深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置的制作方法

專利名稱：深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種細長柔性立管渦激振動模型實驗裝置，特別是關于一種深海
細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置。
背景技術：
海洋立管結構被廣泛用于海洋油氣資源的開采，是海底井口與上部工程設施之間 的重要連接構件，用于油氣資源和各種鉆井液的輸送。近年來，伴隨著海洋油氣資源的開采 逐步走向深海海域，海洋立管結構的長細比不斷加大，柔性特征更加明顯。在深海區域更加 復雜的水流和波浪等外部環境載荷的長期作用下，極易發生破壞。其中，渦激振動是細長柔 性立管發生疲勞破壞的重要因素之一。當粘性流體經過非流線型截面物體時，由于負壓梯 度和強剪切邊界層的存在，會在物體的尾流區內形成漩渦的交替脫落，由此產生的周期性 流動作用力會導致物體發生振動。當渦旋的脫落頻率與結構的固有頻率比較接近時，立管 結構會發生大幅的共振響應。為了降低渦激振動的破壞力，首先必須深入認識深海細長柔 性立管的渦激振動機理。開展細長柔性立管模型的渦激振動實驗是非常有效的研究手段之 一，它能夠幫助解決數值方法中遇到的諸多困難，形成覆蓋范圍更大、準確性更高的渦激振 動力系數數據庫，直接服務于實際的深海油氣資源開采工程。 目前，國外許多研究機構開展了不同材料、結構形式和模型比的柔性桿件渦激振 動實驗研究。比如麻省理工學院Vandiver教授研究組在2004年和2006年分別在湖泊 和海洋中開展了細長柔性立管渦激振動的野外現場實驗，這兩個實驗在立管的端部采用了 萬向鉸、張力計、傾角計的組合裝置；ExxonMobil石油公司于2003年將立管模型固定在可 旋轉的支架上研究了均勻流和剪切流作用下的立管渦激振動，其端部固定裝置采用彈簧系 統裝置；2003年，MARINTEK在執行NDP (Norwegian De印water Programme)項目過程中，在 室內水池中開展了細長柔性立管渦激振動實驗，立管模型端部采用萬向鉸與重塊連接的方 式。但是以上這些具有代表性的實驗工作由于研究目標和內容各不相同，因此在具體的立 管模型端部設置方法上均存在較大的差別，特別是在立管模型的端部約束形式和張力控制 等方面與實際工程問題存在較大的差異，而這種差異主要取決于立管模型端部固定裝置的 設計與安裝形式上。立管模型的端部固定裝置若不夠牢靠，勢必引起立管模型在實驗中的 安全性和穩定性問題，特別是會使立管模型發生繞其軸線的扭轉，造成順流和橫流方向應 變測量信號的混淆，難以確保得到真實的渦激振動實驗測量數據；另一方面，立管模型的端 部約束方式應盡量體現上部平臺結構一般都具有的垂向升沉和水平往復運動等實際情況， 否則模型實驗的結果將不能真實反映實際工程問題。

發明內容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種牢靠穩定的深海細長柔性立管渦激 振動實驗的立管模型端部固定裝置，該端部固定裝置能夠在實驗室內真實有效模擬細長柔 性立管渦激振動特性。[0005] 為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案一種深海細長柔性立管渦激振 動實驗的立管模型端部固定裝置，其特征在于它包括一拖車、一左支撐裝置、一右支撐裝 置、一滑動機構、一定滑輪和一張力系統；所述拖車兩端部的車輪均設置在軌道上，所述拖 車的其它部分懸空；所述左支撐裝置為一由三塊鋼板焊接形成U形一體結構，且橫向固定 設置在所述拖車上懸空部分的左端，所述右支撐裝置縱向固定設置在所述拖車上懸空部的 右端；所述滑動機構包括一基座，所述基座通過螺栓與所述左支撐裝置底部的鋼板固定連 接，所述基座通過螺栓固定連接兩對相對的套環，正對的二所述套環內套設有一滑軌，所述 滑軌上穿設有一與所述右支撐裝置相對的"T"字型滑塊；所述滑塊與所述右支撐裝置之間 設置有一立管模型；所述左支撐裝置底部鋼板的外側固定連接有一橫向的板條，所述板條 的表面固定有一軸，該軸穿過所述定滑輪；所述張力系統包括在所述左支撐裝置外側鋼板 上沿豎直方向串接的一張力計、一張緊器和一彈簧，所述滑塊通過一鋼絲繩繞過所述定滑 輪與所述彈簧連接。 