接頭15，其具有自 鎖功能，而且調節拆卸方便。四根立柱13的頂端通過螺栓和橫梁16連接成一體，兩個底座 12之間的兩根橫梁16上設置有四根光槓17，四根光槓17頂部連接有一「工」字形鋼板18， 鋼板18上通過螺栓固定連接一垂向液壓缸的缸體19，垂向液壓缸的活塞杆20穿過鋼板18 伸向下方。上述支撐架結構中，由四根立柱13和橫梁16組成的框架是可以有所變化的，以上 僅為一實施例，不應局限於此。另外在兩根立柱13之間設置的斜撐14可以起到加固和調 節的作用，也可以採用其它結構替代。如圖1 3所示，本發明的立管運動裝置包括一通過螺母固定連接在活塞杆20底 部的類似「工」字形的活動板21，活動板21的四角通過通孔22穿套在四根光槓16上。活 動板21中部設置有兩根側向運動滑軌23，兩根側向運動滑軌23的兩端分別固定連接一滑 塊24，同一端的兩滑塊M上共同連接一活動框25，兩活動框25內分別設置有一軸向運動 滑軌沈，每一軸向運動滑軌沈上設置有兩個滑塊27 (本實施例以兩塊為例，但不限於此)， 四個滑塊27頂部共同連接一底板觀，底板觀的中心通過螺母固定連接一連接杆29(如圖 1、圖4所示)，連接杆四的底部轉動連接一接頭30，接頭30可以通過焊接或螺栓連接立管 接頭11。在活動板21上還設置有一側向液壓缸(圖中未示出)，側向液壓缸的輸出端連接 其中一活動框25。如圖1所示，利用本發明進行實驗時，立管運動裝置中的垂向液壓缸可以驅動活
5動板21帶動兩活動框25上、下運動，兩活動框25通過底板觀帶動連接杆四上、下運動， 進而通過立管接頭11帶動立管觸底段模型10實現上、下模擬運動。由於立管運動裝置中 兩活動框25通過底部28連接成一體，因此側向液壓缸可以驅動兩活動框25沿滑軌23同 步做側向水平運動(穿入穿出紙面的運動)，進而通過連接杆四帶動立管觸底段模型10實 現模擬側向水平運動。實驗中需要控制立管觸底段模型10在垂向和側向兩個方向上單位 時間內產生的位移，該單位時間內產生的位移是根據鋼懸鏈線立管原型截斷點確定得到。上述通過本發明裝置帶動立管觸底段模型10進行垂向和側向運動的過程中，由 於底板四和活動框25沿立管觸底段模型10軸向(水槽1的長度方向)上的運動是自由 運動，因此帶動立管觸底段模型10在軸向上也是自由運動，此時立管觸底段模型10在水槽 1的粘土 2上的接觸振動與鋼懸鏈線立管原型的觸底振動相接近，因此可以通過間隔設置 在立管觸底段模型10上的加速度傳感器和應變片，測量立管觸底段模型10上各個截面位 置的應變與加速度響應，以得到鋼懸鏈線立管原型的振動特性的實驗結果。同時可以通過流速控制泵8控制水槽1的流速，從而實現模擬海床附近的海流，再 通過加速度傳感器和應變片，測量立管觸底段模型10各個截面位置的應變與加速度響應， 以得到靜水阻尼條件或不同流速阻尼條件下的立管觸底段模型10的觸底振動的實驗結 果，以研究海床附近海流對鋼懸鏈線立管的阻尼影響。上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和製作工藝等都 是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除 在本發明的保護範圍之外。
權利要求
1.一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗方法，其包括以下內容1)設置一水槽，在水槽底部鋪設物性與力學特性與原型海床海土相接近的粘土，水槽 內的水位高於粘土上表面，在水槽末端設置有消波區，在消波區上方的水槽上設置出水口， 並通過將出水循環回流的方式模擬立管觸底區的海流；2)應用截斷模擬的方法，在有限的水槽內設置一立管觸底段模型，對立管觸底段模 型的一端施加垂向載荷和水平側向載荷，模擬浮體運動引發的鋼懸鏈線立管觸底振動，及 管-土相互作用形成的海床溝槽；3)通過間隔設置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應變片，收集模型觸底振動 的響應信號，進而得到海床床面土體性質及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振動影 響。
