专利名称：深水海底管道铺设试验用管段模型的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋石油工程设备，尤其涉及一种用于深水海底管道铺设的深水海底管道铺设试验用管段模型。
背景技术：
目前海底管道S型铺设系统包括铺管船、张管器、托管架以及管道等。在进行深海铺管作业时，系统各部分除了受到静力作用外，由于船舶在波浪作用下的运动，也会在系统中产生可观的动力载荷，这些静力和动力都将在铺管船、张管器、托管架和管道中以不同的形态和量值变化而存在，并且会相互影响。因此，海底管道在铺设前需要研究和验证管道对水面铺管船在波浪上的运动性能产生的影响以及水面铺管船系统升沉加速度运动在管道结构中产生附加的动应力影响以及这种动应力的分布、峰值和特性。由于海洋环境的复杂性，通常对海洋工程设备的性能研究，除了理论分析外，还需要通过试验研究来验证理论模型的准确性和精确性。在海底管道铺设前的试验中，需要按照一定的缩尺比例制作铺管船、托管架和管道模型，因为铺管系统在波浪中的运动和动力性能将主要受到这三部分质量和耦合作用的影响，试验模型如图1所示，该铺管船1放置在试验水池水面上，托管架2的后端有两个铰接孔，通过轴销与船体的托管架支架21相连接，管道模型3的上端连接在拉力传感器31 上，拉力传感器31通过细钢丝绳32固定在托管架2的下端。试验水池模拟不同状态波浪运动，拉力传感器31感应的力的数据发生变化，从而测出铺管系统在波浪中的运动对管道及船舶的影响参数。随着海洋工程技术的迅速发展，海洋石油开发不断的向深水前进，目前墨西哥湾正在开发的hd印endence项目水深已经达到MlO米，而我国南海北部深水油气区水深最深在3000米，对于深水海底管道铺设，如果按一般的海洋工程的相似理论的缩尺比 1 40 1 60，制作管道模型进行试验，存在两个主要问题，一是试验水深受到限制，目前一般用于海洋工程试验的风、浪、流水池试验深度约4 10米，国内现有的深水池最大深度40米，不能满足高达3000米模拟要求，如提高缩尺比则会影响试验精度；二是管道几何尺度和重量模拟限制，以海洋工程常用的12英寸海管为例，如按照1 60的缩尺比进行模拟则管道的实际直径为5. 4毫米，造成模型制作的困难。
实用新型内容本实用新型的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种深水海底管道铺设试验用管段模型，其是通过上下锥体、弹簧、筒体、连接杆、螺母以及压载构成，再将该深水海底管道铺设试验用管段模型相互连接，构成串状的离散型海底管道模型，用以模拟深水海底管道起始和终止铺设过程，进行海底管道内应力和管道系统对铺管船的水动力影响研究，完成深水海底管道铺设前对管道总质量、排开水质量以及管道刚度的模拟，为实际铺管工程提供依据。[0006]本实用新型的目的是由以下技术方案实现的。本实用新型深水海底管道铺设试验用管段模型，其特征在于，包括筒体6、上锥体 4、下锥体10、弹簧5、连接杆7以及压载9 ；该上锥体4与筒体6上端连接，下锥体10与筒体6下端连接；该连接杆7位于筒体6内部，其一端与弹簧5螺接，另一端穿过压载9后插入下锥体10内，该弹簧5 —端与连接杆7螺接，另一端穿出上锥体4顶端，压载9套设在连接杆7上，且通过螺母8固定在下锥体10内；筒体6内贯注水11。前述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其中上锥体4中心设有穿孔41，底部具有容置空间42，其底部外侧设有外螺纹43与筒体6上端内螺纹相连接；所述下锥体10顶端设有螺孔101，底部具有容置空间102且设有穿孔103，其底部外侧设有外螺纹104与筒体6下端内螺纹相连接；该上锥体4与下锥体10为相同的对称锥体。前述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其中连接杆7 —端设有外螺纹且依次穿过螺母8和压载9后插入下锥体10位于容置空间102内的穿孔103中，另一端设有内螺纹与弹簧5外螺纹螺接。前述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其中弹簧5两端均设有外螺纹，一端外螺纹与连接杆内螺纹相连接，另一端由上锥体4中心穿孔41穿出后与另一个深水海底管道铺设试验用管段模型下锥体顶端螺孔101的内螺纹相连。前述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其中压载9设有内孔91，该压载9通过内孔91套设在连接杆7位于下锥体10的一端且位于下锥体10底部容置空间102内，并通过套设在连接杆7上的螺母8使连接杆7和压载9与下锥体10固定。前述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其中筒体6内贯注的水11为淡水。本实用新型深水海底管道铺设试验用管段模型的有益效果，使用该管段模型后， 可以完全实现深水海管铺设的模型试验要求，并可反映铺设过程中的管道与船体的相互作用，为实际铺管工作提供可靠依据。
