一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置的製作方法

2023-08-01 20:47:21 2

專利名稱：一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種海洋工程技術領域的裝置，特別是關於一種橫置於拖曳水池中的海底管道模型在均勻流下的渦激振動模擬試驗裝置。
背景技術：
如果將柱狀結構物置於一定速度的來流當中，其兩側會發生交替瀉渦。與漩渦的生成和瀉放相關聯，柱體會受到橫向和流向的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，那麼脈動流體力會引發柱體的振動，柱體的振動反過來又會改變其尾流結構。這種流體結構物相互作用的問題稱為渦激振動。例如在海流的作用下，懸置於海洋中的海洋平臺立管、拖纜、海底管線、spar平臺的浮筒、系泊纜索等柔性管件上會出現渦激振動現象，將會導致柔性管件的疲勞破壞。由於海洋油氣開採向深水推進，深水環境中的立管可視為細長柔性結構，小變形理論不再適用，這使得立管的渦激振動問題更加突出。目前為止，對柔性管件渦激振動現象的研究最重要的方法之一就是模型試驗方法。試驗中模擬的現象更加接近於自然界中的真實情況，採用先進的試驗裝置可以保證試驗數據的可靠性。通過模型試驗的方法可以設計出更好的抑制海洋立管渦激振動的抑振裝置。經過對現有技術的檢索發現，目前的渦激振動試驗裝置一般在拖曳海洋工程深水池中進行，有的在環形水槽中進行，有的用拖船拖動立管進行渦激振動試驗。經對現有技術文獻進行檢索發現，在第14屆國際近海與極地工程會議「Proceedings of the Fourteen (2004) International Offshore and PolarEngineering Conference，，中的論文 "Laboratory Investigation of Long RiserVIV Response」(長立管渦激振動響應的實驗研究)是關於柔性管件渦激振動實驗研究的，文中提到了一種柔性管件渦激振動模型試驗技術，把柔性立管橫置於拖曳水池中，拖車拖動立管模型產生均勻流場。用布置在立管內部的加速度傳感器來測量立管的運動，在立管壁內布置光柵測量立管壁內的應變量。經分析， 該試驗技術的不足之處在於1、一般只能模擬小尺度管件的渦激振動，難以有效的進行實雷諾數下的渦激振動試驗。2、受拖曳海洋工程深水池長度的限制，所得到的測試段距離較小，測得的試驗數據較少；3、不能真實地模擬海底管道所處的凹凸不平的地勢環境。
發明內容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，該裝置將海底管道模型橫置於拖曳水池中，進行渦激振動模擬，能夠模擬真實海底條件和實際尺寸海底管道，測試時間更長。為實現上述目的，本實用新型採取以下技術方案一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於它包括設置在拖曳水池內的模擬假底，所述模擬假底的兩端分別滑動穿設有立柱，兩所述立柱的頂端共同連接設置在所述拖曳水池上方的拖車，兩所述立柱的中下部分別設置有一端部支撐結構，兩所述端部支撐結構分別連接一海底管道模型的對應軸端；所述拖曳水池內設置有測量分析系統。所述模擬假底包括水平鋼板，所述水平鋼板的中部設置有一凸起鐵架，所述凸起鐵架上，與所述海底管道模型的接觸處包裹保護橡膠，兩所述立柱滑動穿設在所述水平鋼板上。 每一所述立柱均包括上、下兩段，每一段的形狀為空心圓柱筒形，所述立柱的上、 下兩段之間通過法蘭盤連接。每一所述端部支撐結構包括設置在所述海底管道模型相應端部的連接套筒，所述連接套筒通過萬向節連接海底管道固定接頭，所述海底管道固定接頭固定在一豎直支撐板上，所述豎直支撐板焊接在水平支撐板底部，所述水平支撐板設置在所述立柱上。所述水平支撐板上設置有若干螺栓孔，各所述螺栓孔與所述立柱的上、下分段連接處的所述法蘭盤的螺栓孔配合，通過螺栓使所述水平支撐板和所述立柱的上、下分段緊固連接。所述測量分析系統包括設置在所述立柱下部和所述拖車尾部的水下攝像設備；軸向均勻設置在所述海底管道模型上的若干光柵應變傳感器；設置在所述拖曳水池的拖車控制室內的光纖數據採集系統、錄像採集系統、無線信號接收器及計算機設備，所述計算機內預置有數據分析軟體。本實用新型由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本實用新型採用高速拖車與拖曳水池相對運動的方式模擬均勻來流，因此可以充分利用拖曳水池的長度來模擬大型海底管道實雷諾數渦激振動。2、本實用新型由於在模擬假底兩端滑動穿設有立柱，模擬假底可以沿立柱下段上、下自由滑動，因此，可以調節模擬假底與海底管道模型之間的距離，並能夠根據需要模擬的不同海底地勢，改變凸起支架的形狀，從而使模擬海底管道的外部環境更加真實。