專利名稱：一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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頂張力及有效張力試驗方法。
背景技術(shù)：
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(nèi)的流體源源不斷地從海底穿過立管流向浮式平臺。深水頂張式立管的頂張力計算是設(shè)計和分析的基礎(chǔ)，如果頂張力設(shè)計值偏低，則有可能造成立管的壓曲，頂張力設(shè)計值偏高則可能造成立管斷裂。而且頂張力還直接關(guān)系到立管固有頻率的計算，如果頂張力計算的不準確，則設(shè)計的固有頻率可能與立管實際的固有頻率產(chǎn)生較大的偏差，嚴重時，可能造成立管的固有頻率與海洋環(huán)境荷載的卓越頻率接近而引發(fā)共振。因此，準確地計算立管的頂張力對于立管的設(shè)計分析和研究都有著重要的意義。目前，立管的頂張力是采用設(shè)計頂張力系數(shù)乘以立管及管內(nèi)流體在海水中的重量，即認為立管內(nèi)的流體重量對管壁張力有貢獻。具體計算公式如下Ttop 一 fχ (Wriser+Wfluid-Wdisplacedwater)(丄)式中Tt。p為立管的頂張力；&為頂張力系數(shù)；Wriser為立管的重量；Wfluid為立管內(nèi)流體的重量；Wdisplacedwater為立管排開水的重量。而實際上，立管的底端是連接在海底井口上的，正常生產(chǎn)時，管內(nèi)的流體從油井穿過立管流向水面的浮式平臺，無論立管在頂張力的作用下發(fā)生怎樣的軸向變形，只要立管的橫截面不折曲，流體的流動都不會受到影響。因此，立管內(nèi)流動的流體對頂張力沒有影響。除非海底井口的閥門關(guān)閉，被鎖定在立管內(nèi)的流體重量可能對立管的頂張力有貢獻，不過，這也未得到證實。深水頂張式立管的有效張力是立管設(shè)計和分析的另一個重要參數(shù)，它直接影響到立管的幾何剛度計算，從而影響立管的動力特性和響應(yīng)計算，直至影響立管的疲勞設(shè)計分析。如果有效張力計算值不準確，則立管的幾何剛度計算值與立管實際的幾何剛度產(chǎn)生偏差，可能造成立管的固有頻率與海洋環(huán)境荷載的卓越頻率接近而引發(fā)共振。目前，深水頂張式立管的有效張力是基于浮力原理和平衡條件分析得到的，可表示為Te = Tw-PiA^P0A0(2)式中TW為立管管壁張力；Pi，P。分別為立管的內(nèi)、外流體的壓力，其中Pi不包括靜水頭壓力；Ai，Atl分別為立管的內(nèi)、外壁橫截面積。其中假設(shè)立管的微元段(包括內(nèi)部流體)兩端直接受到海水的作用，這與實際情
3況有較大的差異。立管的下端與海底井口連接，上端高于海平面，因此，立管的任何一個微元段兩端都不受海水的直接作用，上述有效張力計算公式中與外壓有關(guān)的項是不合理的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有深水頂張式立管研究的缺陷，提供一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，為深水頂張式立管的頂張力和有效張力計算提供依據(jù)和試驗驗證。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，該方法將模型管線的下端固定在內(nèi)壓水箱上，將模型管線的上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(shè)有外壓水筒，在模型管線不同位置上設(shè)置若干應(yīng)變計，并設(shè)置用于測量管線內(nèi)壓的壓力表；然后進行如下試驗首先，向模型管線內(nèi)充水，保持系統(tǒng)內(nèi)的水正常流動，使壓力表和應(yīng)變計的讀數(shù)為零；然后，通過張緊彈簧拉力計對模型管線施加頂張力，使應(yīng)變計的最小應(yīng)變值達到200 