所述右支撐裝置為一長方形鋼板。 所述滑動機構中滑塊上的橫板套設在所述滑軌上，所述滑塊上的縱板與所述右支 撐裝置相對，所述縱板的內側面通過一萬向鉸與所述立管模型活動連接，所述縱板的外側 面通過所述鋼絲繩連接所述張力系統中的彈簧。 所述滑塊上的橫板與縱板之間設置有穩定所述滑塊結構用的二支撐桿。 所述右支撐裝置通過一萬向鉸與所述立管模型活動連接。 所述萬向鉸與所述縱板和右支撐裝置均采用螺紋螺絲的連接，所述萬向鉸與立管 模型之間采用一 自制構件連接。 所述自制構件的一端為與所述立管模型連接的螺栓，另一端為與所述萬向鉸連接 的螺紋螺絲。 本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、由于本實用新型設置了 兩端可以在地面軌道上行進且其余部分懸空的一拖車，拖車懸空部分的兩端分別固定設置 了鋼結構的左支撐裝置和右支撐裝置，左支撐裝置的左側面和底部端面上分別設置有張力 系統和滑動機構，立管模型設置在滑動機構與右支撐裝置之間，因此立管模型的固定非常 牢靠，立管模型的端部支撐結構對外部水流擾動小，有利于通過模型實驗獲得細長柔性立 管的渦激振動特性。2、由于本實用新型中的張力系統包括張力計、張緊器和彈簧，彈簧通過 一鋼絲繩繞過定滑輪與滑動機構連接，因此拖車在通過拖曳滑動機構帶動立管模型在水中 行進以形成相對運動水流的過程中，可通過張力計測得立管模型頂端張力隨拖曳力的時間 變化過程，實現了對立管模型內部張力的實時觀測，同時由于左滑動端的存在，因此能夠在 實驗過程中考慮實際上部平臺具有升沉運動的實際情況。3、由于本實用新型中立管模型 的端部是通過滑動機構與萬向鉸和右支撐裝置連接，因此可以限制立管模型的扭轉，從而 防止光纖光柵傳感器測得的順流和橫流方向應變信號發生混淆，同時還可以保證立管模型 頂端的彎矩為零，與實際工程問題比較符合。4、由于本實用新型萬向鉸采用螺紋螺絲與滑 動機構和右支撐裝置連接，且萬向鉸與立管模型采用由螺栓和螺紋螺絲構成的自制構件連 接，因此易于安裝和拆卸。5、由于本實用新型在實驗過程中只有端部縱板部分浸沒在水中， 而其余部分均在水面以上，這樣可以將立管模型端部裝置對水流的擾動作用降低到最小， 而且能使立管模型頂端附近的水流流動特征盡量保持為二維流動，減小了可能因附加裝置
4引起端部三維流動效應的不利影響。本實用新型牢靠穩定，能夠真實有效地模擬實際細長 柔性立管的渦激振動特性，主要應用于涉及深海細長柔性立管結構渦激振動的室內模型實 驗研究領域。

圖1是本實用新型的結構示意圖 圖2是本實用新型中立管模型與左支撐裝置的連接示意圖 圖3是滑動機構的結構示意圖 圖4是本實用新型中張力系統的結構示意圖
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所示，本實用新型包括一拖車1、一左支撐裝置2、一右支撐裝置3、一張力系 統4、一滑動機構5、一定滑輪6和一鋼絲繩7。拖車1與地面保持平行，拖車1上的車輪8 位于拖車1的兩端部，且兩車輪8分別設置在軌道9上，拖車1的其余部分懸空。拖車1上 懸空部分的左、右兩端的下部分別固定設置有左、右支撐裝置2、3，本實施例中，左支撐裝置 2是由三塊長方形鋼板焊接形成的U形一體結構，并橫向安裝在拖車1上，右支撐裝置3采 用長方形鋼板，縱向安裝在拖車1上。 如圖1 4所示，滑動機構5包括一基座51，基座51為一長方形鋼板，基座51通 過螺栓52與左支撐裝置2底部的鋼板固定連接。基座51上通過螺栓53固定連接兩對相 對的套環54，正對的二套環54內均套設有滑軌55，由于同側的兩套環54并排設置，因此滑 軌55也是并排的。