2.實現如權利要求1所述方法的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統，其特徵在 於它包括海床模擬造流裝置、支撐架和立管運動裝置；所述海床模擬造流裝置包括一水槽，所述水槽內鋪設有粘土，所述水槽內的水面高於 所述粘土上表面；所述水槽末端設置有一傾斜的消波區，所述消波區上方的水槽上開設排 水口，所述排水口下方設置一水箱，所述水箱通過回流管和流速控制泵連接至水槽前端底 部；所述粘土內設置有一吸力錨，所述吸力錨連接一立管觸底段模型的一端，所述立管觸底 段模型的另一端連接一立管接頭；所述立管觸底段模型上間隔設置有若干加速度傳感器和 應變片；所述支撐架跨越在所述水槽前部，其包括一由立柱和橫梁組成的框架，在跨越所述水 槽的兩橫梁上對稱設置有四根光槓，所述四根光槓頂部連接有一 「工」字形鋼板，所述鋼板 上固定連接一垂向液壓缸的缸體；所述立管運動裝置包括一活動板，其通過螺母固定連接在所述垂向液壓缸的活塞杆底 部，所述活動板的四角穿套在所述四根光槓上，所述活動板中部設置有兩根側向運動滑軌， 所述側向運動滑軌的兩端分別設置有滑塊，同一端的兩所述滑塊上共同連接一活動框，其 中一所述活動框連接一側向液壓缸的輸出端；兩所述活動框內分別設置有一軸向運動滑 軌，兩所述軸向運動滑軌上分別設置有滑塊，練所述軸向滑軌上的所述滑塊頂部共同連接 一底板，所述底板中心固定設置一連接杆，所述連接杆的底部連接所述立管接頭。
3.如權利要求2所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統，其特徵在於所述支 撐架中由立柱和橫梁組成的框架包括四根立柱和四根橫梁，其中兩根短的所述橫梁底部對 應設置一連接兩所述立柱的底座，兩所述底座通過地腳螺栓固定連接在地面。
4.如權利要求2所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統，其特徵在於在所述 支撐架位於水槽一側的兩立柱之間對角設置一斜撐，且兩側所述斜撐方向相反，每一所述 斜撐中間通過反向螺紋接頭連接。
5.如權利要求3所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統，其特徵在於在所述 支撐架位於水槽一側的兩立柱之間對角設置一斜撐，且兩側所述斜撐方向相反，每一所述 斜撐中間通過反向螺紋接頭連接。
6.如權利要求2或3或4或5所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統，其特徵 在於所述連接杆先轉動地連接一接頭，再將所述接頭固定連接所述立管接頭。
全文摘要
本發明涉及一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗方法及系統，其包括以下內容1)設置一水槽，在水槽底部鋪設物性與力學特性與原型海床海土相接近的粘土，水槽內的水位高於粘土上表面，在水槽末端設置有消波區，在消波區上方的水槽上設置出水口，並通過將出水循環回流的方式模擬立管觸底區的海流；2)應用截斷模擬的方法，在有限的水槽內設置一立管觸底段模型，對立管觸底段模型的一端施加垂向載荷和水平側向載荷，模擬浮體運動引發的鋼懸鏈線立管觸底振動，及管-土相互作用形成的海床溝槽；3)通過間隔設置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應變片，收集模型觸底振動的響應信號，進而得到海床床面土體性質及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振動影響。
文檔編號G01M7/02GK102141462SQ20101061833
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者張恩勇, 曹靜, 段夢蘭, 沙勇, 胡知輝, 趙天奉, 陳嚴飛 申請人:中國海洋石油總公司, 中國石油大學(北京), 中海石油研究中心