1000個微應(yīng)變，記錄彈簧拉力計和應(yīng)變計的讀數(shù)；進行頂張力試驗，使模型管線內(nèi)的水停止流動，并保持模型管線內(nèi)的水量與正常流動時相等，保持壓力表讀數(shù)為零，記錄彈簧拉力計和應(yīng)變計的讀數(shù)；對彈簧拉力計和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)進行分析，對比系統(tǒng)內(nèi)水正常流動和不流動兩種狀態(tài)條件下模型管線的頂張力和管壁張力；如果多次試驗結(jié)果表明兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力相等，則驗證了管內(nèi)流體的重量對頂張力沒有影響，因此，頂張力計算時不應(yīng)計算管內(nèi)流體的重量；如果兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力不相等，應(yīng)對兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力差值進行分析，如果該差值與管內(nèi)流體重量引起的頂張力和管壁張力的增量吻合，則頂張力計算時應(yīng)計算管內(nèi)流體的重量，否則，應(yīng)將該差值視為試驗誤差。進一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，其中，還包括內(nèi)壓作用的有效張力試驗，內(nèi)容如下增加模型管線的管內(nèi)流體壓力，使管內(nèi)流體壓力達到模型管線的標稱壓力，記錄彈簧拉力計、壓力表和應(yīng)變計的讀數(shù)；將壓力表和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)代入有效張力計算公式，計算出應(yīng)變計所在截面的有效張力，然后根據(jù)模型管線的軸向平衡條件，分析應(yīng)變計所在截面的有效張力與彈簧拉力計代表的頂張力的平衡問題，如果各截面的有效張力與頂張力滿足平衡條件，則內(nèi)壓作用條件滿足有效張力計算公式；否則，有效張力的計算公式是不正確的；有效張力計算公式如下Te = Tw-PiVP0A0式中TW為立管管壁張力；Pi，P。分別為立管的內(nèi)、外流體的壓力，其中Pi不包括靜水頭壓力；Ai, A0分別為立管的內(nèi)、外壁橫截面積。更進一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，其中，還包括內(nèi)外壓作用的有效張力試驗，內(nèi)容如下保持所述的內(nèi)壓作用的有效張力試驗的試驗狀態(tài)，將外壓水筒充滿水，記錄彈簧拉力計、壓力表和應(yīng)變計的讀數(shù)，將壓力表和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)代入有效張力計算公式，計算出應(yīng)變計所在截面的有效張力，得到內(nèi)外壓作用條件下的有效張力計算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計算公式的正確與否。更進一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，其中，還包括外壓作用的有效張力試驗，內(nèi)容如下保持所述的內(nèi)外壓作用的有效張力試驗的試驗狀態(tài)，使模型管線的管內(nèi)流體壓力降至零，記錄彈簧拉力計和應(yīng)變計的讀數(shù)，將壓力表和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)代入有效張力計算公式，計算出應(yīng)變計所在截面的有效張力，得到外壓作用條件下的有效張力計算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計算公式的正確與否。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明通過張緊或松弛彈簧拉力計可改變模型管線的頂張力，通過短管與內(nèi)壓水箱固結(jié)來模擬立管與海底井口的連接，可以選擇零內(nèi)壓和最大內(nèi)壓之間的多個壓力分別進行頂張力試驗、內(nèi)壓作用的有效張力試驗、內(nèi)外壓作用的有效張力試驗和外壓作用的有效張力試驗，更充分地驗證深水頂張式立管的有效張力計算公式的正確性。本發(fā)明可以完成深水頂張式立管的頂張力和有效張力試驗研究，為深水頂張式立管的頂張力和有效張力計算提供依據(jù)和試驗驗證。


