专利名称：深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种细长柔性立管涡激振动模型实验装置，特别是关于一种深海细长 柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置。
背景技术：
海洋立管结构被广泛用于海洋油气资源的开采，是海底井口与上部工程设施之间 的重要连接构件，用于油气资源和各种钻井液的输送。近年来，伴随着海洋油气资源的开采 逐步走向深海海域，海洋立管结构的长细比不断加大，柔性特征更加明显。在深海区域更加 复杂的水流和波浪等外部环境载荷的长期作用下，极易发生破坏。其中，涡激振动是细长柔 性立管发生疲劳破坏的重要因素之一。当粘性流体经过非流线型截面物体时，由于负压梯 度和强剪切边界层的存在，会在物体的尾流区内形成漩涡的交替脱落，由此产生的周期性 流动作用力会导致物体发生振动。当涡旋的脱落频率与结构的固有频率比较接近时，立管 结构会发生大幅的共振响应。为了降低涡激振动的破坏力，首先必须深入认识深海细长柔 性立管的涡激振动机理。开展细长柔性立管模型的涡激振动实验是非常有效的研究手段之 一，它能够帮助解决数值方法中遇到的诸多困难，形成覆盖范围更大、准确性更高的涡激振 动力系数数据库，直接服务于实际的深海油气资源开采工程。目前，国外许多研究机构开展了不同材料、结构形式和模型比的柔性杆件涡激振 动实验研究。比如麻省理工学院Vandiver教授研究组在2004年和2006年分别在湖泊 和海洋中开展了细长柔性立管涡激振动的野外现场实验，这两个实验在立管的端部采用了 万向铰、张力计、倾角计的组合装置；ExxonMobil石油公司于2003年将立管模型固定在可 旋转的支架上研究了均勻流和剪切流作用下的立管涡激振动，其端部固定装置采用弹簧系 统装置；2003 年，MARINTEK 在执行 NDP (Norwegian De印water Programme)项目过程中，在 室内水池中开展了细长柔性立管涡激振动实验，立管模型端部采用万向铰与重块连接的方 式。但是以上这些具有代表性的实验工作由于研究目标和内容各不相同，因此在具体的立 管模型端部设置方法上均存在较大的差别，特别是在立管模型的端部约束形式和张力控制 等方面与实际工程问题存在较大的差异，而这种差异主要取决于立管模型端部固定装置的 设计与安装形式上。立管模型的端部固定装置若不够牢靠，势必引起立管模型在实验中的 安全性和稳定性问题，特别是会使立管模型发生绕其轴线的扭转，造成顺流和横流方向应 变测量信号的混淆，难以确保得到真实的涡激振动实验测量数据；另一方面，立管模型的端 部约束方式应尽量体现上部平台结构一般都具有的垂向升沉和水平往复运动等实际情况， 否则模型实验的结果将不能真实反映实际工程问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种牢靠稳定的深海细长柔性立管涡激振动 实验的立管模型端部固定装置，该端部固定装置能够在实验室内真实有效模拟细长柔性立 管涡激振动特性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种深海细长柔性立管涡激振动实 验的立管模型端部固定装置，其特征在于它包括一拖车、一左支撑装置、一右支撑装置、一 滑动机构、一定滑轮和一张力系统；所述拖车两端部的车轮均设置在轨道上，所述拖车的其 它部分悬空；所述左支撑装置为一由三块钢板焊接形成U形一体结构，且横向固定设置在 所述拖车上悬空部分的左端，所述右支撑装置纵向固定设置在所述拖车上悬空部的右端； 所述滑动机构包括一基座，所述基座通过螺栓与所述左支撑装置底部的钢板固定连接，所 述基座通过螺栓固定连接两对相对的套环，正对的二所述套环内套设有一滑轨，所述滑轨 上穿设有一与所述右支撑装置相对的“T”字型滑块；所述滑块与所述右支撑装置之间设置 有一立管模型；所述左支撑装置底部钢板的外侧固定连接有一横向的板条，所述板条的表 面固定有一轴，该轴穿过所述定滑轮；所述张力系统包括在所述左支撑装置外侧钢板上沿 竖直方向串接的一张力计、一张紧器和一弹簧，所述滑块通过一钢丝绳绕过所述定滑轮与 所述弹簧连接。