一种简单悬链式立管出平面刚体运动的试验方法与流程

本发明涉及刚体运动的试验方法，尤其涉及一种简单悬链式立管出平面刚体运动的试验方法。

背景技术：

简单悬链式立管是一个自由悬垂的管线，其轴线为悬链线形状，如图1所示。它的顶端悬挂在浮式平台上，下端直接延伸至海床上，与海床接触的第一个位置为触地点。从悬挂点至触地点的一段称为悬垂段，而位于海床上的一段称为流线段。因此，触地点是悬垂段和流线段的分隔点。由于悬垂段为悬链线，因此，当简单悬链式立管做出平面(悬链线组成的平面)运动时，悬垂段在发生弯曲变形产生的运动同时也将绕悬挂点和触地点连线所形成的转动轴刚体摆动运动。这就是说，简单悬链式立管的出平面运动由两部分组成——弯曲变形运动和刚体摆动运动。目前的简单悬链式立管(包括脐带缆和柔性立管，脐带缆和柔性立管具有与简单悬链式立管相同的几何形状，脐带缆主要用于浮式平台与海底生产设施之间的电、液控制信号的传递，柔性立管与简单悬链式立管的用途相同，但材料不同)出平面运动分析仅仅计算由于弯曲变形产生的运动，而忽略了刚体摆动产生的运动，这将低估结构的惯性力和水动力的影响，从而低估简单悬链式立管(脐带缆和柔性立管)对浮式平台的作用。

钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管是深海油气开发的重要装备，它们的一端与浮式平台连接并自由悬垂至海底，形成一条悬链线。钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管与海底接触的第一点称为触地点，从浮式平台到触地点的一段称为悬垂段。钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管的另一端与井口(生产立管)或海底终端(输运立管)或海底管汇连接，从触地点至井口、海底终端或海底管汇的一段称为流线段。

钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管在出平面荷载(包括出平面浪流荷载和平面内流产生的涡激升力)作用下，将产生出平面运动。由于悬挂点和触地点之间的悬垂段呈弯曲形状，因此，悬垂段出平面运动时，在发生弯曲变形的同时也将绕悬挂点和触地点的连线所形成的轴线转动而产生刚体运动。这部分刚体运动不仅增大了(与仅仅弯曲变形相比)结构的加速度，而且在触地点处产生较大的平面外弯矩，从而增大了触地点的弯曲应力，加剧了触地点的疲劳损伤。简单悬链式立管的触地点是该结构的一个薄弱点，即使在只考虑弯曲变形的条件下，其涡激振动疲劳损伤也大于其它位置。因此，简单悬链式立管的出平面刚体运动对触地点的疲劳设计就显得尤为重要。目前，公知的简单悬链式立管分析技术没有考虑这部分刚体运动，也没有一种试验方法来识别这部分刚体运动，从而使简单悬链式立管的设计分析理论不完善，设计分析方法不准确，不能正确反映简单悬链式立管的真实运动状态。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供一种简单悬链式立管出平面刚体运动的试验方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种简单悬链式立管出平面刚体运动的试验方法，采用悬链式立管的几何相似模型作为试验模型，采用水池或水槽作为试验设施，并对其进行数据分析，其中，在水池或水槽底部安装固定有“L”形支撑钢架，步骤是：