圖1為本發(fā)明的試驗方法流程圖；圖2為本發(fā)明所采用的試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細描述。如圖1所示，深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗裝置包括設(shè)置在底座11上的支架12，底座11與支架12焊接連接，支架12上端設(shè)有反力架13，反力架13與支架12 焊接連接。模型管線1上端設(shè)有卡盤14，反力架13通過彈簧與卡盤14連接?？ūP14與卡盤支架15焊接連接，加強板16與卡盤支架15焊接連接，滑槽17與卡盤支架15和加強板 16焊接連接，滑道18與支架12焊接連接，滑槽17可在滑道18上自由滑動。在反力架13 與卡盤14之間的彈簧上設(shè)有彈簧拉力計21，通過張緊或松弛彈簧拉力計21，可改變模型管線1的頂張力。模型管線1外設(shè)有外壓水筒2，外壓水筒2上設(shè)有卡箍19，卡箍19與卡箍支架20焊接連接后，焊接固定在支架12上，外壓水筒2通過卡箍19固定在支架12上。應(yīng)變計22、23和24粘貼在模型管線1的上、中、下三個截面，模型管線1穿過外壓水筒2的筒底處采用玻璃膠密封，使其具有一定的彈性，不影響拉伸變形。模型管線1的上端裝有壓力表25，下端通過入口閥門4及短管26與內(nèi)壓水箱3連通，短管26與內(nèi)壓水箱3固結(jié)，以模擬立管與海底井口的連接。模型管線1的上部通過回流管6與蓄水箱7連接，回流管6上設(shè)有出口閥門5，蓄水箱7與內(nèi)壓水箱3之間設(shè)有水泵8，水泵8的入口管10連接蓄水箱7， 水泵8的出口管9連接內(nèi)壓水箱3?；谏鲜鲅b置的本發(fā)明具體試驗方法如下向蓄水箱7內(nèi)充水，同時開啟入口閥門4和出口閥門5，啟動水泵8，使系統(tǒng)內(nèi)充水至回流管6的水流入蓄水箱7，待蓄水箱7的水位略低于回流管6的下端口時停止充水。保持系統(tǒng)內(nèi)的水正常流動，使壓力表25和應(yīng)變計22、23、24的讀數(shù)為零。然后張緊彈簧拉力計21，使應(yīng)變計22、23和24的最小應(yīng)變值達到200 1000個微應(yīng)變，記錄彈簧拉力計21和應(yīng)變計22、23、24的讀數(shù)。一、頂張力試驗關(guān)閉水泵8，同時關(guān)閉出口閥門5和入口閥門4，觀察壓力表25的讀數(shù)是否變化， 如果壓力不為零，則略微開啟閥門5釋放壓力，使壓力表讀數(shù)降至零并迅速關(guān)閉閥門5，以保持模型管內(nèi)的水量與正常流動時相等，觀察彈簧拉力計21和應(yīng)變計22、23、24的讀數(shù)是否發(fā)生變化，記錄彈簧拉力計21和應(yīng)變計22、23、24的讀數(shù)。為了保證試驗結(jié)果的可靠性，上述試驗應(yīng)重復進行三次以上。對彈簧拉力計21和應(yīng)變計22、23、24的測試數(shù)據(jù)進行分析，對比系統(tǒng)內(nèi)水正常流動和不流動兩種狀態(tài)條件下模型管線1的頂張力和管壁張力。如果多次試驗結(jié)果的讀數(shù)表明兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力相等，則驗證了管內(nèi)流體的重量對頂張力沒有影響，因此， 頂張力計算時不應(yīng)計算管內(nèi)流體的重量。如果兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力不相等，應(yīng)對兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力差值進行分析，如果該差值與管內(nèi)流體重量引起的頂張力和管壁張力的增量吻合，則頂張力計算時應(yīng)計算管內(nèi)流體的重量，否則，應(yīng)將該差值視為試驗誤差。由于重力的影響，不同截面的管壁張力是不同的，由于靜水壓力隨高度變化，因此，不同截面的流體壓力也是不同，該試驗方法在三個截面設(shè)計應(yīng)變計就是為了計算各截面的有效張力，以驗證重力對頂張力的貢獻和內(nèi)外壓對有效張力的影響。