本發(fā)明涉及一種深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

海洋立管是連接海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)與水下井口或海底管道的生命線，承擔(dān)著海洋油氣正常采輸?shù)闹厝?。海底管道建設(shè)成本高，多采用油氣混輸方式，管內(nèi)流體屬于氣液兩相流，最常見(jiàn)的流型為段塞流。段塞流進(jìn)入立管后，不僅會(huì)使管內(nèi)壓力和出口流量呈現(xiàn)周期性劇烈波動(dòng)，還會(huì)誘導(dǎo)管線振動(dòng)，縮短立管的使用壽命，甚至?xí)l(fā)立管的疲勞破壞，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。為了減輕和抑制振動(dòng)對(duì)海洋立管造成的損害，需要更深入地了解管內(nèi)段塞流的流動(dòng)規(guī)律以及段塞流誘導(dǎo)海洋立管振動(dòng)的機(jī)理。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置只能研究段塞流振動(dòng)對(duì)立管的影響，而不能研究泡狀流、環(huán)狀流以及霧狀流振動(dòng)對(duì)立管的影響，而且現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置中的立管只能對(duì)處于一種狀態(tài)下的立管進(jìn)行研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、采集數(shù)據(jù)精度高、立管可在不同位置狀態(tài)下進(jìn)行不同多相流振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、操作簡(jiǎn)單的深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，它包括透明水箱、透明軟管、設(shè)置于透明水箱內(nèi)的豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)、設(shè)置于透明水箱頂部的水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)，所述的豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)和水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、底座A、底座B、皮帶輪A、皮帶輪B、移動(dòng)座以及固定于底座A和底座B之間的導(dǎo)軌，底座A上固定有伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的輸出端連接有皮帶輪A，底座B上旋轉(zhuǎn)安裝有皮帶輪B，皮帶輪A與皮帶輪B之間安裝有皮帶，移動(dòng)座滑動(dòng)安裝于導(dǎo)軌上且固定于皮帶上，移動(dòng)座上設(shè)置有三通管，所述的豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的底座B固定于透明水箱的底部，所述的水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的底座A和底座B分別固定于透明水箱前后側(cè)，兩個(gè)三通管之間連接有透明軟管，透明軟管上且沿其長(zhǎng)度方向間隔布置有多個(gè)泡沫塊，透明軟管上設(shè)置有加速度傳感器；

它還包括控制箱、計(jì)算機(jī)、空壓機(jī)、調(diào)壓閥、儲(chǔ)水箱、流量計(jì)和水泵，所述的水泵的吸水口與透明水箱連通，空壓機(jī)的輸出端與豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的三通管之間連接有調(diào)壓閥，儲(chǔ)水箱的入口端與水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的三通管之間連接有流量計(jì)；所述的控制箱與計(jì)算機(jī)、調(diào)壓閥、流量計(jì)、減速度傳感器和伺服電機(jī)連接。

所述的移動(dòng)座上設(shè)置有皮帶通道、固定板和用于安裝導(dǎo)軌的軌道孔，皮帶貫穿皮帶通道且與固定板經(jīng)銷釘固定。

所述的移動(dòng)座與三通管之間設(shè)置有支撐桿。

所述的水泵設(shè)置于透明水箱底部。

所述的調(diào)壓閥、流量計(jì)和伺服電機(jī)均通過(guò)信號(hào)線連接。

所述的空壓機(jī)通過(guò)氣管與豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的三通管連接。

所述的底座B內(nèi)開(kāi)設(shè)有凹槽，皮帶輪B旋轉(zhuǎn)安裝于凹槽內(nèi)。

所述的裝置進(jìn)行深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，它包括以下步驟：

S1、利用透明軟管模擬生產(chǎn)立管，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)立管的尺寸以及內(nèi)部流體流態(tài)以及所模擬生產(chǎn)立管的生產(chǎn)工況；利用泡沫塊模擬浮力塊；

S2、計(jì)算機(jī)經(jīng)控制箱控制豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)和水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的伺服電機(jī)做正反轉(zhuǎn)，將生產(chǎn)立管底部和頂部分別移動(dòng)至實(shí)驗(yàn)所需位置；

S3、將流量計(jì)、調(diào)壓閥以及生產(chǎn)立管上的加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零處理；

S4、啟動(dòng)水泵和空壓機(jī)，在生產(chǎn)立管內(nèi)部形成泡狀流，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵功率和調(diào)壓閥節(jié)流大小以形成穩(wěn)定的流態(tài)；

S5、待泡狀流穩(wěn)定后，加速度傳感器測(cè)定生產(chǎn)立管的振動(dòng)參數(shù)，同時(shí)利用流量計(jì)測(cè)定氣體流量和液體流量以計(jì)算泡狀流參數(shù)，加速度傳感器和流量計(jì)將各自采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱傳遞給計(jì)算機(jī)；

S6、逐漸增大氣體流量，依次形成段塞流、環(huán)狀流以及霧狀流，待每種流態(tài)穩(wěn)定之后，通過(guò)加速度傳感器測(cè)定每種穩(wěn)定流態(tài)下生產(chǎn)立管的振動(dòng)參數(shù)，同時(shí)利用流量計(jì)測(cè)定氣體流量和液體流量以計(jì)算相應(yīng)多相流參數(shù)，加速度傳感器和流量計(jì)將各自在相應(yīng)多相流狀態(tài)下采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱傳遞給計(jì)算機(jī)；