图1为现有海底管道铺设试验装置示意图。图2为本实用新型深水海底管道铺设试验用管段模型结构示意图。图中主要标号说明1铺管船、2托管架、21托管架支架、3管道、31拉力传感器、32 细钢丝绳、4上锥体、41上椎体穿孔、42上椎体容置空间、43上椎体外螺纹、5弹簧、6筒体、7 连接杆、8螺母、9压载、91压载内孔、10下锥体、101下椎体螺孔、102下椎体容置空间、103 下椎体穿孔、104下椎体外螺纹、11水。
具体实施方式
如图2所示，本实用新型深水海底管道铺设试验用管段模型，其包括筒体6、上锥体4、下锥体10、弹簧5、连接杆7以及压载9 ；该上锥体4与筒体6上端连接，下锥体10与筒体6下端连接；该连接杆7位于筒体6内部，其一端与弹簧5螺接，另一端穿过压载9后插入下锥体10内，该弹簧5 —端与连接杆7螺接，另一端穿出上锥体4顶端，压载9套设在连接杆7上，且通过螺母8固定在下锥体10内；筒体6内贯注水11。如图2所示，本实用新型深水海底管道铺设试验用管段模型，其中，该上锥体4中心设有穿孔41，底部具有容置空间42，其底部外侧设有外螺纹43与筒体6上端内螺纹相连接；所述下锥体10顶端设有螺孔101，底部具有容置空间102且设有穿孔103，其底部外侧设有外螺纹104与筒体6下端内螺纹相连接；该上锥体4与下锥体10为相同的对称锥体； 该连接杆7 —端设有外螺纹且依次穿过螺母8和压载9后插入下锥体10位于容置空间102 内的穿孔103中，另一端设有内螺纹与弹簧5外螺纹螺接；该弹簧5两端均设有外螺纹，一端外螺纹与连接杆内螺纹相连接，另一端由上锥体4中心穿孔41穿出后与另一个深水海底管道铺设试验用管段模型下锥体顶端螺孔101的内螺纹相连；该压载9设有内孔91，该压载9通过内孔91套设在连接杆7位于下锥体10的一端且位于下锥体10底部容置空间102 内，并通过套设在连接杆7上的螺母8使连接杆7和压载9与下锥体10固定；该筒体6内贯注的水11为淡水。实施例制作试验用管段模型筒体长102mm，外径40. 4mm,体积为M3. 513cm3,质量为 155. 8g;上椎体长45. 5mm，体积为20. 109cm3，质量为155. 8g;下椎体长45. 5mm，体积为 22. 8986cm3,质量为155. 8g ；灌注淡水体积为91. 726cm3,质量为91. 7g ；连接杆长69mm，外径5mm，体积为1. 63cm3，质量为4. 56g ；弹簧用钢直径为2mm，质量为10. 8g。制作模型缩比为1 49，模型质量为571. 6克，模型的排水体积为0.180dm3，模型弹簧的刚度为1. 21387Kg/mm，就对应于250m、管道外径0. 3239m、管道内径、0. 2447m实际管道的质量6. 725X 104Kg、排水体积20. 5888m3和管道的刚度2. 9145X 107N/m,即模拟250m的该管管段的参数。将12个上述模型串联连接起来后，其模型质量，排水体积，弹簧的刚度与3000米实际管道缩比为1 49的参数相同。试验时，首先在水面静止的静态情况下，通过拉力传感器测得离散管道模型的静态拉力；然后根据海况选择对应的波浪参数，在波浪的作用下，细钢丝绳连接的离散管道模型与托管架和铺管船一起随波浪运动，产生加速度，因此每个管段模型产生加速度力，并造成弹簧的伸缩，其加速度力通过弹簧上端的螺纹连接传到上一个管段模型的下椎体，依次传到细钢丝绳，直至传到拉力传感器，传感器实时监测记录拉力的变化值；最后通过程序运算比较得出峰值和应力特性等试验参数。将理论数值计算模型和物理模型结合起来进行的试验，是现代海洋工程试验提出的一种新的混合模型试验方法。本实用新型深水海底管道铺设试验用管段模型采用管道离散模型组合试验方法，将物理模拟困难的深水长管道，截断成若干段，每段用等效物理模型代替来进行试验，从动力学角度，模拟该管段的排水质量、水下重量和结构弹性，用集中质量和弹簧替代各段管道的质量和弹性来建立模型。