專利名稱：一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗方法
技術領域：
本發明涉及海洋深水立管的研究試驗方法，具體涉及一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗方法。
背景技術：
深水頂張式立管是深水海洋立管的一種主要類型，立管的下端與海底井口連接， 管壁張力直接作用在井口上，而管內的流體源源不斷地從海底穿過立管流向浮式平臺。深水頂張式立管的彎曲剛度包括彈性抗彎剛度和張力引起的幾何剛度，其中幾何剛度是基于梁的復雜彎曲理論計算的。而梁的復雜彎曲理論是建立在對實心梁力學模型分析的基礎上的，其張力完全由梁的橫截面纖維承擔。但是，立管是空心的，內部充滿液體，液體不能承擔任何張力，且形狀隨容器形狀改變。因此，液體的作用與實心梁的固體纖維作用是完全不同的。液體不僅不能承受立管的軸向張力，且也不能對管壁形成任何固體纖維的約束和擠壓作用。因此，立管的幾何剛度應采用管壁張力計算。但是，目前的深水頂張式立管幾何剛度是采用立管橫截面的有效張力計算，具體計算公式如下[KG] = Te ^[N'f [N']dx(1)式中[KG]為幾何剛度矩陣；Te為有效張力；[N]為立管的單元插值函數；1為立管的單元長度。而有效張力是基于浮力原理和平衡條件推導的理論公式計算得到的，如下式Te = Tw-PiA^P0A0(2)式中TW為立管管壁張力；Pi，ρ。分別為立管的內、外壓力，其中Pi不包括靜水頭壓力；Ai，Atl分別為立管的內、外壁橫截面積。上述計算方法的不合理之處是將液體作為固體來看待，從而導致現有立管幾何剛度計算的不盡合理。立管的幾何剛度應該采用管壁張力還是有效張力計算已經受到國內外學者的關注，而解決該問題的唯一方法是試驗研究。目前，尚沒有人完成立管的幾何剛度試驗研究。
發明內容
本發明的目的在于提供一種深水頂張式立管幾何剛度試驗方法，從而解決深水頂張式立管幾何剛度的合理計算問題。本發明的技術方案如下一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗方法，該方法將模型管線與供水管線系統連通，將模型管線的上端或下端通過彈簧拉力計連接到試驗用的反力架上，在模型管線外部設置外壓水筒，在模型管線上貼設用于測量模型管線的壁張力和振動響應的應變片，并設置用于測量管線內壓的壓力表，然后進行如下試驗(1)向模型管線內充水，并保持模型管線的水不流動，應變片的應變為零；(2)張緊彈簧拉力計，使模型管線被張緊，通過應變片測出模型管線的應變，應變應介于500 1500，此時模型管線截面的有效張力等于管壁張力；(3)記錄彈簧拉力計和應變片的讀數，然后擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(4)對步驟(3)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力等于管壁張力時的模型管線固有頻率f1;(5)釋放彈簧拉力計，使模型管線的應變減小至零；增加模型管線內的水壓力，使水壓力增大至應變片的讀數與步驟(2)中施加張力產生的應變相等，即管壁張力與步驟 (2)的管壁張力相等；(6)擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(7)對步驟(6)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力等于零的模型管線固 有頻率f2 ；(8)比較和f2，如果= f2，則深水頂張式立管的幾何剛度計算應采用管壁張力，否則，應采用有效張力計算幾何剛度。進一步，如上所述的深水頂張式立管的幾何剛度試驗方法，還包括如下步驟(9)對外壓水筒進行充水，外壓水筒的充水深度應使得應變片27高度的外壓滿足下式pQAQ#Tw，其中，Tw為立管管壁張力，此處等于步驟(2)的管壁張力，P。為立管的外壓力，Atl為立管的外壁橫截面積；此時的有效張力Te = P0A0 ；(10)擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(11)對步驟(10)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力Te = P0A0時的模型管線固有頻率f3;(12)卸除模型管線的內壓，使得應變片的讀數降至零；(13)張緊彈簧拉力計，使模型管線被張緊，張緊的標準是應變片的讀數與步驟 (5)或步驟(2)相等；(14)擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(15)對步驟(14)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力Te = Tw+p0A0時的模型管線固有頻率f4;(16)比較f3和f4，如果f3 = f4，則深水頂張式立管的幾何剛度計算應采用管壁張力，否則，應采用有效張力計算幾何剛度。本發明的有益效果如下本發明能夠通過張緊彈簧拉力計，使卡盤的支架沿滑道下移，模型管線被張緊，從而模擬施加張力；通過閥門和水泵的調節實現模型管線內壓力的控制；通過擾動模型管線，使其產生自由振動，從而實現各種數據的測量和驗證。本發明可以完成深水頂張式立管幾何剛度的試驗研究，為立管幾何剛度計算提供依據和試驗驗證。