滑軌55上設置有一 "T"字型鋼質滑塊56， "T"字型滑塊56中的橫板 561套設在滑軌55上，縱板562與右支撐裝置3相對，"T"字型滑塊56中的橫板561與縱 板562之間設置有二支撐桿57，支撐桿57利用了三角穩定原理，使"T"字型滑塊56的結構 更為穩定。縱板562與右支撐裝置3之間設置有一與地面平行的立管模型10，實驗過程中 的立管模型10的側面上設置有光纖光柵傳感器(圖中未示出)，光纖光柵傳感器用于實時 測量立管模型10的應變變形和動力響應情況，并實時輸送給一計算機(圖中未示出)，利于 實驗結果分析。縱板562和右支撐裝置3均通過萬向鉸11與立管模型10活動連接，萬向 鉸11能夠限制立管模型10的扭轉，從而避免立管模型10表面光纖光柵傳感器測得的順流 和橫流方向的應變測量信號發生混淆，同時還可以保證立管模型IO頂端的彎矩為零。在實 驗過程中，縱板562浸沒在水中，其余部分均在水面以上，這樣可以使本實用新型對立管模 型10端部水流的擾動降低到最小，而且能夠盡量保證立管模型10頂端的水流盡量保持為 二維特征，防止出現三維效應。本實施例中，萬向鉸11與左、右支撐裝置2、3均采用螺紋螺 絲連接。為了便于安裝和拆卸，萬向鉸ll與立管模型IO采用自制構件連接，自制構件的具 體結構為一端為螺栓，與立管模型10連接；另一端為螺紋螺絲，與萬向鉸11連接。 在左支撐裝置2底部鋼板的最外側固定設置(比如焊接)有一板條12，板條12橫 向設置，且板條12上固定設置有一軸13，軸13與板條12面垂直且穿過定滑輪6的軸心，定 滑輪6可以繞軸13旋轉。 張力系統4設置在左支撐裝置2的外側鋼板上，張力系統4包括沿豎直方向且依次串接的一張力計41、一張緊器42和一彈簧43。張力計41與計算機電連接，張力計41將 測得的力大小輸送給計算機。彈簧43可以方便地通過鋼絲繩7繞過定滑輪6改變方向后 與滑動機構5上的縱板562連接。 當張力計41的上端施加有向上的力的作用時，依次對張緊器42、彈簧43和鋼絲繩 7產生力的作用，滑動機構5上的縱板562受鋼絲繩7的拉力作用，與縱板562相連的立管 模型10隨鋼絲繩7拉力變化而做出相應的變化。根據力學原理，立管模型10受到的張力 大小等于張力計41上端受到的力大小，即張力計41測得的力大小。在實驗開展的過程中， 由于相對水流的存在會對立管模型10產生拖曳力作用，此時張力計41可以將立管模型10 內部的張力大小實時輸送給計算機，便于實時觀測，有助于實驗結果分析。通過調節張緊器 42，可以為實驗立管模型IO提供初始預張力，這樣可以實現在實驗室內模擬不同預張力條 件下的立管渦激振動特性。 本實用新型用于實驗時，拖車1上安裝有一電機和一變頻器(圖中未示出)，拖車 1在電機驅動下在軌道9上自由行進，并帶動左、右支撐裝置2、3和立管模型10在實驗水池 中運動以形成相對水流，通過預先設置變頻器來控制拖車1的運行速度，以模擬具有不同 速度的相對運動水流環境。張力計41將實時測得的立管模型10所受張力隨時間的變化情 況輸送給計算機，而光纖光柵傳感器負責將實時測得的立管模型10的應變響應情況也輸 送到計算機內。然后，試驗人員根據計算機記錄的實驗數據可對實驗結果進行分析，從而研 究不同張力和水流條件下細長柔性立管的渦激振動特性。 盡管為說明目的公開了本實用新型的較佳實施例和附圖，其目的在于幫助理解本 實用新型的內容并據以實施，但是熟悉本領域技術的人員，在不脫離本實用新型及所附的 權利要求的精神和范圍內，可作各種替換、變化和潤飾。因此，本實用新型不應局限于最佳 實施例和附圖所公開的內容，本實用新型的保護范圍以所附的權利要求書所界定的范圍為 準。
