專利名稱：深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)的立管模型端部固定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種細(xì)長柔性立管渦激振動模型實(shí)驗(yàn)裝置，特別是關(guān)于一種深海細(xì)長 柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)的立管模型端部固定裝置。
背景技術(shù)：
海洋立管結(jié)構(gòu)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(shè)施之間 的重要連接構(gòu)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(jié)構(gòu)的長細(xì)比不斷加大，柔性特征更加明顯。在深海區(qū)域更加 復(fù)雜的水流和波浪等外部環(huán)境載荷的長期作用下，極易發(fā)生破壞。其中，渦激振動是細(xì)長柔 性立管發(fā)生疲勞破壞的重要因素之一。當(dāng)粘性流體經(jīng)過非流線型截面物體時，由于負(fù)壓梯 度和強(qiáng)剪切邊界層的存在，會在物體的尾流區(qū)內(nèi)形成漩渦的交替脫落，由此產(chǎn)生的周期性 流動作用力會導(dǎo)致物體發(fā)生振動。當(dāng)渦旋的脫落頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率比較接近時，立管 結(jié)構(gòu)會發(fā)生大幅的共振響應(yīng)。為了降低渦激振動的破壞力，首先必須深入認(rèn)識深海細(xì)長柔 性立管的渦激振動機(jī)理。開展細(xì)長柔性立管模型的渦激振動實(shí)驗(yàn)是非常有效的研究手段之 一，它能夠幫助解決數(shù)值方法中遇到的諸多困難，形成覆蓋范圍更大、準(zhǔn)確性更高的渦激振 動力系數(shù)數(shù)據(jù)庫，直接服務(wù)于實(shí)際的深海油氣資源開采工程。目前，國外許多研究機(jī)構(gòu)開展了不同材料、結(jié)構(gòu)形式和模型比的柔性桿件渦激振 動實(shí)驗(yàn)研究。比如麻省理工學(xué)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(xì)長柔性立管渦激振動的野外現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，這兩個實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(tǒng)裝置；2003 年，MARINTEK 在執(zhí)行 NDP (Norwegian De印water Programme)項目過程中，在 室內(nèi)水池中開展了細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)工作由于研究目標(biāo)和內(nèi)容各不相同，因此在具體的立 管模型端部設(shè)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(shí)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(shè)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(shí)驗(yàn)中的 安全性和穩(wěn)定性問題，特別是會使立管模型發(fā)生繞其軸線的扭轉(zhuǎn)，造成順流和橫流方向應(yīng) 變測量信號的混淆，難以確保得到真實(shí)的渦激振動實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)；另一方面，立管模型的端 部約束方式應(yīng)盡量體現(xiàn)上部平臺結(jié)構(gòu)一般都具有的垂向升沉和水平往復(fù)運(yùn)動等實(shí)際情況， 否則模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將不能真實(shí)反映實(shí)際工程問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種牢靠穩(wěn)定的深海細(xì)長柔性立管渦激振動 實(shí)驗(yàn)的立管模型端部固定裝置，該端部固定裝置能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)真實(shí)有效模擬細(xì)長柔性立 管渦激振動特性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí) 驗(yàn)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(jī)構(gòu)、一定滑輪和一張力系統(tǒng)；所述拖車兩端部的車輪均設(shè)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(jié)構(gòu)，且橫向固定設(shè)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(shè)置在所述拖車上懸空部的右端； 所述滑動機(jī)構(gòu)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(huán)，正對的二所述套環(huán)內(nèi)套設(shè)有一滑軌，所述滑軌 上穿設(shè)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(shè)置 有一立管模型；所述左支撐裝置底部鋼板的外側(cè)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(tǒng)包括在所述左支撐裝置外側(cè)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(jī)構(gòu)中滑塊上的橫板套設(shè)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(nèi)側(cè)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(cè) 面通過所述鋼絲繩連接所述張力系統(tǒng)中的彈簧。所述滑塊上的橫板與縱板之間設(shè)置有穩(wěn)定所述滑塊結(jié)構(gòu)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(gòu)件連接。所述自制構(gòu)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。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明設(shè)置了兩端可以 在地面軌道上行進(jìn)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(shè)置了鋼結(jié)構(gòu) 的左支撐裝置和右支撐裝置，左支撐裝置的左側(cè)面和底部端面上分別設(shè)置有張力系統(tǒng)和滑 動機(jī)構(gòu)，立管模型設(shè)置在滑動機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)對外部水流擾動小，有利于通過模型實(shí)驗(yàn)獲得細(xì)長柔性立管的渦激振 動特性。