圖1為本發明的方法流程圖；圖2為本發明所采用的試驗裝置結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細描述。如圖1所示，本發明所采用的深水頂張式立管的幾何剛度試驗裝置包括設置在固定架13上的模型管線1，模型管線1外設有水筒2，模型管線1上、下端與供水管線系統連通。供水管線系統包括與模型管線1的上端連通的入口管線14以及與模型管線1的下端連通的出口管線15，入口管線14與出口管線15之間設有旁路管線16。模型管線1的上端通過入口管線14與水泵18的出口連接，在所述的入口管線14上設有壓力表29，出口管線 15的末端與水箱31連接，水箱31通過水箱出口管17與水泵18的入口連接，所述的水泵 18通過聯軸節19與電機20連接。入口管線14的兩端裝有閥門22和閥門26，以便控制模型管線1的壓力；出口管線15的兩端裝有閥門24、25 ；旁路管線16與入口管線14之間還設有閥門23。在固定架13下部設有反力架11，反力架11上設有反力架加強肋12，反力架11和反力架加強肋12焊接連接并焊接固定在固定架13上，反力架11通過彈簧與設置在模型管線1下部的卡盤3連接，所述的彈簧上設有彈簧拉力計28。在模型管線1上貼有用于測量模型管線的壁張力和振動響應的應變片27。在模型管線1的上、下部均設有卡盤7、3，下部的卡盤3通過支架4連接滑槽6，滑槽6設置在固定架13的滑道10上；上部的卡盤7直接通過支架8與固定架13連接。支架 4上焊接有支架加強筋5，支架8上焊接有支架加強筋9。反力架也可以設置在固定架的上部，本領域的技術人員可以理解，當反力架設置在固定架上部時，上部的卡盤7的支架應裝滑槽，滑道也應設置在上部，而卡盤3則不再需要滑槽，而應固定，即卡盤3和卡盤7的設置方式互換。所述的水筒2通過卡箍30固定在固定架13上，水筒2內充滿水；模型管線1與水筒2的筒底之間用玻璃膠密封。本發明采用上述裝置進行深水頂張式立管的幾何剛度試驗的方法如下(Si)水箱31充水將水箱31充水至入口管線15之下，水筒2不充水。(S2)向模型管線1充水開啟閥門21、22、26、25和24，關閉閥門23，啟動水泵18。(S3)保持模型管線1的水不流動當水箱31的入口管線15正常出水后，關閉閥門25和26，關閉水泵18，保持模型管線1內的水壓為靜水頭壓力，此時，應變片27的應變為零，即模型管線1的內壓沒有引起
管壁張力。(S4)對模型管線1施加張力張緊彈簧拉力計28，使卡盤3的支架4沿滑道10下移，模型管線1被張緊。從應變片27可讀出模型管線1的應變，應變應介于500 1500。由于模型管線1內的靜水壓頭壓力沒有產生軸向應變，因此，應變片27的讀數全部是張力引起的，則此時截面的有效張力等于管壁張力Te = Tw(S5)自由振動測試 記錄彈簧拉力計28和應變片27的讀數，然后擾動模型管線1 (用橡皮錘敲擊)，使其產生自由振動，記錄下應變片27隨時間變化的數據(應變時程)。(S6)固有頻率計算對應變時程作譜分析，如快速傅里葉變換，求出有效張力等于管壁張力時的模型管線1的固有頻率f\。(S7)卸除模型管線1的張力釋放彈簧拉力計28，使模型管線1的應變減小至零。(S8)增加模型管線1內的水壓力關閉閥門22和24，開啟閥門23和25，松開卡盤3，開啟水泵18，使模型管線1內的水壓力增大至應變片27的讀數與步驟(S4)中施加張力產生的應變相等，即管壁張力與步驟4的管壁張力相等，關閉閥門23、25和水泵18，擰緊卡盤3。此時的管壁張力為Tw = PiAiPi為立管的內壓力，Ai為立管的內壁橫截面積；因此，有效張力為Te = Tw-PiAi = 0。(S9)自由振動測試擾動模型管線1，使其產生自由振動，記錄下應變片27隨時間變化的數據(應變時程)。(SlO)重復步驟(S6)，求出有效張力等于零的模型管線1固有頻率f2。(Sll)比較和f2，可得出沒有外壓條件下不同有效張力的固有頻率。如果= f2，則幾何剛度計算應采用管壁張力，否則，應采用有效張力計算幾何剛度。(S 12)水筒2充水水筒2的充水深度應使得應變片27高度的外壓滿足下式ρ0Α0 Φ Twρ0為立管的外壓力，Atl為立管的外壁橫截面積，Tff為立管管壁張力，此處等于步驟 (2)的管壁張力；此處的立管管壁張力仍然等于內壓引起的管壁張力，因為內壓并未卸除。滿足 P0A0興Tw的目的是避免這一步驟的有效張力等于管壁張力，即=Te = P0A0 Φ Tw。立管的外壓力Ptl可根據水深和水的密度計算得到，此計算是公知技術；此時的有效張力Te = P0A0(S13)自由振動測試擾動模型管線1，使其產生自由振動，記錄下應變片27隨時間變化的數據(應變時程)。