本实用新型深水海底管道铺设试验用管段模型的优点1、由于按照实际长管道的长度进行缩比，其长度很长，需要超大深度的试验水池， 采用本管段模型后可大大缩短了模拟管道的长度，从而降低了试验水池水深的限制。由于实际管道在缩比的过程中，模型的管道的结构尺寸和壁厚都非常小，难以加工制作，同时弹性模量随缩比的变化而变化，很难找到相应弹性模量的材质，使模拟试验难以实现，由此采用本方法使试验可行。可以使用离散型管道进行相关水动力等模型试验，充分利用现有试验水池条件，使用相对较大的缩尺比，从而减小试验管道模型制作上的困难，保证试验测量精度。2、由于大深度管道模拟试验，如果采用大缩比，试验参数会失真，若采用小缩比， 需要大深度的水池，由此采用本方法可以实现对深水海底管道铺设部分过程的模拟；由于本方法的模型可以完全模拟实际管道的质量、排水体积和弹性模量，由此能有效模拟深水长管道的结构力学特性。3、具有结构简单、连接方便、便于运输安装和固定的功效。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种深水海底管道铺设试验用管段模型，其特征在于，包括筒体(6)、上锥体、下锥体(10)、弹簧(5)、连接杆(7)以及压载(9)；该上锥体(4)与筒体(6)上端连接，下锥体 (10)与筒体(6)下端连接；该连接杆(7)位于筒体(6)内部，其一端与弹簧( 螺接，另一端穿过压载(9)后插入下锥体(10)内，该弹簧( 一端与连接杆(7)螺接，另一端穿出上锥体(4)顶端，压载(9)套设在连接杆(7)上，且通过螺母(8)固定在下锥体(10)内；筒体 (6)内贯注水(11)。
2.根据权利要求1所述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其特征在于，所述上锥体(4)中心设有穿孔(41)，底部具有容置空间(42)，其底部外侧设有外螺纹(43)与筒体 (6)上端内螺纹相连接；所述下锥体(10)顶端设有螺孔(101)，底部具有容置空间(102) 且设有穿孔(103)，其底部外侧设有外螺纹(104)与筒体(6)下端内螺纹相连接；该上锥体(4)与下锥体(10)为相同的对称锥体。
3.根据权利要求1所述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其特征在于，所述连接杆(7) —端设有外螺纹且依次穿过螺母(8)和压载(9)后插入下锥体(10)位于容置空间 (102)内的穿孔(10 中，另一端设有内螺纹与弹簧( 外螺纹螺接。
4.根据权利要求1所述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其特征在于，所述弹簧(5)两端均设有外螺纹，一端外螺纹与连接杆内螺纹相连接，另一端由上锥体⑷中心穿孔 (41)穿出后与另一个深水海底管道铺设试验用管段模型下锥体顶端螺孔(101)的内螺纹相连。
5.根据权利要求1所述的深水海底管道铺设试验用管段模型，其特征在于，所述压载 (9)设有内孔(91)，该压载(9)通过内孔(91)套设在连接杆(7)位于下锥体(10)的一端且位于下锥体(10)底部容置空间(102)内，并通过套设在连接杆(7)上的螺母(8)使连接杆(7)和压载(9)与下锥体(10)固定。
专利摘要本实用新型提供一种深水海底管道铺设试验用管段模型，其包括筒体、上锥体、下锥体、弹簧、连接杆及压载；该上锥体与筒体上端连接，下锥体与筒体下端连接；该连接杆位于筒体内部，其一端与弹簧螺接，另一端穿过压载后插入下锥体内，该弹簧一端与连接杆螺接，另一端穿出上锥体顶端，压载套设在连接杆上，且通过螺母固定在下锥体内；筒体内贯注水；该深水海底管道铺设试验用管段模型相互连接，构成串状离散型海底管道模型，用以模拟深水海底管道起始和终止铺设过程，进行海底管道内应力和管道系统对铺管船的水动力影响研究，完成深水海底管道铺设前对管道总质量、排开水质量以及管道刚度的模拟，为实际铺管工程提供依据。
文档编号G09B25/02GK202042120SQ20102070016
公开日2011年11月16日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者任平, 俞国康, 商辉, 姚宝恒, 平伟, 燕晖, 马厦飞, 魏会东 申请人:上海交大海科(集团)有限公司, 中国海洋石油总公司, 海洋石油工程股份有限公司