所述右支撑装置为一长方形钢板。所述滑动机构中滑块上的横板套设在所述滑轨上，所述滑块上的纵板与所述右支 撑装置相对，所述纵板的内侧面通过一万向铰与所述立管模型活动连接，所述纵板的外侧 面通过所述钢丝绳连接所述张力系统中的弹簧。所述滑块上的横板与纵板之间设置有稳定所述滑块结构用的二支撑杆。所述右支撑装置通过一万向铰与所述立管模型活动连接。所述万向铰与所述纵板和右支撑装置均采用螺纹螺丝的连接，所述万向铰与立管 模型之间采用一自制构件连接。所述自制构件的一端为与所述立管模型连接的螺栓，另一端为与所述万向铰连接 的螺纹螺丝。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本发明设置了两端可以 在地面轨道上行进且其余部分悬空的一拖车，拖车悬空部分的两端分别固定设置了钢结构 的左支撑装置和右支撑装置，左支撑装置的左侧面和底部端面上分别设置有张力系统和滑 动机构，立管模型设置在滑动机构与右支撑装置之间，因此立管模型的固定非常牢靠，立管 模型的端部支撑结构对外部水流扰动小，有利于通过模型实验获得细长柔性立管的涡激振 动特性。2、由于本发明中的张力系统包括张力计、张紧器和弹簧，弹簧通过一钢丝绳绕过 定滑轮与滑动机构连接，因此拖车在通过拖曳滑动机构带动立管模型在水中行进以形成相 对运动水流的过程中，可通过张力计测得立管模型顶端张力随拖曳力的时间变化过程，实 现了对立管模型内部张力的实时观测，同时由于左滑动端的存在，因此能够在实验过程中 考虑实际上部平台具有升沉运动的实际情况。3、由于本发明中立管模型的端部是通过滑动 机构与万向铰和右支撑装置连接，因此可以限制立管模型的扭转，从而防止光纤光栅传感 器测得的顺流和横流方向应变信号发生混淆，同时还可以保证立管模型顶端的弯矩为零， 与实际工程问题比较符合。4、由于本发明万向铰采用螺纹螺丝与滑动机构和右支撑装置连 接，且万向铰与立管模型采用由螺栓和螺纹螺丝构成的自制构件连接，因此易于安装和拆 卸。5、由于本发明在实验过程中只有端部纵板部分浸没在水中，而其余部分均在水面以上， 这样可以将立管模型端部装置对水流的扰动作用降低到最小，而且能使立管模型顶端附近 的水流流动特征尽量保持为二维流动，减小了可能因附加装置引起端部三维流动效应的不利影响。本发明牢靠稳定，能够真实有效地模拟实际细长柔性立管的涡激振动特性，主要应用于涉及深海细长柔性立管结构涡激振动的室内模型实验研究领域。
图1是本发明的结构示意2是本发明中立管模型与左支撑装置的连接示意3是滑动机构的结构示意4是本发明中张力系统的结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括一拖车1、一左支撑装置2、一右支撑装置3、一张力系统 4、一滑动机构5、一定滑轮6和一钢丝绳7。拖车1与地面保持平行，拖车1上的车轮8位 于拖车1的两端部，且两车轮8分别设置在轨道9上，拖车1的其余部分悬空。拖车1上悬 空部分的左、右两端的下部分别固定设置有左、右支撑装置2、3，本实施例中，左支撑装置2 是由三块长方形钢板焊接形成的U形一体结构，并横向安装在拖车1上，右支撑装置3采用 长方形钢板，纵向安装在拖车1上。如图1 4所示，滑动机构5包括一基座51，基座51为一长方形钢板，基座51通 过螺栓52与左支撑装置2底部的钢板固定连接。基座51上通过螺栓53固定连接两对相 对的套环54，正对的二套环54内均套设有滑轨55，由于同侧的两套环54并排设置，因此滑 轨55也是并排的。滑轨55上设置有一 “T”字型钢质滑块56，“T”字型滑块56中的横板 561套设在滑轨55上，纵板562与右支撑装置3相对，“T”字型滑块56中的横板561与纵 板562之间设置有二支撑杆57，支撑杆57利用了三角稳定原理，使“T”字型滑块56的结 构更为稳定。