深水钢悬链线立管清管模拟试验装置的制作方法

本申请属于深水立管清管领域，具体涉及一种钢悬链线立管在海洋浮动边界条件下的清管行为的试验装置。

背景技术：

海洋管道工程是海洋油气工程不可或缺的一环，海洋内的石油天然气资源必须依靠海洋管道运输到油船或者内陆才可进一步加工利用。而深海管道与陆地，浅海管道相比，需要面对十分恶劣的海洋环境，因此，深海管道作业的分析和设计具有极高的挑战性。

钢悬链线立管(steelcatenaryriser，scr)主要分为悬垂部分和触底部分，细分的话，悬垂部分可分为顶部与悬挂段，触底部分指立管尾部与海床相互接触的管道。在海洋环境的影响下，钢悬链线立管会不断产生运动，并且立管顶部与平台连接，浮式平台的运动会对钢悬链线立管产生较大的影响。

目前关于scr的研究众多，主要集中于立管自身的力学研究，立管与海床的管土模型研究，立管的疲劳破坏研究这几个方面，scr的发展一直是海洋石油管道工程研究的热点。作为深水开采的首选立管，scr具有高度的几何非线性，触底段具有接触非线性，复杂的海洋环境更使得scr清管作业异常困难，迫切需要相关清管理论指导。

目前国内外对scr的研究方法主要是有限元仿真模拟或数值模拟与管土实验结合，但是针对scr清管的理论模型与模拟实验尚无相关研究。而且现有技术难以对钢悬链线立管在海洋浮动边界条件下的清管行为建立准确的模型。

进而，在海洋立管研究领域，因为实验条件的限制，现如今主要采用相似性模型(缩比模型)来进行实验研究。随着作业水深的逐渐增加，因为过大的缩比比例会导致完全等效的模型越来越难建立。为了解决这一问题，研究人员提出一种等效截断的方式来研究海洋立管。等效截断模型就是对立管进行截断，并改变截断后的立管模型的某些固有参数，使截断的立管模型与原模型有着同样的动力特性。目前，这种方式已经开始用于深海平台系泊线的实验研究中，截断设计包括主动式截断和被动式截断两种。主动式截断设计主要是根据自身实验条件基础上提出的，对于截断点，可以通过计算机控制系统模拟截断点的海洋环境。被动式截断设是基于静力等效原则重新设计一套全新截断模型来代替全水深模型。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是首先对scr的模型进行截断设计，与原模型对比，参数合理，再基于相似性原理对截断模型进行缩比分析。进而，提供一种深水钢悬链线立管清管模拟试验装置，其可以测试钢悬链线立管在海洋浮动边界条件下清管时所受到的应力应变，以模拟清管器在钢悬链线立管中清管时立管所受到的应力应变的变化规律，用于研究海洋立管清管作业时其自身力学特性的装置。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种深水钢悬链线立管清管模拟试验装置，包括：

支架；

移动机构，所述移动机构设置在所述支架上，并与地面具有预定距离；

置于地面上的试验槽，所述试验槽内盛装有水土混合物；

管道，所述管道包括近地端和远地端，所述远地端通过第一铰接装置连接在所述移动机构上，所述近地端通过第二铰接装置连接在所述试验槽上，所述管道上设置有用于监测所述管道应力与应变的传感器，所述传感器与解调仪连接；

清管器，其套设在所述管道的外壁上；

控制器，其能控制所述移动机构沿竖直方向和水平方向运动，并能采集所述移动机构的位移数据；

处理器，其分别与所述控制器和所述解调仪信号连接，并能对所述滑动位移数据和所述管道的应力与应变进行分析处理。

在一个优选的实施方式中，所述移动机构包括：

第一伺服电动滑台，所述第一伺服电动滑台包括第一基座和第一滑动平台，所述第一基座固定在所述支架上，所述第一滑动平台能沿第一导轨在所述第一基座上滑动；

第二伺服电动滑台，所述第二伺服电动滑台包括第二基座和第二滑动平台，所述第二基座固定在所述第一滑动平台上，所述第二滑动平台能沿第二导轨在所述第二基座上滑动，所述第二滑动平台的滑动方向与所述第一滑动平台的滑动方向垂直，所述管道的远地端连接在所述第二滑动平台上。

