局部流速增大倾角来流多跨海底管道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，涉及的是一种局部流速增大倾角来流多跨海底管道涡激振动试验装置。
【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，海底管线的数量逐年增多。由于海底地形复杂，环境恶劣，海底管道不可避免的形成了悬跨段，甚至多跨段。海水流过悬跨管道时，管道后缘将产生交替的漩涡脱落，当漩涡脱落频率与管道自振频率相近时，管道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。管道的涡激振动和“锁定”现象是导致管道失稳和疲劳破坏的主要因素。特别需要注意的是，海底管道遭受的海流冲刷有时会带有倾角，即来流方向与海底管道不垂直，研究倾角均匀来流条件多跨海底管道涡激振动具有重要的理论和现实意义。
[0003]目前，研究倾角均匀来流条件多跨海底管道涡激振动现象的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象和主要特征以及倾角来流对涡激振动的影响，获得较为可靠的试验结果。试验结果可用来效验理论和数值模型的精度。通过试验测试的方式可以更好的探究倾角均匀来流条件多跨海底管道涡激振动及抑制的机理，为工程实际积累经验。海底管道涡激振动的抑制对于海洋石油的开采中的工程安全具有重要意义。
[0004]经过对现有技术文献的调研发现，现阶段多跨管道涡激振动的研究开展还很不充分，试验方面的研究远滞后于工程实际的需求。挪威的MARINTEK研究机构在2000年到2003年期间开展了部分多跨管道的涡激振动试验，并进一步完善了规范DNV-RP-F105(2006)，在2002年召开的21界海洋离岸及极地工程国际会议上的文章“VIV response of longfree spanning pipelines”(长自由悬跨管道祸激振动响应研究)详细介绍了试验细节，采用线性弹簧模拟多段悬跨的支撑作用，增加了对来流流场的扰动。
[0005]然而实际工程实际中，海底管道轴向与来流垂直方向并不完全重合，存在一定倾斜角度。倾角的存在使得多跨海底管道涡激振动变得十分复杂，至今仍缺乏相关的研究工作。同时，在悬空段沿着管道轴向的流速截面并不是一成不变的，存在局部流速增大的情况。因此，设计一套既能试验模拟局部流速增大、倾角来流、又能实现多跨管道涡激振动测量的试验装置势在必行。
【发明内容】
[0006]本发明针对带流速增大装置的倾角来流条件多跨管道试验研究存在的不足，提供了可以局部增大流速的多跨管道试验装置，能够模拟倾角来流条件和海底悬跨管道跨中的边界条件，对多跨管道开展试验研究，探究其涡激振动发生机理，为工程实际提供必要的参考和借鉴。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明一种局部流速增大倾角来流多跨海底管道涡激振动试验装置，包括海底管道模型、横向试验支持架、流速增大装置、拖车、应变采集仪和计算机，所述海底管道模型穿过流速增大装置侧面的大圆孔，其一端设有第一端部支撑装置，所述海底管道模型的另一端设有第二端部支撑装置，所述海底管道模型的中部设有多跨支撑装置，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，所述多跨支撑装置的顶部与所述横向试验支持架的中部连接；所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海底管道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8mm、壁厚为Imm ；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缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩管之间设有多片用于采集应变的电阻应变片，所述电阻应变片；通过接线端子与导线的一端相连，导线的另一端延伸出海底管道模型的一端；所述海底管道模型的一端通过销钉连接有第一圆柱接头，所述海底管道模型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底管道模型上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管道安装孔；该试验装置中包括有四个角度卡