(S14)重復步驟(S6)，求出有效張力Te = P0A0時的模型管線1固有頻率f3。(S15)卸除模型管線1的內壓 松開卡盤3，開啟閥門22、24、25和26，關閉閥門23，開啟水泵18，卸除模型管線1 的內壓，使得應變片27的讀數降至零，擰緊卡盤3。(S16)對模型管線1施加張力張緊彈簧拉力計28，使卡盤3的支架4沿滑道10下移，模型管線1被張緊。張緊的標準是應變片27的讀數與步驟(S8)或步驟(S4)相等。由于模型管線1內的靜水壓頭壓力沒有產生軸向應變，因此，應變片27的讀數全部是張力引起的，則此時的截面有效張力為Te = Tw+p0A0a)重復步驟(S13)。b)重復步驟(S6)，求出有效張力Te = Tw+p0A0時的模型管線1固有頻率f4。c)比較f3*f4，可得出有外壓條件下不同有效張力的固有頻率。如果f3 = f4，則幾何剛度計算應采用管壁張力，否則，應采用有效張力計算幾何剛度。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其同等技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗方法，其特征在于該方法將模型管線與供水管線系統連通，將模型管線的上端或下端通過彈簧拉力計連接到試驗用的反力架上，在模型管線外部設置外壓水筒，在模型管線上貼有用于測量模型管線的壁張力和振動響應的應變片，并設置用于測量管線內壓的壓力表，然后進行如下試驗(1)向模型管線內充水，并保持模型管線的水不流動，應變片的應變為零；(2)張緊彈簧拉力計，使模型管線被張緊，通過應變片測出模型管線的應變，應變應介于500 1500，此時模型管線截面的有效張力等于管壁張力；(3)記錄彈簧拉力計和應變片的讀數，然后擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(4)對步驟(3)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力等于管壁張力時的模型管線固有頻率f1;(5)釋放彈簧拉力計，使模型管線的應變減小至零；增加模型管線內的水壓力，使水壓力增大至應變片的讀數與步驟(2)中施加張力產生的應變相等，即管壁張力與步驟(2)的管壁張力相等；(6)擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(7)對步驟(6)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力等于零的模型管線固有頻率f 2 ；(8)比較和f2，如果=f2，則深水頂張式立管的幾何剛度計算應采用管壁張力，否貝U，應采用有效張力計算幾何剛度。
2.如權利要求1所述的深水頂張式立管的幾何剛度試驗方法，其特征在于還包括如下步驟(9)對外壓水筒進行充水，外壓水筒的充水深度應使得應變片27高度的外壓滿足下式pQAQ#Tw，其中，Tw為立管管壁張力，此處等于步驟⑵的管壁張力，P。為立管的外壓力， A0為立管的外壁橫截面積；此時的有效張力Te = P0A0 ；(10)擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(11)對步驟(10)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力Te= P0A0時的模型管線固有頻率f3 ；(12)卸除模型管線的內壓，使得應變片的讀數降至零；(13)張緊彈簧拉力計，使模型管線被張緊，張緊的標準是應變片的讀數與步驟(5)或步驟⑵相等；(14)擾動模型管線，使其產生自由振動，記錄下應變片隨時間變化的數據，即應變時程；(15)對步驟(14)記錄下的應變時程作譜分析，求出有效張力Te= Tw+p0A0時的模型管線固有頻率f4;(16)比較&和f4，如果f3= f4，則深水頂張式立管的幾何剛度計算應采用管壁張力， 否則，應采用有效張力計算幾何剛度。
全文摘要
本發明涉及海洋深水立管的研究試驗方法，具體涉及一種深水頂張式立管的幾何剛度試驗方法。該方法將模型管線與供水管線系統連通，將模型管線的上端或下端通過彈簧拉力計連接到試驗用的反力架上，在模型管線外部設置外壓水筒，在模型管線上貼有用于測量模型管線的壁張力和振動響應的應變片，并設置用于測量管線內壓的壓力表，然后進行各種條件自由振動下的模型管線固有頻率測量，確定深水頂張式立管的幾何剛度計算依據。本發明可以完成深水頂張式立管幾何剛度的試驗研究，為深水頂張式立管幾何剛度計算提供依據和試驗驗證。
文檔編號G01N3/14GK102252913SQ20111016120
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者劉娟, 吳學敏, 周陽, 孟慶飛, 段金龍, 范杰利, 魏東澤, 黃維平 申請人:中國海洋大學