局部流速增大倾角阶梯来流海洋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，涉及的是一种局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验装置。
【背景技术】
[0002]立管是深海油气开采的重要装备之一。随着油气开采向深海进军，立管的作业水深越来越大，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立管自振频率附近，诱发涡激振动。涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。
[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。
[0004]研究海洋立管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、主要特征以及来流条件对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，存在局部的流速突然增大区域。可以发现，整个深度范围内的来流是局部流速增大倾角阶梯来流。
[0005]经对现有的技术文献检索发现，国内外对于局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流立管涡激振动试验已有开展。2005 年第 21 期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Laboratorymeasurements of vortex-1nduced vibrat1ns of a vertical tens1n riser in astepped current ” (阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测)，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现局部流速增大倾角阶梯状来流条件。
[0006]经过对现有的技术文献调研发现，国内外针对局部流速增大倾角阶梯状海洋立管涡激振动试验研究还未开展，主要原因是缺乏必要的试验装置。如何实现倾角来流条件、如何实现局部流速增大，以及如何实现阶梯状来流条件等是亟需克服的技术难题。
【发明内容】
[0007]本发明针对局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验装置研究存在的难点和不足，提供了研究局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动及振动抑制的试验装置，能够试验模拟倾角的阶梯状来流，对深海张紧式立管开展相关试验研究工作，探究其涡激振动发生机理及来流倾角对涡激振动的影响等，为工程实际提供必要的试验参考和借鉴。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提出的一种局部流速增大倾角阶梯来流海洋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、流速增大装置、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0.3_，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管的外径为8mm、壁厚为;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；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，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0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每个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；所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩，所述流线型整流罩罩住所述海洋立管模型一端的轴段；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数拉力传感器，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；自所述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；所述流速增大装置包括可转动支持装置和流速增大罩，所述可转动支持装置包括连接板，固定支持柱，可转动支持柱，固定板，角度固定板，连接板水平焊接在固定支持柱上，连接板可通过螺丝固定在横向试验支持架上，固定支持柱底部焊接固定板，可转动支持柱的顶部焊接角度固定板，用螺丝连接固定板和角度固定板，可转动支持柱的底端与流速增大罩焊接，所述流速增大罩前后不封口，上下左右有边壁，其侧视图为喇叭形，流速增大罩内部流体，按水流流过的顺序，依次为增速段和稳流段，增速段流速增大罩截面向内收缩，稳流段截面形状保持不变，水流经过增速段速度增大至稳流段发展稳定，流速增大罩沿管件轴向方向的左右边壁开大圆孔，确保管件振动不会触碰流速增大罩。管件模型距流速增大罩上下边壁，前后边缘30倍管径以上，增速段的进口面积和出口面积之比由试验所要增大的流速倍数、现场试验条件协调决定。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绳索加固结构，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L1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L1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持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；位于所述可转动支持柱的中部两侧焊接的绳索加固结构与所述横向试验支持架之间分别设有斜拉钢丝绳，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；设置在所述海底管道模型中部的流速增大装置，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。
[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0010]本发明解决了局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验的装备难题，通过设计可实现来流倾角和阶梯状流场，并伴有局部流速增大的来流条件，使得试验条件更加符合实际海洋工程工况。本发明可实现大雷诺数、大长径比的深海立管涡激振动试验观测，同时本发明装