管壁張力是三處分別計算，以便計算三處的有效張力。二、內(nèi)壓作用的有效張力試驗開啟入口閥門4和水泵8，使模型管線1的管內(nèi)流體壓力升高。為了提高試驗的信噪比，管內(nèi)流體壓力應(yīng)達到模型管線1的標稱壓力(標稱壓力是管材制造商給定的，標稱壓力是管線最大壓力的0.8倍。因此，也可以根據(jù)管線的尺寸計算得到)。壓力升至預(yù)定壓力后，關(guān)閉入口閥門4，保持管內(nèi)壓力不變，記錄彈簧拉力計21、壓力表25和應(yīng)變計22、23、24 的讀數(shù)。為了保證試驗結(jié)果的可靠性，上述試驗應(yīng)重復進行三次以上。將壓力表25和應(yīng)變計22、23、24的測試數(shù)據(jù)代入有效張力計算公式(背景技術(shù)中的公式(2))，計算出應(yīng)變計22、23和24所在截面的有效張力，然后根據(jù)模型管線1的軸向平衡條件，分析應(yīng)變計22、23和24所在截面的有效張力與彈簧拉力計21代表的頂張力的平衡問題，如果各截面的有效張力與頂張力滿足平衡條件，則內(nèi)壓作用條件滿足有效張力計算公式(2)。否則，有效張力計算公式(2)是不正確的。有效張力計算公式如下Te = Tw-PiA^P0A0(2)式中TW為立管管壁張力；Pi，ρ。分別為立管的內(nèi)、外流體的壓力，其中Pi不包括靜水頭壓力；Ai, A0分別為立管的內(nèi)、外壁橫截面積。立管內(nèi)流體壓力通過壓力表測量，立管外流體壓力是靜水壓力，可根據(jù)水深和水的密度計算得到，靜水壓力計算是公知技術(shù)。上述平衡條件指的是任何一個截面的有效張力應(yīng)與頂張力和截面以上立管及內(nèi)部流體的重力平衡。由于頂張力是彈簧拉力計測出的，而有效張力是根據(jù)公式計算得到的， 因此，如果二者不滿足平衡條件，則說明頂張力的計算不正確。三、內(nèi)外壓作用的有效張力試驗保持上述內(nèi)壓作用的有效張力試驗的試驗狀態(tài)不變，將外壓水筒2充滿水，記錄彈簧拉力計21、壓力表25和應(yīng)變計22、23、24的讀數(shù)。重復內(nèi)壓作用的有效張力試驗中相同的計算，得到內(nèi)外壓作用條件下的有效張力計算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計算公式(2)的正確與否。四、外壓作用的有效張力試驗 開啟出口閥門5，使模型管線1的管內(nèi)流體壓力降至零，迅速關(guān)閉出口閥門5。然后，記錄彈簧拉力計21和應(yīng)變計22、23、24的讀數(shù)。重復內(nèi)壓作用的有效張力試驗中相同的計算，得到外壓作用條件下的有效張力計算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計算公式(2)的正確與否。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，其特征在于該方法將模型管線的下端固定在內(nèi)壓水箱上，將模型管線的上端連接彈簧拉力計，在模型管線外部設(shè)有外壓水筒，在模型管線不同位置上設(shè)置若干應(yīng)變計，并設(shè)置用于測量管線內(nèi)壓的壓力表；然后進行如下試驗首先，向模型管線內(nèi)充水，保持系統(tǒng)內(nèi)的水正常流動，使壓力表和應(yīng)變計的讀數(shù)為零； 然后，通過張緊彈簧拉力計對模型管線施加頂張力，使應(yīng)變計的最小應(yīng)變值達到200 1000個微應(yīng)變，記錄彈簧拉力計和應(yīng)變計的讀數(shù)；進行頂張力試驗，使模型管線內(nèi)的水停止流動，并保持模型管線內(nèi)的水量與正常流動時相等，保持壓力表讀數(shù)為零，記錄彈簧拉力計和應(yīng)變計的讀數(shù)；對彈簧拉力計和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)進行分析，對比系統(tǒng)內(nèi)水正常流動和不流動兩種狀態(tài)條件下模型管線的頂張力和管壁張力；如果多次試驗結(jié)果表明兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力相等，則驗證了管內(nèi)流體的重量對頂張力沒有影響，因此，頂張力計算時不應(yīng)計算管內(nèi)流體的重量；如果兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力不相等，應(yīng)對兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力差值進行分析，如果該差值與管內(nèi)流體重量引起的頂張力和管壁張力的增量吻合，則頂張力計算時應(yīng)計算管內(nèi)流體的重量，否則，應(yīng)將該差值視為試驗誤差。