在一个优选的实施方式中，所述支架包括架体和设置在所述架体上端的承载部，所述承载部用于承托所述移动机构。

在一个优选的实施方式中，所述承载部包括：设置在所述架体上端的第一横梁和第二横梁，所述第一横梁和所述第二横梁下部分别设置有第三横梁和第四横梁，所述第一横梁和所述第三横梁之间设置有第一纵梁，所述第二横梁和所述第四横梁之间设置有第二纵梁，所述第一纵梁和所述第二纵梁之间设置有第一承载梁，所述第一横梁和所述第二横梁的中部设置有第二承载梁，所述第一承载梁和所述第二承载梁用于承载所述移动机构。

在一个优选的实施方式中，所述架体包括：底梁和支撑梁，所述支撑梁垂直固定在所述底梁上，相邻所述支撑梁之间设置有多个加固梁，所述加固梁与所述支撑梁之间采用斜撑梁固定，所述支撑梁与所述底梁之间采用斜撑梁固定。

在一个优选的实施方式中，所述第一铰接装置和/或所述第二铰接装置均能在所述管道轴线所在平面上自由转动，以使得所述管道在安装和试验过程中不会沿管道轴线发生扭转。

所述清管器包括第一对接部和第二对接部，所述第一对接部和所述第二对接部对接后形成一个圆柱形的套筒。

在一个优选的实施方式中，所述传感器在所述管道外壁沿圆周方向间隔90度均匀排布。

在一个优选的实施方式中，所述传感器为光纤传感器。

在一个优选的实施方式中，所述管道所在平面与所述试验槽平行设置。

在一个优选的实施方式中，所述管道的近地端与所述试验槽内的水土混合物接触。

在一个优选的实施方式中，所述管道呈悬链线形状。

在一个优选的实施方式中，所述管道沿长度方向均匀设置有配重块。

借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：

本发明的深水钢悬链线立管清管模拟试验装置可以通过移动机构的运动规律模拟钢悬链线立管的海洋浮动边界条件，同时采用精度非常高的光纤传感器采集钢悬链线立管上特定位置处在海洋浮动边界条件下的应力应变信号，此外还可以通过控制器实时采集移动机构的位移信号，最后借助处理器(labview采集程序)实现实时同步采集所有信号，并分析钢悬链线立管在海洋浮动边界条件下的清管行为及规律。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：

图1为本发明实施方式的试验装置整体结构示意图；

图2为本发明实施方式的试验装置的支架结构示意图；

图3为本发明实施方式的试验装置的管道配重示意图；

图4为本发明实施方式的试验装置的光纤传感器安装示意图；

图5为本发明实施方式的试验装置的光纤传感器的截面示意图；

图6为本发明实施方式的试验装置的第一伺服电动滑台的结构示意图；

图7为本发明实施方式的试验装置的第二伺服电动滑台的结构示意图。

以上附图的附图标记：1、支架；11、第一横梁；12、第二横梁；13、第三横梁；14、第四横梁；15、第一纵梁；16、第二纵梁；17、第一承载梁；18、第二承载梁；19、底梁；20、支撑梁；201、加固梁；202、斜撑梁；2、移动机构；21、第一伺服电动滑台；211、第一基座；212、第一滑动平台；213、第一导轨；22、第二伺服电动滑台；221、第二基座；222、第二滑动平台；223、第二导轨；3、试验槽；4、管道；41、配重块；6、传感器；7、解调仪；8、控制器；81、控制箱；82、信号采集系统；9、处理器；10、编码器；101、直角连接件；102、三角连接件

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图7所示，本发明的实施方式提供一种深水钢悬链线立管清管模拟试验装置，该装置包括：支架1、移动机构2、试验槽3、管道4、清管器、控制器8、以及处理器9。所述移动机构2设置在所述支架1上，并与地面具有预定距离。试验槽3置于地面上，所述试验槽3内盛装有水土混合物。所述管道4包括近地端和远地端，所述远地端通过第一铰接装置(图中未示出)连接在所述移动机构2上，所述近地端通过第二铰接装置(图中未示出)连接在所述试验槽3上，所述管道4上设置有用于监测所述管道4应力与应变的传感器6，所述传感器6与解调仪7连接。清管器(图中未示出)套设在所述管道4的外壁上。控制器8能控制所述移动机构2沿竖直方向和水平方向运动，并能采集所述移动机构2的位移数据。处理器9分别与所述控制器8和所述解调仪7信号连接，并能对所述滑动位移数据和所述管道4的应力与应变进行分析处理。