板，每个角度卡板上的管道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；自海底管道模型上的第二圆柱接头、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底管道模的轴线在同一平面内；所述多跨支撑装置的顶部与所述横向试验支持架的中部连接；所述多跨支撑装置包括固定支持柱、可转动支持柱和多个管道模型支撑卡板；所述海底管道模型上套装有流速增大装置，所述流速增大装置包括流速增大罩和可转动支持装置，所述可转动支持装置包括固定支持柱和可转动支持柱；所述固定支持柱的顶部和中部分别设有连接板，所述固定支持柱的底部固定有固定板，所述固定板与所述固定支持柱呈垂直布置，所述固定板上设有两个第一通孔；所述可转动支持柱的顶部固定有角度固定板，所述可转动支持柱的中部两侧焊接有加固绳索连接螺母；所述角度固定板上设有两个为一组的四组第二通孔，所述角度固定板上第二通孔与所述固定板上第一通孔的位置关系是:每组第二通孔与两个第一通孔的中心距相同，四组第二通孔的中心连线汇交与点A，所述点A与每组第二通孔的中心连线的中点重合，四组第二通孔的中心连线分别记为中心连线L1、中心连线L2、中心连线L3和中心连线L4，所述中心连线LI与两个第一通孔的中心连线的水平投影重合，中心连线L2、中心连线L3和中心连线L4依次与中心连线LI的夹角为15度、30度和45度；所述固定支持柱和所述可转动支撑柱之间通过在所述固定板上的两个第一通孔和所述角度固定板上的其中一组第二通孔中设置的固定板连接螺栓连接；所述多跨支撑装置中的可转动支持柱的底部与一个管道模型卡板(连接；每个管道模型卡板包括由对接的两个半片组成的板体，所述板体的对接处设有支撑孔，两个半片的上端通过螺丝与所述可转动支持柱固定，两个半片的下端通过螺丝与一卡板固定板固定；四个管道模型卡板上支撑孔的轴线与板体厚度方向的夹角分别为O度、15度、30度和45度；位于所述可转动支持柱的中部两侧焊接的加固绳索连接螺母与所述横向试验支持架之间分别设有斜拉钢丝绳，所述斜拉钢丝绳上连接有拉力张紧器；所述流速增大罩包括按水流方向顺次布置的增速段和稳流段，所述增速段呈喇叭形，所述增速段的进水端为喇叭形的大口端，所述增速段的出水端为喇叭形的小口端，所述稳流段的开口大小与喇叭形的小口端大小一致；所述增速段的进水端与出水端的面积比为该流速增大装置所要增大的流速倍数；所述稳流段设有用于所述海底管道模型穿过的通孔；所述可转动支持装置的顶端固定在横向试验支持架上，所述可转动支持装置的底端与所述流速增大罩焊接。
[0008]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0009]本发明解决了多跨海底管道涡激振动试验中流速增大装置的设计问题和多跨支撑的施加问题，可以模拟倾角来流条件，增大部分管道流速，同时更符合于海洋工程实际工况。本发明中的支持柱为翼型，最大限度的减小了多跨支撑装置对流场的干扰。支持柱两端通过钢丝绳和拉力张紧器固定，增强了多跨支撑的稳定性。本发明装置设计简单精巧，加工操作方便，造价低廉，增大了流速。它是研究带流速增大装置的倾角来流条件下多跨海底管道涡激振动重要的试验装备，具有广泛的应用价值。
【附图说明】
[0010]图1是本发明中带流速增大装置的倾角来流条件多跨海底管道涡激振动试验装置结构示意图；
[0011]图2-1是本发明中裸管式海底管道模型及两端接头示意图；
[0012]图2-2是本发明中带有螺旋列管的海底管道模型及两端接头示意图；
[0013]图3是图1中所示横向试验支持架的俯视图；
[0014]图4是图3所示横向试验支持架的右视图；
[0015]图5是图1中所示第一、第二端部支撑装置与海底管道模型连接部分示意图；
[0016]图6是图1中所示支撑板的结构示意图；
[0017]图7是图1中所示导流板的结构示意图；
[0018]图8是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；
[0019]图9是图8所示横向试验支持架与拖车相互位置一的的右视图；
[0020]图10-1横向试验支持架与拖车相互位置二的俯视图；
[0021]图10-2是横向试验支持架与拖车相互位置三的俯视图；
[0022]图10-3是横向试验支持架与拖车相互位置四的俯视图；
[0023]图11是角度盘的结构示意图；
[0024]图12-1是图10-1所示状态下管道与来流之间倾角示意图；
[0025]图12-2是图10-2所示状态下管道