(一)将悬链式立管试验模型的一端通过摆角测量仪悬挂在支撑钢架上，另一端通过转角测量仪支撑固定在位于水池或水槽底部的转向架上；

(二)在悬链式立管试验模型的近两端处粘贴应变片；

(三)在悬链式立管试验模型的中部位置安装加速度传感器；

(四)将应变片连接到动态应变仪上，将加速度传感器连接到信号放大器再连接到数据采集仪上，将转角测量仪和摆角测量仪连接到数据采集仪上；

(五)人工触碰悬链式立管试验模型，使其产生运动，并观察动态应变仪和数据采集仪的数据显示，以此判断整个试验模型和测试系统是否正常工作；

(六)确认整个试验模型和测试系统能够正常工作后，向水池或水槽内充水，充水高度至少达到悬链式立管试验模型高度的2/3；

(七)将悬链式立管试验模型与支撑钢架的接触点定义为悬挂点、与水池或水槽底面的接触点定义为触地点，对悬链式立管试验模型建立空间直角坐标系，以位于悬链式立管试验模型所在竖直平面且过悬挂点的水平线为y轴，以垂直于悬链式立管试验模型所在平面且过悬挂点的水平线为x轴，以悬挂点为起点、垂直于x轴和y轴的直线为z轴，当采用水池为试验设施时，用造波机沿x方向进行造波，或当采用水槽为试验设施时，用造流泵沿y轴方向造流，并观察动态应变仪和数据采集仪的响应；

如果能够清晰地分辨数据的变化，则开始测试，否则增加造波的波高并调整波周期(一个完整波长经过一个固定点所需的时间即为波周期)或增加流速；

(八)步骤(七)中显示的数据达到要求后，开始对数据进行记录，记录时长应以数据点数大于4096(频谱分析的快速傅里叶变换要求数据个数是2的n次方，4096是2的12次方)为依据，以便进行谱分析；

(九)对应变片、加速度传感器、摆角测量仪和转角测量仪的测试数据进行谱分析，并比较应变与加速度的幅值谱，比较加速度与摆角和转角的幅值谱。

进一步，如果加速度幅值谱有两个以上的谱峰频率，且其中一个谱峰频率与应变幅值谱谱峰频率相同，另一个谱峰频率与摆角或转角幅值谱谱峰频率相同，则说明悬链式立管试验模型存在刚体运动，否则，不存在刚体运动；也可以比较应变幅值谱与摆角或转角幅值谱，如果应变幅值谱的谱峰频率与摆角或转角幅值谱的谱峰频率不相同，则说明试验模型存在刚体运动，否则不存在刚体运动。

进一步，步骤(七)中，直至动态应变仪和数据采集仪的数据分辨率达到5～10％(即：数据的变化幅度与均值之比达到5～10％)，则开始进行测试。

进一步，所述加速度传感器安装在悬垂段距悬挂点与触地点连线——即刚体转动轴垂直距离最远点，其中加速度传感器测量的是试验模型的总体运动加速度，包括弯曲变形和刚体摆动，因此必须安装在包括这两种运动的位置，由于传感器具有一定的测试灵敏度，如果安装位置的刚体摆动或弯曲变形引起的加速度较小，则可能得不到两种运动的加速度，由于应变片可以测量弯曲运动，因此，加速度传感器的安装位置应确保刚体运动加速度的测量精度。本发明要求将其安装在悬垂段距悬挂点与触地点连线——即刚体转动轴垂直距离最远点，该点可以通过几何测量得到。

进一步，定义悬挂点至触地点为悬链式立管试验模型的悬垂段、触地点至悬链式立管试验模型的另一端为流线段，粘贴在悬垂段的应变片用以测量悬垂段的弯曲应变，粘贴在流线段的应变片以测量流线段的弯曲应变；

加速度传感器用于测量悬链式立管试验模型的运动加速度，摆角测量仪用于测量悬链式立管试验模型上端转角，另一端的转角测量仪用以测量尾端的转角。

本发明的优点在于解决了简单悬链式立管出平面刚体运动的识别问题。

附图说明

图1本发明对悬链式立管试验模型建立的y-z坐标系示意图。

图2本发明对悬链式立管试验模型建立的x-z坐标系示意图。

图3本发明建立的试验模型系统整体结构示意图。

具体实施方式

为详细的介绍本发明涉及的试验方法，现结合图1、图2和图3来具体说明。

一种简单悬链式立管出平面刚体运动的试验方法，采用悬链式立管的几何相似模型作为试验模型，采用水池或水槽作为试验设施，并对其进行数据分析，其中，在水池或水槽底部安装固定有“L”形支撑钢架，1，如图3所示，在悬链式立管试验模型2上设置A、B、C、D、E五个点来进行安装位置说明，步骤是：

