专利名称：一种海底管道均匀流涡激振动模拟试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋工程技术领域的装置，特别是关于一种横置于拖曳水池中的 海底管道模型在均勻流下的涡激振动模拟试验装置。
背景技术：
如果将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡的 生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，那 么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种流体结构 物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流的作用下，悬置于海洋中的海洋平台立管、拖 缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出现涡激振动现象，将会导致柔 性管件的疲劳破坏。由于海洋油气开采向深水推进，深水环境中的立管可视为细长柔性结构，小变形 理论不再适用，这使得立管的涡激振动问题更加突出。目前为止，对柔性管件涡激振动现象 的研究最重要的方法之一就是模型试验方法。试验中模拟的现象更加接近于自然界中的真 实情况，采用先进的试验装置可以保证试验数据的可靠性。通过模型试验的方法可以设计 出更好的抑制海洋立管涡激振动的抑振装置。经过对现有技术的检索发现，目前的涡激振动试验装置一般在拖曳海洋工程深 水池中进行，有的在环形水槽中进行，有的用拖船拖动立管进行涡激振动试验。经对现 有技术文献进行检索发现，在第14届国际近海与极地工程会议“Proceedings of the Fourteen (2004) International Offshore and PolarEngineering Conference，，中的论文 "Laboratory Investigation of Long RiserVIV Response”(长立管涡激振动响应的实验 研究)是关于柔性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型试验 技术，把柔性立管横置于拖曳水池中，拖车拖动立管模型产生均勻流场。用布置在立管内部 的加速度传感器来测量立管的运动，在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。经分析， 该试验技术的不足之处在于1、一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效的进行实 雷诺数下的涡激振动试验。2、受拖曳海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较 小，测得的试验数据较少；3、不能真实地模拟海底管道所处的凹凸不平的地势环境。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装 置，该装置将海底管道模型横置于拖曳水池中，进行涡激振动模拟，能够模拟真实海底条件 和实际尺寸海底管道，测试时间更长。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种海底管道均勻流涡激振动模拟 试验装置，其特征在于它包括设置在拖曳水池内的模拟假底，所述模拟假底的两端分别滑 动穿设有立柱，两所述立柱的顶端共同连接设置在所述拖曳水池上方的拖车，两所述立柱 的中下部分别设置有一端部支撑结构，两所述端部支撑结构分别连接一海底管道模型的对应轴端；所述拖曳水池内设置有测量分析系统。所述模拟假底包括水平钢板，所述水平钢板的中部设置有一凸起铁架，所述凸起 铁架上，与所述海底管道模型的接触处包裹保护橡胶，两所述立柱滑动穿设在所述水平钢 板上。每一所述立柱均包括上、下两段，每一段的形状为空心圆柱筒形，所述立柱的上、 下两段之间通过法兰盘连接。每一所述端部支撑结构包括设置在所述海底管道模型相应端部的连接套筒，所述 连接套筒通过万向节连接海底管道固定接头，所述海底管道固定接头固定在一竖直支撑板 上，所述竖直支撑板焊接在水平支撑板底部，所述水平支撑板设置在所述立柱上。所述水平支撑板上设置有若干螺栓孔，各所述螺栓孔与所述立柱的上、下分段连 接处的所述法兰盘的螺栓孔配合，通过螺栓使所述水平支撑板和所述立柱的上、下分段紧 固连接。所述测量分析系统包括设置在所述立柱下部和所述拖车尾部的水下摄像设备；轴 向均勻设置在所述海底管道模型上的若干光栅应变传感器；设置在所述拖曳水池的拖车控 制室内的光纤数据采集系统、录像采集系统、无线信号接收器及计算机设备，所述计算机内 预置有数据分析软件。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明采用高速拖车与拖曳 水池相对运动的方式模拟均勻来流，因此可以充分利用拖曳水池的长度来模拟大型海底管 道实雷诺数涡激振动。