權利要求一種深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置，其特征在于它包括一拖車、一左支撐裝置、一右支撐裝置、一滑動機構、一定滑輪和一張力系統；所述拖車兩端部的車輪均設置在軌道上，所述拖車的其它部分懸空；所述左支撐裝置為一由三塊鋼板焊接形成形一體結構，且橫向固定設置在所述拖車上懸空部分的左端，所述右支撐裝置縱向固定設置在所述拖車上懸空部的右端；所述滑動機構包括一基座，所述基座通過螺栓與所述左支撐裝置底部的鋼板固定連接，所述基座通過螺栓固定連接兩對相對的套環，正對的二所述套環內套設有一滑軌，所述滑軌上穿設有一與所述右支撐裝置相對的“T”字型滑塊；所述滑塊與所述右支撐裝置之間設置有一立管模型；所述左支撐裝置底部鋼板的外側固定連接有一橫向的板條，所述板條的表面固定有一軸，該軸穿過所述定滑輪；所述張力系統包括在所述左支撐裝置外側鋼板上沿豎直方向串接的一張力計、一張緊器和一彈簧，所述滑塊通過一鋼絲繩繞過所述定滑輪與所述彈簧連接。F2009202470171C00011.tif
2. 如權利要求1所述的深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置，其 特征在于所述右支撐裝置為一長方形鋼板。
3. 如權利要求1所述的深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置，其 特征在于所述滑動機構中滑塊上的橫板套設在所述滑軌上，所述滑塊上的縱板與所述右 支撐裝置相對，所述縱板的內側面通過一萬向鉸與所述立管模型活動連接，所述縱板的外 側面通過所述鋼絲繩連接所述張力系統中的彈簧。
4. 如權利要求2所述的深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置，其 特征在于所述滑動機構中滑塊上的橫板套設在所述滑軌上，所述滑塊上的縱板與所述右 支撐裝置相對，所述縱板的內側面通過一萬向鉸與所述立管模型活動連接，所述縱板的外 側面通過所述鋼絲繩連接所述張力系統中的彈簧。
5. 如權利要求3或4所述的深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝 置，其特征在于所述滑塊上的橫板與縱板之間設置有穩定所述滑塊結構用的二支撐桿。
6. 如權利要求1或2或3或4所述的深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部 固定裝置，其特征在于所述右支撐裝置通過一萬向鉸與所述立管模型活動連接。
7. 如權利要求3或6所述的深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置，其特征在于所述萬向鉸與所述縱板和右支撐裝置均采用螺紋螺絲的連接，所述萬向鉸 與立管模型之間采用一自制構件連接。
8. 如權利要求7所述的深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置，其特征在于所述自制構件的一端為與所述立管模型連接的螺栓，另一端為與所述萬向鉸連 接的螺紋螺絲。
專利摘要本實用新型涉及深海細長柔性立管渦激振動實驗的立管模型端部固定裝置，它包括拖車、左支撐裝置、右支撐裝置、滑動機構、定滑輪和張力系統；拖車兩端設置在軌道上，其它部分懸空；左支撐裝置為一由三塊鋼板焊接形成形一體結構，且橫向固定設置在拖車上懸空部分的左端，右支撐裝置縱向固定設置在拖車上懸空部的右端；滑動機構包括一與左支撐裝置底部固定連接的基座，基座上設置有二并排的滑軌，二滑軌上穿設有滑塊；滑塊與右支撐裝置之間設置有立管模型；左支撐裝置底部鋼板的外側設置有一可繞軸轉動的定滑輪；張力系統包括在左支撐裝置外側鋼板上串接有張力計、張緊器和彈簧，滑塊通過鋼絲繩繞過定滑輪與彈簧連接。本實用新型牢靠穩定，能夠在實驗室內真實有效模擬立管渦激振動特性，主要應用于涉及深海細長柔性立管結構渦激振動的室內模型實驗研究領域。
文檔編號G01M7/02GK201548390SQ20092024701
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月18日 優先權日2009年11月18日
發明者付英軍, 勾瑩, 呂林, 吳浩, 唐國強, 宋吉寧, 張建僑, 李廣偉, 滕斌, 王世圣, 許亮斌, 謝彬 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;大連理工大學