倾角均匀来流条件深海张紧式单根立管涡激振动试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体地说，涉及的是一种倾角均匀来流条件深海张紧式单根立管涡激振动试验装置。
【背景技术】
[0002]随着陆地石油资源日益匮乏，海洋油气资源的开发得到了迅猛发展，深海油气田的开采量在总石油开采量中的比重逐年增加。立管系统是深海石油开采系统中不可缺少的关键部分。立管连接了海底油气田和海上作业平台，使海上作业平台可以进行钻探、导液、导泥等工作。随着油气开采向深海进军，立管的作业水深也越来越大，在深水区域，波浪和海面船体运动对立管造成的损伤逐渐减弱，但海流成为了造成立管损伤的主要因素。海流的作用水深范围很大，当海流经过海洋立管时，立管后缘将产生交替的漩涡脱落，当漩涡脱落频率与立管自振频率相近时，立管的振动将迫使漩涡脱落频率固定在管道自振频率附近，从而发生“锁定”现象。立管的涡激振动和“锁定”现象是导致立管失稳和疲劳破坏的主要因素。立管在实际作业过程中，由于海上作业平台在海面漂浮，经常在海平面上偏离平衡位置，这经常导致立管发生倾斜，即海流与立管之间的角度由90度发成偏转。在倾角来流下立管涡激振动的发生机理及抑制措施需要进一步探究。
[0003]目前，学术界对涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。亟需开展系统性研究。模型试验的方法是研究倾角均匀来流条件深海张紧式单根立管涡激振动及其抑制措施的最有效的手段。通过模型试验，可以全面的观测涡激振动现象、来流的倾角对涡激振动的影响机制等。试验结果可用来效验理论和数值模型的正确性，为工程实际提供必要的试验支持。
[0004]经对现有的技术文献检索发现，国内外对于倾角均匀来流条件深海张紧式单根立管涡激振动及抑制试验研究非常少，实现倾角来流下涡激振动及抑制试验研究的最大难点在于:如何设计合理的试验装置，模拟立管在倾角来流作用下的涡激振动行为。
【发明内容】
[0005]本发明针对倾角均匀来流条件深海张紧式单根立管涡激振动及其抑制试验研究存在的难点和不足，提供了研究倾角来流下单根立管涡激振动及振动抑制的试验装置，能够模拟有倾角的来流，对深海张紧式单根立管开展试验研究，探究其涡激振动特性及抑制措施，为工程实际提供参考和借鉴。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提出的一种倾角均匀来流条件深海张紧式单根立管涡激振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型包括若干条导线和一薄壁铜管，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管的外径为8_、壁厚为1_ ;自所述薄壁铜管的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热塑管之间设有多片用于采集应变的应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管的一端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有一个通孔，所述通孔内设有一个万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海洋立管模型中的第一圆柱接头连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有一个长方形豁口，所述长方形豁口内设有角度卡板，所述角度卡板上设有一个立管安装孔；该试验装置中包括有四个角度卡板，每个角度卡板上的立管安装孔的轴线与角度卡板厚度方向的夹角分别为O度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有一个滑轮，所述滑轮的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块，所述滑轮座垫块为楔形块，所述第二支撑板上位于滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三个滑轮座垫块，每个滑轮座垫块上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有一个拉力传感器所述拉力传感器的另一端依次连接有拉力张紧器和拉力弹簧；自海洋立管模型中的第二圆柱接头，穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过滑轮至拉力弹簧的另一端连接有钢丝绳；所述钢丝绳和所述海洋立管模型的轴线在同一平面内；所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。
[0007]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0008]本发明解决了倾角均匀来流条件下没有或带有抑制装置的深海张紧式单根立管涡激振动试验中，单根立管排布和改变来流倾角的问题，弥补了学术界在这方面的不足，同时本发明装置设计制作简单，造价低廉，安装方便，容易推广，可为研究倾角均匀来流条件的海洋立管涡激振动提供必要的设备支持。
【附图说明】
[0009]图1是本发明中没有抑制结构的单根立管涡激振动试验装置的结构示意图；
[0010]图2是本发明中没有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；
[0011]图3是本发明中带有抑制结构的单根立管涡激振动试验装置的结构示意图；
[0012]图4是本发明中带有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；
[0013]图5是图1中所示支撑板14结构示意图；
[0014]图6是图1中所示导流板11的结构示意图；
[0015]图7是横向试验支持架结构俯视图；
[0016]图8是图7所示横向试验支持架的右视图；
[0017]图9是角度盘的结构示意图；
[0018]图10是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；
[0019]图11是图10所示横向试验支持架与拖车相互位置一的的右视图；
[0020]图12-1横向试验支持架与拖车相互位置二的俯视图；
[0021]图12-2是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；
[0022]图12-3是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；
[0023]图13-1是图12-1所示状态下立管与来流之间倾角示意图；
[0024]图13-2是图12-2所示状态下立管与来流之间倾角示意图；
[0025]图13-3是图12-3所示状态下立管与来流之间倾角示意图；
[0026]图14-1是滑轮垫块的主视图；
[0027]图14-2是图14-1所示滑轮垫块的左视图；
[0028]图14-3是图14-1所示滑轮垫块的俯视图；
[0029]图15是带有螺旋列板抑制装置的海洋立管模型结构示意图。
[0030]图中:
[0031]1-海洋立管模型 2-第一、第二端部支撑装置 3-横向试验支持架
[0032]4-角度盘5-第一圆柱接头6-第二圆柱接头
[0033]7-销钉51-薄壁铜管9-斜撑管
[0034]10-万向联轴节11-第一、第二导流板12-加强架
[0035]13-第一、第二支撑管14-第一、第二支撑板15-万向联轴节螺丝
[0036]16-滑轮17-钢丝绳18-导流板固定螺丝
[0037]19-弹簧20-拖车21-角度板
[0038]22-角度卡板23-滑轮垫块24-拉力张紧器
[0039]25-拉力传感器27-硅胶带(螺旋列板)
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
[0041]如图1和图3所示，本发明提出的一种倾角均匀来流条件深海张紧式单根立管涡激振动试验装置，包括海洋立管模型1、横向试验支持架3、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型I的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型I的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部，所述拖车包括动力系统、刹车系统和控制系统。
[0042]所述海洋立管模型I可以是裸管，如图2所示；也可以是带有抑制结构的，如图4所示。如图15所示，若海洋立管模型I是裸管，它包括若干条导线和一薄壁铜管51，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管51的外径为8mm、壁厚为Imm ；自所述薄壁铜管51的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热塑管55和一层硅胶管56，所述薄壁铜管51与所述热塑管55之间设有多片用于采集应变的应变片53，所述应变片53通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管51的一端或分别与所述薄壁铜管51的两端固定；所述薄壁铜管51的一端通过销钉7连接有第一圆柱接头5，所述薄壁铜管51的另一端通过销钉7连接有第二圆柱接头6。若海洋立管模型I是带有抑制结构的，则在上述裸管的基础上，在所述硅胶管56外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带27，所述硅胶带27的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同。
[0043]如图7和图8所示，所述横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘21 ;所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；
[0044]如图1和图3所示，所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管13，所述第一支撑管13的顶部连接有水平布置的第一角度板21，所述第一支撑管13的底部连接有第一支撑板14，所述第一支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板14平行