纵板562与右支撑装置3之间设置有一与地面平行的立管模型10，实验过程 中的立管模型10的侧面上设置有光纤光栅传感器(图中未示出)，光纤光栅传感器用于实 时测量立管模型10的应变变形和动力响应情况，并实时输送给一计算机(图中未示出)， 利于实验结果分析。纵板562和右支撑装置3均通过万向铰11与立管模型10活动连接， 万向铰11能够限制立管模型10的扭转，从而避免立管模型10表面光纤光栅传感器测得的 顺流和横流方向的应变测量信号发生混淆，同时还可以保证立管模型10顶端的弯矩为零。 在实验过程中，纵板562浸没在水中，其余部分均在水面以上，这样可以使本发明对立管模 型10端部水流的扰动降低到最小，而且能够尽量保证立管模型10顶端的水流尽量保持为 二维特征，防止出现三维效应。本实施例中，万向铰11与左、右支撑装置2、3均采用螺纹螺 丝连接。为了便于安装和拆卸，万向铰11与立管模型10采用自制构件连接，自制构件的具 体结构为一端为螺栓，与立管模型10连接；另一端为螺纹螺丝，与万向铰11连接。在左支撑装置2底部钢板的最外侧固定设置(比如焊接)有一板条12，板条12横 向设置，且板条12上固定设置有一轴13，轴13与板条12面垂直且穿过定滑轮6的轴心，定 滑轮6可以绕轴13旋转。张力系统4设置在左支撑装置2的外侧钢板上，张力系统4包括沿竖直方向且依 次串接的一张力计41、一张紧器42和一弹簧43。张力计41与计算机电连接，张力计41将测得的力大小输送给计算机。弹簧43可以方便地通过钢丝绳7绕过定滑轮6改变方向后 与滑动机构5上的纵板562连接。当张力计41的上端施加有向上的力的作用时，依次对张紧器42、弹簧43和钢丝绳 7产生力的作用，滑动机构5上的纵板562受钢丝绳7的拉力作用，与纵板562相连的立管 模型10随钢丝绳7拉力变化而做出相应的变化。根据力学原理，立管模型10受到的张力 大小等于张力计41上端受到的力大小，即张力计41测得的力大小。在实验开展的过程中， 由于相对水流的存在会对立管模型10产生拖曳力作用，此时张力计41可以将立管模型10 内部的张力大小实时输送给计算机，便于实时观测，有助于实验结果分析。通过调节张紧器 42，可以为实验立管模型10提供初始预张力，这样可以实现在实验室内模拟不同预张力条 件下的立管涡激振动特性。
本发明用于实验时，拖车1上安装有一电机和一变频器(图中未示出)，拖车1在 电机驱动下在轨道9上自由行进，并带动左、右支撑装置2、3和立管模型10在实验水池中 运动以形成相对水流，通过预先设置变频器来控制拖车1的运行速度，以模拟具有不同速 度的相对运动水流环境。张力计41将实时测得的立管模型10所受张力随时间的变化情况 输送给计算机，而光纤光栅传感器负责将实时测得的立管模型10的应变响应情况也输送 到计算机内。然后，试验人员根据计算机记录的实验数据可对实验结果进行分析，从而研究 不同张力和水流条件下细长柔性立管的涡激振动特性。尽管为说明目的公开了本发明的较佳实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明 的内容并据以实施，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精 神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公 开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