本发明实施例中的深水钢悬链线立管清管模拟试验装置可以基于截断模型将原始模型截断后，由正态相似理论得到小尺寸的物理模型，从而满足室内条件下深海立管的模拟试验测试，以解决钢悬链线立管在海洋浮动边界条件下模型的清管试验测试问题。其可以用于测试钢悬链线立管在海洋浮动边界条件下清管时所受到的应力应变，以模拟清管器在钢悬链线立管中清管时立管所受到的应力应变的变化规律，为钢悬链线立管动力学模型的构建提供理论指导。

在本实施方式中，请参见附图2，支架1通常可以为具有一定高度的塔架，所述支架1可以包括架体和设置在所述架体上端的承载部。

该承载部可以用于承托所述移动机构2。较佳地，该承载部可以包括：设置在所述架体上端的第一横梁11和第二横梁12。在所述第一横梁11和所述第二横梁12下部可以分别设置有第三横梁13和第四横梁14。在所述第一横梁11和所述第三横梁13之间可以竖直设置第一纵梁15(优选位于第一横梁11和第三横梁13的中部)。在所述第二横梁12和所述第四横梁14之间可以竖直设置第二纵梁16(优选位于第二横梁12和第四横梁14的中部)。在所述第一纵梁15和所述第二纵梁16之间可以设置有第一承载梁17，在所述第一横梁11和所述第二横梁12的中部可以设置有第二承载梁18，可以利用所述第一承载梁17和所述第二承载梁18承载所述移动机构2。需要说明的是，该承载部还可以采用其他设置方式，只要能承托移动机构2即可，本申请对此不做出任何限制。

该架体可以包括底梁19和支撑梁20。在通常情况下，底梁19可以由两根梁平行放置，在该底梁19上可以竖直放置有支撑梁20。也就是说，该支撑梁20可以垂直固定在所述底梁19上。进而，承载部可以设置在支撑梁20的上端。

为了加固底梁19和支撑梁20，以使架体整体更加稳固，还可以在相邻的支撑梁20之间设置多个加固梁201。具体地，加固梁201可以设置在支撑梁20的底面，也即底梁19之间。加固梁201还可以设置在支撑梁20的中部、上部，或者任意需要进行加固的地方，本领域技术人员可以根据实际需要进行合理设置，本申请对此也不做任何限制。较佳地，可以利用多个加固梁201形成加固平面，以对支撑梁20进行加固。另外，该支撑梁20和加固梁201之间还可以采用斜撑梁202进行固定。进一步地，支撑梁20和底梁19之间也可以采用斜撑梁202进行固定。

在此需要进行说明的是，在本实施例中的支架1中所有梁连接之处均可以采用连接件进行固定。例如梁之间若形成直角，则可以采用直角连接件101进行固定连接。若梁之间形成锐角，则可以采用三角连接件102进行固定。对于直角连接件101和三角连接件102的具体角度和尺寸大小，本领域技术人员可以根据实际需要进行选取，本实施例中对此也不做限制。

所述移动机构2需要与地面具有预定距离。该预定距离可以是2.1米左右。也就是说，移动机构2的中心距离地面的垂直距离可以2.1米左右。该移动机构2可以包括：第一伺服电动滑台21和第二伺服电动滑台22。该第一伺服电动滑台21和第二伺服电动滑台22上都可以具有伺服电机(图中未示出)和编码器10。

如图6和图7所示，所述第一伺服电动滑台21可以包括第一基座211和第一滑动平台212。所述第一基座211可以固定在所述支架1的承载部上。所述第一滑动平台212能沿第一导轨213在所述第一基座211上滑动。所述第二伺服电动滑台22可以包括第二基座221和第二滑动平台222。所述第二基座221可以固定在所述第一滑动平台212上，所述第二滑动平台222能沿第二导轨223在所述第二基座221上滑动，而且所述第二滑动平台222的滑动方向可以与所述第一滑动平台212的滑动方向垂直。例如，如若第一滑动平台212沿竖直方向滑动，则第二滑动平台222可以沿水平方向滑动。同理，如若第一滑动平台212沿水平方向滑动，则第二滑动平台222可以沿竖直方向滑动。

试验槽3通常可以放置在地面上，该试验槽3内可以盛装试验用的水土混合物。该管道4可以呈悬链线形状。管道4的近地端可以通过第二铰接装置连接试验槽3，且与所述试验槽3内的水土混合物接触。管道4的远地端可以通过第一铰接装置连接在所述第二滑动平台222上。管道4所在平面可以与所述试验槽3平行设置。