2、本发明由于在模拟假底两端滑动穿设有立柱，模拟假底可以沿立 柱下段上、下自由滑动，因此，可以调节模拟假底与海底管道模型之间的距离，并能够根据 需要模拟的不同海底地势，改变凸起支架的形状，从而使模拟海底管道的外部环境更加真 实。3、本发明由于设置有立柱模块、端部支撑模块、模拟假底模块、海底管道模型模块、测量 分析系统模块，且各模块相互独立，由高强螺栓连接，因此，安装、拆卸便利。4、本发明的立 柱上端通过法兰盘与拖车底部连接，因此，两侧立柱的间距可自由调节，以配合不同长度的 海底管道模型。5、本发明的端部支撑结构由连接套筒、万向节、海底管道固定接头、竖直支 撑板及水平支撑板组成，各个部件结构简单，易于组装，替换方便。6、本发明的模拟假底由 水平钢板及凸起铁架构成，凸起铁架为独立部件，可按照海底地貌制成不同的形状，各不同 形状的铁架可方便的替换、拆卸。7、本发明的海底管道模型模块独立制作，可以根据需要改 变直径和长度，拆装便利。8、本发明的测量分析系统由光纤数据采集系统、录像采集系统、 无线信号接收器及计算机设备组成，各系统独立工作，互不干扰。本发明结构设置巧妙，可 将海底管道模型横置于拖曳水池中，在均勻流下模拟涡激振动，能够模拟真实海底条件和 实际尺寸海底管道，测试时间更长，因此，可广泛用于海底管道的涡激振动试验过程中。
图1是本发明结构示意2是本发明拖车以下结构等轴侧视示意3是本发明模拟假底示意4是本发明立柱分段示意5是本发明海底管道模型及端部支撑机构结构示意图
图6是本发明海底管道及端部支撑机构中水平支撑板示意图
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、图2所示，本发明包括设置在拖曳水池1内的模拟假底2，模拟假底2的两 端分别滑动穿设于立柱3，两立柱3的顶端分别通过法兰盘共同连接设置在拖曳水池1上方 的拖车4。两立柱3的中下部分别设置有一端部支撑结构5，两端部支撑结构5分别连接海 底管道模型6的对应轴端。拖曳水池1内设置有用于对海底管道模型6的运动和受力进行 采集测量的测量分析系统(图中未示出)。如图2、图3所示，模拟假底2包括水平钢板21，水平钢板21的中部设置有一凸起 铁架22。凸起铁架22可根据需要模拟的海况，焊接成不同的形状，凸起铁架22与海底管道 模型6自然支持，为保护海底管道模型6，在凸起铁架22与海底管道模型6接触的地方的凸 起铁架22上包裹保护橡胶(图中未示出)。如图4所示，每一立柱3均包括上、下两段，每一段的形状为空心圆柱筒形，上、下 两段立柱3之间通过法兰盘31连接。两立柱3的下段分别穿设在水平钢板21的两端，水 平钢板21可以沿两立柱3的下段自由滑动，以调节模拟假底2与海底管道模型6之间的距
1 O如图5所示，端部支撑结构5用于固定和支撑海底管道模型6，每一端部支撑结构 5包括设置在海底管道模型6相应端部的连接套筒51，连接套筒51通过一万向节52连接 海底管道固定接头53，海底管道固定接头53固定在一竖直支撑板M上，竖直支撑板M焊 接在一水平支撑板55底部，水平支撑板55设置在立柱3的上、下分段连接处。如图6所示，水平支撑板55上设置有若干螺栓孔56，各螺栓孔56与立柱3的上、 下分段连接处的法兰盘31的螺栓孔配合，通过螺栓使水平支撑板55和立柱3的上、下分段 紧固连接。测量分析系统包括设置在立柱3下部和拖车4尾部的水下摄像设备；轴向均勻设 置在海底管道模型6上的若干光栅应变传感器；设置在拖曳水池1上方的拖车控制室内的 光纤数据采集系统、录像采集系统、无线信号接收器及计算机设备，计算机内预置有数据分 析软件。试验过程中，光纤数据采集系统和录像采集系统通过无线信号接收器接收光栅应 变传感器的信号和摄像设备的信号，并通过计算机内预置的数据分析软件实时地对接收到 的数据进行存储和处理。上述实施例中，拖车4是拖曳水池1上的已有试验设备，可实现双向的不同速度下 的勻速直线运动，拖车4提供动力，拖曳水池1上方设置的拖车控制室内设置有测量分析系 统。测量分析系统进行采集数据时，只须取拖车4拖曳海底管道模型6运动过程中的中间 平稳段数据即可。本发明先根据拖曳水池的尺寸、海底管件的尺寸、试验工况的具体情况和试验的 经济性，选择合适的模型缩尺比和试验工况。按照整个试验装置的强度要求和振动控制要 求确定各模块的尺寸和材料。各模块分别准备完毕后具体的安装过程如下1)在地面上将连接套筒51、万向节52、海底管道固定接头53、竖直支撑板M、水平 支撑板55连接好组成端部支撑结构5 ；