一种深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，其特征在于它包括一拖车、一左支撑装置、一右支撑装置、一滑动机构、一定滑轮和一张力系统；所述拖车两端部的车轮均设置在轨道上，所述拖车的其它部分悬空；所述左支撑装置为一由三块钢板焊接形成形一体结构，且横向固定设置在所述拖车上悬空部分的左端，所述右支撑装置纵向固定设置在所述拖车上悬空部的右端；所述滑动机构包括一基座，所述基座通过螺栓与所述左支撑装置底部的钢板固定连接，所述基座通过螺栓固定连接两对相对的套环，正对的二所述套环内套设有一滑轨，所述滑轨上穿设有一与所述右支撑装置相对的“T”字型滑块；所述滑块与所述右支撑装置之间设置有一立管模型；所述左支撑装置底部钢板的外侧固定连接有一横向的板条，所述板条的表面固定有一轴，该轴穿过所述定滑轮；所述张力系统包括在所述左支撑装置外侧钢板上沿竖直方向串接的一张力计、一张紧器和一弹簧，所述滑块通过一钢丝绳绕过所述定滑轮与所述弹簧连接。F2009102374889C0000011.tif
2.如权利要求1所述的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，其 特征在于所述右支撑装置为一长方形钢板。
3.如权利要求1所述的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，其 特征在于所述滑动机构中滑块上的横板套设在所述滑轨上，所述滑块上的纵板与所述右 支撑装置相对，所述纵板的内侧面通过一万向铰与所述立管模型活动连接，所述纵板的外 侧面通过所述钢丝绳连接所述张力系统中的弹簧。
4.如权利要求2所述的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，其 特征在于所述滑动机构中滑块上的横板套设在所述滑轨上，所述滑块上的纵板与所述右 支撑装置相对，所述纵板的内侧面通过一万向铰与所述立管模型活动连接，所述纵板的外 侧面通过所述钢丝绳连接所述张力系统中的弹簧。
5.如权利要求3或4所述的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装 置，其特征在于所述滑块上的横板与纵板之间设置有稳定所述滑块结构用的二支撑杆。
6.如权利要求1或2或3或4所述的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部 固定装置，其特征在于所述右支撑装置通过一万向铰与所述立管模型活动连接。
7.如权利要求3或6所述的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装 置，其特征在于所述万向铰与所述纵板和右支撑装置均采用螺纹螺丝的连接，所述万向铰 与立管模型之间采用一自制构件连接。
8.如权利要求7所述的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，其 特征在于所述自制构件的一端为与所述立管模型连接的螺栓，另一端为与所述万向铰连 接的螺纹螺丝。
全文摘要
本发明涉及深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，它包括拖车、左支撑装置、右支撑装置、滑动机构、定滑轮和张力系统；拖车两端设置在轨道上，其它部分悬空；左支撑装置为一由三块钢板焊接形成形一体结构，且横向固定设置在拖车上悬空部分的左端，右支撑装置纵向固定设置在拖车上悬空部的右端；滑动机构包括一与左支撑装置底部固定连接的基座，基座上设置有二并排的滑轨，二滑轨上穿设有滑块；滑块与右支撑装置之间设置有立管模型；左支撑装置底部钢板的外侧设置有一可绕轴转动的定滑轮；张力系统包括在左支撑装置外侧钢板上串接有张力计、张紧器和弹簧，滑块通过钢丝绳绕过定滑轮与弹簧连接。本发明牢靠稳定，能够在实验室内真实有效模拟立管涡激振动特性，主要应用于涉及深海细长柔性立管结构涡激振动的室内模型实验研究领域。
文档编号G01M7/02GK101876584SQ200910237488
公开日2010年11月3日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者付英军, 勾莹, 吕林, 吴浩, 唐国强, 宋吉宁, 张建侨, 李广伟, 滕斌, 王世圣, 许亮斌, 谢彬 申请人:中国海洋石油总公司;中海石油研究中心;大连理工大学