2.如權(quán)利要求1所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，其特征在于 還包括內(nèi)壓作用的有效張力試驗，內(nèi)容如下增加模型管線的管內(nèi)流體壓力，使管內(nèi)流體壓力達到模型管線的標稱壓力，記錄彈簧拉力計、壓力表和應(yīng)變計的讀數(shù)；將壓力表和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)代入有效張力計算公式，計算出應(yīng)變計所在截面的有效張力，然后根據(jù)模型管線的軸向平衡條件，分析應(yīng)變計所在截面的有效張力與彈簧拉力計代表的頂張力的平衡問題，如果各截面的有效張力與頂張力滿足平衡條件，則無外壓條件滿足有效張力計算公式；否則，有效張力的計算公式是不正確的；有效張力計算公式如下Te = Tw-PiA^P0A0式中TW為立管管壁張力；Pi, P0分別為立管的內(nèi)、外流體的壓力，其中Pi不包括靜水頭壓力；Ai, A0分別為立管的內(nèi)、外壁橫截面積。
3.如權(quán)利要求2所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，其特征在于 還包括內(nèi)外壓作用的有效張力試驗，內(nèi)容如下保持所述的內(nèi)壓作用的有效張力試驗的試驗狀態(tài)，將外壓水筒充滿水，記錄彈簧拉力計、壓力表和應(yīng)變計的讀數(shù)，將壓力表和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)代入有效張力計算公式，計算出應(yīng)變計所在截面的有效張力，得到內(nèi)外壓作用的有效張力計算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計算公式的正確與否。
4.如權(quán)利要求3所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗方法，其中，還包括外壓作用的有效張力試驗，內(nèi)容如下保持所述的內(nèi)外壓作用的有效張力試驗的試驗狀態(tài)，使模型管線的管內(nèi)流體壓力降至零，記錄彈簧拉力計和應(yīng)變計的讀數(shù)，將壓力表和應(yīng)變計的測試數(shù)據(jù)代入有效張力計算公式，計算出應(yīng)變計所在截面的有效張力，得到外壓作用的有效張力計算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計算公式的正確與否。
全文摘要
本發(fā)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頂張力及有效張力試驗方法。該方法將模型管線的下端固定在內(nèi)壓水箱上，將模型管線的上端連接彈簧拉力計，在模型管線外部設(shè)有外壓水筒，在模型管線不同位置上設(shè)置應(yīng)變計，并設(shè)置用于測量管線內(nèi)壓的壓力表；然后進行頂張力試驗、內(nèi)壓作用的有效張力試驗、有內(nèi)外壓作用的有效張力試驗和外壓作用的有效張力試驗。本發(fā)明可以完成深水頂張式立管的頂張力和有效張力試驗研究，為深水頂張式立管的頂張力和有效張力計算提供依據(jù)和試驗驗證。
文檔編號G01L5/04GK102288349SQ20111016117
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者劉娟, 吳學敏, 周陽, 孟慶飛, 李倩, 段金龍, 魏東澤, 黃維平 申請人:中國海洋大學