3、本實用新型由於設置有立柱模塊、端部支撐模塊、模擬假底模塊、海底管道模型模塊、測量分析系統模塊，且各模塊相互獨立，由高強螺栓連接，因此，安裝、拆卸便利。4、本實用新型的立柱上端通過法蘭盤與拖車底部連接，因此，兩側立柱的間距可自由調節，以配合不同長度的海底管道模型。5、本實用新型的端部支撐結構由連接套筒、萬向節、海底管道固定接頭、豎直支撐板及水平支撐板組成，各個部件結構簡單，易於組裝，替換方便。6、本實用新型的模擬假底由水平鋼板及凸起鐵架構成，凸起鐵架為獨立部件，可按照海底地貌製成不同的形狀，各不同形狀的鐵架可方便的替換、拆卸。7、本實用新型的海底管道模型模塊獨立製作，可以根據需要改變直徑和長度，拆裝便利。8、本實用新型的測量分析系統由光纖數據採集系統、錄像採集系統、無線信號接收器及計算機設備組成，各系統獨立工作，互不幹擾。本實用新型結構設置巧妙，可將海底管道模型橫置於拖曳水池中，在均勻流下模擬渦激振動，能夠模擬真實海底條件和實際尺寸海底管道，測試時間更長，因此，可廣泛用於海底管道的渦激振動試驗過程中。

圖1是本實用新型結構示意圖圖2是本實用新型拖車以下結構等軸側視示意圖圖3是本實用新型模擬假底示意圖圖4是本實用新型立柱分段示意圖[0017]圖5是本實用新型海底管道模型及端部支撐機構結構示意圖圖6是本實用新型海底管道及端部支撐機構中水平支撐板示意圖
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。如圖1、圖2所示，本實用新型包括設置在拖曳水池1內的模擬假底2，模擬假底2 的兩端分別滑動穿設於立柱3，兩立柱3的頂端分別通過法蘭盤共同連接設置在拖曳水池1 上方的拖車4。兩立柱3的中下部分別設置有一端部支撐結構5，兩端部支撐結構5分別連接海底管道模型6的對應軸端。拖曳水池1內設置有用於對海底管道模型6的運動和受力進行採集測量的測量分析系統(圖中未示出)。如圖2、圖3所示，模擬假底2包括水平鋼板21，水平鋼板21的中部設置有一凸起鐵架22。凸起鐵架22可根據需要模擬的海況，焊接成不同的形狀，凸起鐵架22與海底管道模型6自然支持，為保護海底管道模型6，在凸起鐵架22與海底管道模型6接觸的地方的凸起鐵架22上包裹保護橡膠(圖中未示出)。如圖4所示，每一立柱3均包括上、下兩段，每一段的形狀為空心圓柱筒形，上、下兩段立柱3之間通過法蘭盤31連接。兩立柱3的下段分別穿設在水平鋼板21的兩端，水平鋼板21可以沿兩立柱3的下段自由滑動，以調節模擬假底2與海底管道模型6之間的距
1 O如圖5所示，端部支撐結構5用於固定和支撐海底管道模型6，每一端部支撐結構 5包括設置在海底管道模型6相應端部的連接套筒51，連接套筒51通過一萬向節52連接海底管道固定接頭53，海底管道固定接頭53固定在一豎直支撐板M上，豎直支撐板M焊接在一水平支撐板55底部，水平支撐板55設置在立柱3的上、下分段連接處。如圖6所示，水平支撐板55上設置有若干螺栓孔56，各螺栓孔56與立柱3的上、 下分段連接處的法蘭盤31的螺栓孔配合，通過螺栓使水平支撐板55和立柱3的上、下分段緊固連接。測量分析系統包括設置在立柱3下部和拖車4尾部的水下攝像設備；軸向均勻設置在海底管道模型6上的若干光柵應變傳感器；設置在拖曳水池1上方的拖車控制室內的光纖數據採集系統、錄像採集系統、無線信號接收器及計算機設備，計算機內預置有數據分析軟體。試驗過程中，光纖數據採集系統和錄像採集系統通過無線信號接收器接收光柵應變傳感器的信號和攝像設備的信號，並通過計算機內預置的數據分析軟體實時地對接收到的數據進行存儲和處理。上述實施例中，拖車4是拖曳水池1上的已有試驗設備，可實現雙向的不同速度下的勻速直線運動，拖車4提供動力，拖曳水池1上方設置的拖車控制室內設置有測量分析系統。測量分析系統進行採集數據時，只須取拖車4拖曳海底管道模型6運動過程中的中間平穩段數據即可。本實用新型先根據拖曳水池的尺寸、海底管件的尺寸、試驗工況的具體情況和試驗的經濟性，選擇合適的模型縮尺比和試驗工況。按照整個試驗裝置的強度要求和振動控制要求確定各模塊的尺寸和材料。各模塊分別準備完畢後具體的安裝過程如下1)在地面上將連接套筒51、萬向節52、海底管道固定接頭53、豎直支撐板M、水平支撐板55連接好組成端部支撐結構5 ；2)將端部支撐結構5通過水平支撐板55與立柱3的上、下分段的法蘭盤31用螺栓連接成一整體，將該整體吊裝至拖車4下方，並將一立柱3的上部分段通過法蘭盤連接拖車4 一側底部，另一側以相同的步驟完成。