管道4的外壁上可以套设有清管器(图中未示出)。通过相似原理可以将实际清管器的载荷等效为实验中清管器的质量，置于管道4的特定位置。譬如，管道的近地端，中部，和/或远地端，本申请对此同样不做任何限制，只要满足试验条件即可。这样可以用来模拟清管器在管道4中运行时，对这些特定位置的局部应力的影响。所述清管器可以包括第一对接部和第二对接部，所述第一对接部和所述第二对接部对接固定后，可以形成一个圆柱形的套筒，以套设在管道4的外壁上。清管器的数量至少为一个，当然地，本领域技术人员可以根据实际需要，对清管器的数量进行配置，本申请对此不做任何限制。

另外，所述第一铰接装置和/或所述第二铰接装置均能在所述管道4轴线所在平面上自由转动，以使得管道4在安装和试验过程中不会沿管道4轴线发生扭转。进一步地，管道4的远地端可以通过能在管道4轴线所在平面上自由转动的第一铰接装置与第二滑动平台222连接，这样可以保证管道4在安装和试验过程中不会沿管道4轴线发生扭转。同理，管道4的近地端也可以通过一种可在管道4轴线所在平面上自由转动的第二铰接装置与试验槽3连接，以保证管道4近地端在安装和试验过程中不会沿管道4轴线发生扭转。

如图3所示，由于所述管道4采用尼龙制成，管道4的整体重量经试验截断缩比之后的重量小于实际管道4应有的重量，因此需要对管道4增加配重块41。进而为保证管道4配重的均匀性，可以沿管道4的长度方向均匀设置有配重块41。可以采用图3中的等间隔配重。选择刚度较大的配重块41固定在管道4相应位置。该配重块41可以采用环形的铅块制成。相比较弹簧配重而言，铅环配重具有一定的优点。在单位长度管道4的配重块41数目、每一配重块41的质量相同的情况下，铅环由于铅的密度大于钢的密度(两种配重块外形尺寸大概相似)，所需要铅环的轴向长度较小，导致铅环对整个管道抗弯刚度影响较小，因此管道4变形时受到配重块41的影响会减小。当清管器配重在管道4的某一位置时，清管器对整个管道4其他位置的影响容易在这种配重条件下传向管道4的所有位置，更加准确的被光纤传感器捕捉到，因此采集到的数据更接近真实情况。

此外，请参见附图4和附图5，所述管道4上还可以粘贴有用于监测所述管道4应力与应变状态的传感器6。该传感器6可以为光纤传感器。所述光纤传感器可以在所述管道4外壁沿圆周方向间隔90度均匀排布，且与解调仪7进行连接。所述解调仪7可以设置在地面上，四支光纤传感器引出的接口可以分别与解调仪7上相应端口相连接，用于光纤输出信号的采集与处理。该解调仪7可以为光纤解调仪。

进一步地，该控制器8可以包括控制箱81和信号采集系统82。所述控制箱81也可以设置在地面上，并分别与第一伺服电动滑台21和第二伺服电动滑台22上的编码器10进行连接，控制箱81内可以设置有编写的plc程序，用于控制第一伺服电动滑台21和第二伺服电动滑台22规律运行。即利用第一伺服电动滑台21和第二伺服电动滑台22分别进行沿竖直方向与水平方向的正弦周期运动，其中两种正弦规律的周期相同，振幅不同，初相位均为零。两种正弦规律的叠加用于模拟海洋浮动的边界条件，其中第一铰接装置(管道远地端)处的运动规律是两种正弦规律的叠加，因此刚好可以模拟海洋浮动边界条件。同时控制箱81会给出反馈信号传到信号采集系统82，该信号采集系统82可以采集滑动位移数据。

在采集滑动位移数据和光纤传感器的应力与应变信号完成后，可以将上述数据传输至与所述控制器8和所述光纤解调仪信号连接的处理器9。该处理器9可以对所述滑动位移数据和所述管道4的应力与应变进行进一步的分析处理。

本发明的深水钢悬链线立管清管模拟试验装置可以通过移动机构2的运动规律模拟钢悬链线立管的海洋浮动边界条件，同时采用精度非常高的光纤传感器采集钢悬链线立管上特定位置处在海洋浮动边界条件下的应力应变信号，此外还可以通过控制器8实时采集移动机构的位移信号，最后借助处理器9(labview采集程序)实现实时同步采集所有信号，并分析钢悬链线立管在海洋浮动边界条件下的清管行为及规律。可以为钢悬链线立管动力学模型的构建提供理论指导。

需要说明的是，本实施例提供的传感器6和解调仪7等可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本实施例所提供的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但是应该理解，本实施例在范围上并不因此而受到限制。

使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。