2、由于本發(fā)明中的張力系統(tǒng)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(jī)構(gòu)連接，因此拖車在通過拖曳滑動機(jī)構(gòu)帶動立管模型在水中行進(jìn)以形成相 對運(yùn)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(shí) 現(xiàn)了對立管模型內(nèi)部張力的實(shí)時觀測，同時由于左滑動端的存在，因此能夠在實(shí)驗(yàn)過程中 考慮實(shí)際上部平臺具有升沉運(yùn)動的實(shí)際情況。3、由于本發(fā)明中立管模型的端部是通過滑動 機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)，從而防止光纖光柵傳感 器測得的順流和橫流方向應(yīng)變信號發(fā)生混淆，同時還可以保證立管模型頂端的彎矩為零， 與實(shí)際工程問題比較符合。4、由于本發(fā)明萬向鉸采用螺紋螺絲與滑動機(jī)構(gòu)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(gòu)成的自制構(gòu)件連接，因此易于安裝和拆 卸。5、由于本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)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引起端部三維流動效應(yīng)的不利影響。本發(fā)明牢靠穩(wěn)定，能夠真實(shí)有效地模擬實(shí)際細(xì)長柔性立管的渦激振動特性，主要應(yīng)用于涉及深海細(xì)長柔性立管結(jié)構(gòu)渦激振動的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明中立管模型與左支撐裝置的連接示意3是滑動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明中張力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括一拖車1、一左支撐裝置2、一右支撐裝置3、一張力系統(tǒng) 4、一滑動機(jī)構(gòu)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(shè)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(shè)置有左、右支撐裝置2、3，本實(shí)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(jié)構(gòu)，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(jī)構(gòu)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(huán)54，正對的二套環(huán)54內(nèi)均套設(shè)有滑軌55，由于同側(cè)的兩套環(huán)54并排設(shè)置，因此滑 軌55也是并排的?；?5上設(shè)置有一 “T”字型鋼質(zhì)滑塊56，“T”字型滑塊56中的橫板 561套設(shè)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(shè)置有二支撐桿57，支撐桿57利用了三角穩(wěn)定原理，使“T”字型滑塊56的結(jié) 構(gòu)更為穩(wěn)定?？v板562與右支撐裝置3之間設(shè)置有一與地面平行的立管模型10，實(shí)驗(yàn)過程 中的立管模型10的側(cè)面上設(shè)置有光纖光柵傳感器(圖中未示出)，光纖光柵傳感器用于實(shí) 時測量立管模型10的應(yīng)變變形和動力響應(yīng)情況，并實(shí)時輸送給一計算機(jī)(圖中未示出)， 利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析?？v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(zhuǎn)，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(yīng)變測量信號發(fā)生混淆，同時還可以保證立管模型10頂端的彎矩為零。 在實(shí)驗(yàn)過程中，縱板562浸沒在水中，其余部分均在水面以上，這樣可以使本發(fā)明對立管模 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(xiàn)三維效應(yīng)。本實(shí)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11與立管模型10采用自制構(gòu)件連接，自制構(gòu)件的具 體結(jié)構(gòu)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(cè)固定設(shè)置(比如焊接)有一板條12，板條12橫 向設(shè)置，且板條12上固定設(shè)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(zhuǎn)。張力系統(tǒng)4設(shè)置在左支撐裝置2的外側(cè)鋼板上，張力系統(tǒng)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(jī)電連接，張力計41將測得的力大小輸送給計算機(jī)。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(jī)構(gòu)5上的縱板562連接。當(dāng)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(chǎn)生力的作用，滑動機(jī)構(gòu)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(yīng)的變化。根據(jù)力學(xué)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(shí)驗(yàn)開展的過程中， 由于相對水流的存在會對立管模型10產(chǎn)生拖曳力作用，此時張力計41可以將立管模型10 內(nèi)部的張力大小實(shí)時輸送給計算機(jī)，便于實(shí)時觀測，有助于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。通過調(diào)節(jié)張緊器 42，可以為實(shí)驗(yàn)立管模型10提供初始預(yù)張力，這樣可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬不同預(yù)張力條 件下的立管渦激振動特性。