2)将端部支撑结构5通过水平支撑板55与立柱3的上、下分段的法兰盘31用螺 栓连接成一整体，将该整体吊装至拖车4下方，并将一立柱3的上部分段通过法兰盘连接拖 车4 一侧底部，另一侧以相同的步骤完成。3)将海底管道模型6吊装至拖车4下方，将其两端与端部支撑机构5分别连接固 定，然后将海底管道模型6两端导出来的数据线穿过立柱3的各分段中间空心部分，一直接 到拖车4上拖车控制室内的数据采集系统上；同时在立柱3的下部分段和拖车4尾部安装 水下摄像设备；4)在地面上将水平钢板21与铁架22组成模拟假底2，将模拟假底2整体吊装至 拖车4下，与两侧立柱3的下部分段连接；根据需要模拟的真实海底情况，调整模拟假底2 的凸起铁架22的形状，使其与海底管道模型6自然接触，并在其与海底管道模型6接触的 地方包裹上保护橡胶；5)在拖车控制室内的计算机上安装实时分析软件和图像处理软件，然后将从海底 管道模型6两端导出来的数据线连接到电脑上，同时将拖车控制室内的测量仪器导出来的 电源线接上电源；6)整体安装完成后调试装置，确定好模拟假底2的位置；调试完成后，就可以根据 具体工况和试验技术要求启动试验装置进行试验。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
权利要求
1.一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装置，其特征在于它包括设置在拖曳水池 内的模拟假底，所述模拟假底的两端分别滑动穿设有立柱，两所述立柱的顶端共同连接设 置在所述拖曳水池上方的拖车，两所述立柱的中下部分别设置有一端部支撑结构，两所述 端部支撑结构分别连接一海底管道模型的对应轴端；所述拖曳水池内设置有测量分析系 统。
2.如权利要求1所述的一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装置，其特征在于所 述模拟假底包括水平钢板，所述水平钢板的中部设置有一凸起铁架，所述凸起铁架上，与所 述海底管道模型的接触处包裹保护橡胶，两所述立柱滑动穿设在所述水平钢板上。
3.如权利要求1所述的一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装置，其特征在于每 一所述立柱均包括上、下两段，每一段的形状为空心圆柱筒形，所述立柱的上、下两段之间 通过法兰盘连接。
4.如权利要求2所述的一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装置，其特征在于每 一所述立柱均包括上、下两段，每一段的形状为空心圆柱筒形，所述立柱的上、下两段之间 通过法兰盘连接。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装置，其 特征在于每一所述端部支撑结构包括设置在所述海底管道模型相应端部的连接套筒，所 述连接套筒通过万向节连接海底管道固定接头，所述海底管道固定接头固定在一竖直支撑 板上，所述竖直支撑板焊接在水平支撑板底部，所述水平支撑板设置在所述立柱上。
6.如权利要求5所述的一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装置，其特征在于所 述水平支撑板上设置有若干螺栓孔，各所述螺栓孔与所述立柱的上、下分段连接处的所述 法兰盘的螺栓孔配合，通过螺栓使所述水平支撑板和所述立柱的上、下分段紧固连接。
7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装 置，其特征在于所述测量分析系统包括设置在所述立柱下部和所述拖车尾部的水下摄像 设备；轴向均勻设置在所述海底管道模型上的若干光栅应变传感器；设置在所述拖曳水池 的拖车控制室内的光纤数据采集系统、录像采集系统、无线信号接收器及计算机设备，所述 计算机内预置有数据分析软件。
8.如权利要求5所述的一种海底管道均勻流涡激振动模拟试验装置，其特征在于所 述测量分析系统包括设置在所述立柱下部和所述拖车尾部的水下摄像设备；轴向均勻设置 在所述海底管道模型上的若干光栅应变传感器；设置在所述拖曳水池的拖车控制室内的光 纤数据采集系统、录像采集系统、无线信号接收器及计算机设备，所述计算机内预置有数据 分析软件。
全文摘要
本发明涉及一种海底管道均匀流涡激振动模拟试验装置，其特征在于它包括设置在拖曳水池内的模拟假底，所述模拟假底的两端分别滑动穿设于立柱，两所述立柱的顶端共同连接设置在所述拖曳水池上方的拖车，两所述立柱的中下部分别设置有一端部支撑结构，两所述端部支撑结构分别连接一海底管道模型的对应轴端；所述拖曳水池内设置有测量分析系统。本发明结构设置巧妙，可将海底管道模型横置于拖曳水池中，在均匀流下模拟涡激振动，能够模拟真实海底条件和实际尺寸海底管道，测试时间更长，因此，可广泛用于海底管道的涡激振动试验过程中。
文档编号G01M10/00GK102147321SQ201110005330
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者付世晓, 徐阳, 杨建民, 汪学锋, 沙勇, 矫滨田, 许亮斌, 贾旭, 邹星 申请人:上海交通大学, 中国海洋石油总公司, 中海石油研究中心