(一)将悬链式立管试验模型2的一端通过摆角测量仪3悬挂在支撑钢架1上(即图3中A点处)，另一端通过转角测量仪4支撑固定在位于水池或水槽底部的转向架(转角测量仪可以在转向架上自由转动)上(即图3中E点处)；

(二)在悬链式立管试验模型2的近两端处(即图3中的B和D点)粘贴应变片；

(三)在悬链式立管试验模型2的中部位置(即图3中的C点)安装加速度传感器；

(四)将应变片连接到动态应变仪上，将加速度传感器通过信号放大器再连接到数据采集仪上，将转角测量仪4和摆角测量仪3连接到数据采集仪上；

(五)人工触碰悬链式立管试验模型2，使其产生运动，并观察动态应变仪和数据采集仪的数据显示，以此判断整个试验模型和测试系统是否正常工作；

(六)确认整个试验模型和测试系统能够正常工作后，向水池或水槽内充水，充水高度达到悬链式立管试验模型2高度的2/3；

(七)如图1和图2所示，将悬链式立管试验模型2与支撑钢架1的接触点定义为悬挂点(A点)、与水池或水槽底面的接触点定义为触地点(O点)，对悬链式立管试验模型2建立空间直角坐标系，以位于悬链式立管试验模型2所在平面且过悬挂点的水平线为y轴，以垂直于悬链式立管试验模型所在平面且过悬挂点的水平线为x轴，以悬挂点(A)为起点、垂直于x轴和y轴的直线为z轴，定义悬挂点至触地点为悬链式立管试验模型2的悬垂段、触地点至悬链式立管试验模型2的另一端为流线段，粘贴在悬垂段的应变片(B点处的应变片)用以测量悬垂段的弯曲应变，粘贴在流线段的应变片(D点处的应变片)用以测量流线段的弯曲应变；当采用水池为试验设施时，用造波机沿x方向进行造波，或当采用水槽为试验设施时，用造流机沿y轴方向造流，并观察动态应变仪和数据采集仪的响应；

如果能够清晰地分辨数据的变化，则开始测试，否则增加造波的波高并调整波周期，或增加流速，直至动态应变仪和数据采集仪的数据分辨率达到8％；

(八)步骤(七)中显示的数据达到要求后，开始对数据进行记录，记录时长应以数据点数大于4096为依据，以便进行谱分析；

(九)对应变片、加速度传感器、摆角测量仪3和转角测量仪4的测试数据进行谱分析，并比较应变与加速度的幅值谱，比较加速度与摆角和转角的幅值谱。

如果加速度幅值谱有两个以上的谱峰频率，且其中一个谱峰频率与应变幅值谱谱峰频率相同，另一个谱峰频率与摆角或转角幅值谱谱峰频率相同，则说明悬链式立管试验模型存在刚体运动，否则，不存在刚体运动；也可以比较应变幅值谱与摆角或转角幅值谱，如果应变幅值谱的谱峰频率与摆角或转角幅值谱的谱峰频率不相同，则说明试验模型存在刚体运动，否则不存在刚体运动。

加速度传感器测量的是试验模型的总体运动加速度，包括弯曲变形和刚体摆动，因此必须安装在包括这两种运动的位置，由于传感器具有一定的测试灵敏度，如果安装位置的刚体摆动或弯曲变形引起的加速度较小，则可能得不到两种运动的加速度，由于应变片可以测量的弯曲运动，因此，加速度传感器的安装位置应确保刚体运动加速度的测量精度。本发明要求将其安装在悬垂段距悬挂点与触地点连线——即刚体转动轴(图1中AO)垂直距离最远点，该点可以通过几何测量得到。

补充说明：加速度传感器用于测量悬链式立管试验模型的运动加速度，摆角测量仪用于测量悬链式立管试验模型上端转角，另一端的转角测量仪用以测量尾端的转角。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。