本發(fā)明用于實(shí)驗(yàn)時，拖車1上安裝有一電機(jī)和一變頻器(圖中未示出)，拖車1在 電機(jī)驅(qū)動下在軌道9上自由行進(jìn)，并帶動左、右支撐裝置2、3和立管模型10在實(shí)驗(yàn)水池中 運(yùn)動以形成相對水流，通過預(yù)先設(shè)置變頻器來控制拖車1的運(yùn)行速度，以模擬具有不同速 度的相對運(yùn)動水流環(huán)境。張力計41將實(shí)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(jī)，而光纖光柵傳感器負(fù)責(zé)將實(shí)時測得的立管模型10的應(yīng)變響應(yīng)情況也輸送 到計算機(jī)內(nèi)。然后，試驗(yàn)人員根據(jù)計算機(jī)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而研究 不同張力和水流條件下細(xì)長柔性立管的渦激振動特性。盡管為說明目的公開了本發(fā)明的較佳實(shí)施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明 的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但是熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精 神和范圍內(nèi)，可作各種替換、變化和潤飾。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公 開的內(nèi)容，本發(fā)明的保護(hù)范圍以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)、一定滑輪和一張力系統(tǒng)；所述拖車兩端部的車輪均設(shè)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(jié)構(gòu)，且橫向固定設(shè)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(shè)置在所述拖車上懸空部的右端；所述滑動機(jī)構(gòu)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(huán)，正對的二所述套環(huán)內(nèi)套設(shè)有一滑軌，所述滑軌上穿設(shè)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(shè)置有一立管模型；所述左支撐裝置底部鋼板的外側(cè)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(tǒng)包括在所述左支撐裝置外側(cè)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。F2009102374889C0000011.tif
2.如權(quán)利要求1所述的深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)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(quán)利要求1所述的深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)的立管模型端部固定裝置，其 特征在于所述滑動機(jī)構(gòu)中滑塊上的橫板套設(shè)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(nèi)側(cè)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(cè)面通過所述鋼絲繩連接所述張力系統(tǒng)中的彈簧。
4.如權(quán)利要求2所述的深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)的立管模型端部固定裝置，其 特征在于所述滑動機(jī)構(gòu)中滑塊上的橫板套設(shè)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(nèi)側(cè)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(cè)面通過所述鋼絲繩連接所述張力系統(tǒng)中的彈簧。
5.如權(quán)利要求3或4所述的深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)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(shè)置有穩(wěn)定所述滑塊結(jié)構(gòu)用的二支撐桿。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)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(quán)利要求3或6所述的深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)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(gòu)件連接。
8.如權(quán)利要求7所述的深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)的立管模型端部固定裝置，其 特征在于所述自制構(gòu)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。
全文摘要
本發(fā)明涉及深海細(xì)長柔性立管渦激振動實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)、定滑輪和張力系統(tǒng)；拖車兩端設(shè)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(jié)構(gòu)，且橫向固定設(shè)置在拖車上懸空部分的左端，右支撐裝置縱向固定設(shè)置在拖車上懸空部的右端；滑動機(jī)構(gòu)包括一與左支撐裝置底部固定連接的基座，基座上設(shè)置有二并排的滑軌，二滑軌上穿設(shè)有滑塊；滑塊與右支撐裝置之間設(shè)置有立管模型；左支撐裝置底部鋼板的外側(cè)設(shè)置有一可繞軸轉(zhuǎn)動的定滑輪；張力系統(tǒng)包括在左支撐裝置外側(cè)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。本發(fā)明牢靠穩(wěn)定，能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)真實(shí)有效模擬立管渦激振動特性，主要應(yīng)用于涉及深海細(xì)長柔性立管結(jié)構(gòu)渦激振動的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域。
文檔編號G01M7/02GK101876584SQ200910237488
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者付英軍, 勾瑩, 呂林, 吳浩, 唐國強(qiáng), 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(xué)