3)將海底管道模型6吊裝至拖車4下方，將其兩端與端部支撐機構5分別連接固定，然後將海底管道模型6兩端導出來的數據線穿過立柱3的各分段中間空心部分，一直接到拖車4上拖車控制室內的數據採集系統上；同時在立柱3的下部分段和拖車4尾部安裝水下攝像設備；4)在地面上將水平鋼板21與鐵架22組成模擬假底2，將模擬假底2整體吊裝至拖車4下，與兩側立柱3的下部分段連接；根據需要模擬的真實海底情況，調整模擬假底2 的凸起鐵架22的形狀，使其與海底管道模型6自然接觸，並在其與海底管道模型6接觸的地方包裹上保護橡膠；5)在拖車控制室內的計算機上安裝實時分析軟體和圖像處理軟體，然後將從海底管道模型6兩端導出來的數據線連接到電腦上，同時將拖車控制室內的測量儀器導出來的電源線接上電源；6)整體安裝完成後調試裝置，確定好模擬假底2的位置；調試完成後，就可以根據具體工況和試驗技術要求啟動試驗裝置進行試驗。上述各實施例僅用於說明本實用新型，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本實用新型技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本實用新型的保護範圍之外。
權利要求1.一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於它包括設置在拖曳水池內的模擬假底，所述模擬假底的兩端分別滑動穿設有立柱，兩所述立柱的頂端共同連接設置在所述拖曳水池上方的拖車，兩所述立柱的中下部分別設置有一端部支撐結構，兩所述端部支撐結構分別連接一海底管道模型的對應軸端；所述拖曳水池內設置有測量分析系統。
2.如權利要求1所述的一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於所述模擬假底包括水平鋼板，所述水平鋼板的中部設置有一凸起鐵架，所述凸起鐵架上，與所述海底管道模型的接觸處包裹保護橡膠，兩所述立柱滑動穿設在所述水平鋼板上。
3.如權利要求1所述的一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於每一所述立柱均包括上、下兩段，每一段的形狀為空心圓柱筒形，所述立柱的上、下兩段之間通過法蘭盤連接。
4.如權利要求2所述的一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於每一所述立柱均包括上、下兩段，每一段的形狀為空心圓柱筒形，所述立柱的上、下兩段之間通過法蘭盤連接。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於每一所述端部支撐結構包括設置在所述海底管道模型相應端部的連接套筒，所述連接套筒通過萬向節連接海底管道固定接頭，所述海底管道固定接頭固定在一豎直支撐板上，所述豎直支撐板焊接在水平支撐板底部，所述水平支撐板設置在所述立柱上。
6.如權利要求5所述的一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於所述水平支撐板上設置有若干螺栓孔，各所述螺栓孔與所述立柱的上、下分段連接處的所述法蘭盤的螺栓孔配合，通過螺栓使所述水平支撐板和所述立柱的上、下分段緊固連接。
7.如權利要求1或2或3或4或6所述的一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於所述測量分析系統包括設置在所述立柱下部和所述拖車尾部的水下攝像設備；軸向均勻設置在所述海底管道模型上的若干光柵應變傳感器；設置在所述拖曳水池的拖車控制室內的光纖數據採集系統、錄像採集系統、無線信號接收器及計算機設備。
8.如權利要求5所述的一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於所述測量分析系統包括設置在所述立柱下部和所述拖車尾部的水下攝像設備；軸向均勻設置在所述海底管道模型上的若干光柵應變傳感器；設置在所述拖曳水池的拖車控制室內的光纖數據採集系統、錄像採集系統、無線信號接收器及計算機設備。
專利摘要本實用新型涉及一種海底管道均勻流渦激振動模擬試驗裝置，其特徵在於它包括設置在拖曳水池內的模擬假底，所述模擬假底的兩端分別滑動穿設於立柱，兩所述立柱的頂端共同連接設置在所述拖曳水池上方的拖車，兩所述立柱的中下部分別設置有一端部支撐結構，兩所述端部支撐結構分別連接一海底管道模型的對應軸端；所述拖曳水池內設置有測量分析系統。本實用新型結構設置巧妙，可將海底管道模型橫置於拖曳水池中，在均勻流下模擬渦激振動，能夠模擬真實海底條件和實際尺寸海底管道，測試時間更長，因此，可廣泛用於海底管道的渦激振動試驗過程中。
文檔編號G01M7/02GK202033164SQ20112000769
公開日2011年11月9日 申請日期2011年1月12日 優先權日2011年1月12日
發明者付世曉, 徐陽, 楊建民, 汪學鋒, 沙勇, 矯濱田, 許亮斌, 賈旭, 鄒星 申請人:上海交通大學, 中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心