S7、通過(guò)模態(tài)分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得不同多相流狀態(tài)下的生產(chǎn)立管的振動(dòng)特性，從而實(shí)現(xiàn)了深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、采集數(shù)據(jù)精度高、立管可在不同位置狀態(tài)下進(jìn)行不同多相流振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、操作簡(jiǎn)單。

附圖說(shuō)明

圖1 為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2 為豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3 為移動(dòng)座與三通管的安裝示意圖；

圖4 為底座B與皮帶輪B的安裝示意圖；

圖5 為圖1的I部局部放大視圖；

圖中，1-透明水箱，2-透明軟管，3-豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)，4-水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)，5-伺服電機(jī)，6-底座A，7-底座B，8-皮帶輪A，9-皮帶輪B，10-移動(dòng)座，11-導(dǎo)軌，12-皮帶，13-三通管，14-泡沫塊，15-控制箱，16-計(jì)算機(jī)，17-空壓機(jī)，18-調(diào)壓閥，19-儲(chǔ)水箱，20-流量計(jì)，21-水泵，22-皮帶通道，23-固定板，24-軌道孔，25-支撐桿，26-信號(hào)線，27-氣管，28-凹槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述：

如圖1~5所示，一種深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，它包括透明水箱1、透明軟管2、設(shè)置于透明水箱1內(nèi)的豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3、設(shè)置于透明水箱1頂部的水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)4，透明水箱1中裝一定深度的水用于模擬海洋環(huán)境，透明水箱1主要是為了方便觀察管內(nèi)的流態(tài)且方便觀察透明軟管2振動(dòng)情況；所述的透明軟管1是通過(guò)相似理論計(jì)算，能產(chǎn)生與柔性生產(chǎn)立管一致的變形。所述的豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3和水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)4的結(jié)構(gòu)相同，豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3包括伺服電機(jī)5、底座A6、底座B7、皮帶輪A8、皮帶輪B9、移動(dòng)座10以及固定于底座A6和底座B7之間的導(dǎo)軌11，底座A6上固定有伺服電機(jī)5，伺服電機(jī)5的輸出端連接有皮帶輪A8，底座B7上旋轉(zhuǎn)安裝有皮帶輪B9，皮帶輪A8與皮帶輪B9之間安裝有皮帶12，移動(dòng)座10滑動(dòng)安裝于導(dǎo)軌11上且固定于皮帶12上，本實(shí)施例中移動(dòng)座10上設(shè)置有皮帶通道22、固定板23和用于安裝導(dǎo)軌11的軌道孔24，皮帶12貫穿皮帶通道22且與固定板23經(jīng)銷釘固定。

如圖1和圖2所示，移動(dòng)座10上設(shè)置有三通管13，移動(dòng)座10與三通管13之間設(shè)置有支撐桿25，所述的豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3的底座B7固定于透明水箱1的底部，所述的水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)4的底座A6和底座B7分別固定于透明水箱1前后側(cè)，兩個(gè)三通管13之間連接有透明軟管2，透明軟管2上且沿其長(zhǎng)度方向間隔布置有多個(gè)泡沫塊14，透明軟管2上設(shè)置有加速度傳感器，加速度傳感器能夠采集透明軟管2的振動(dòng)參數(shù)。

如圖1所示，它還包括控制箱15、計(jì)算機(jī)16、空壓機(jī)17、調(diào)壓閥18、儲(chǔ)水箱19、流量計(jì)20和水泵21，所述的水泵21設(shè)置于透明水箱1底部，水泵21的吸水口與透明水箱1連通，空壓機(jī)17的輸出端與豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3的三通管13之間連接有調(diào)壓閥18，儲(chǔ)水箱19的入口端與水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)4的三通管13之間連接有流量計(jì)20，流量計(jì)20能夠?qū)崪y(cè)出口的氣體流量和液體流量；所述的控制箱15與計(jì)算機(jī)16、調(diào)壓閥18、流量計(jì)20、減速度傳感器和伺服電機(jī)5連接，計(jì)算機(jī)16通過(guò)控制伺服電機(jī)5轉(zhuǎn)速來(lái)改變皮帶12運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離，控制皮帶12位置。所述的水泵21啟動(dòng)后，可使透明水箱1中的水進(jìn)入透明軟管2內(nèi)以模擬采油過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵21的功率，可以控制水流量大小。透明軟管2內(nèi)的水能夠順次經(jīng)水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)4的三通管13、流量計(jì)20進(jìn)入儲(chǔ)水箱19內(nèi)收集。

所述的調(diào)壓閥18、流量計(jì)20和伺服電機(jī)5均通過(guò)信號(hào)線26連接；所述的空壓機(jī)17通過(guò)氣管27與豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3的三通管13連接；所述的底座B7內(nèi)開(kāi)設(shè)有凹槽28，皮帶輪B9旋轉(zhuǎn)安裝于凹槽28內(nèi)。多相流的模擬：?jiǎn)?dòng)空壓機(jī)17，空壓機(jī)17產(chǎn)出的空氣通過(guò)氣管27進(jìn)入生產(chǎn)立管內(nèi)，氣體通過(guò)豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3的三通管13進(jìn)入生產(chǎn)立管與立管內(nèi)的液體混合，進(jìn)而形成多相流，再通過(guò)調(diào)節(jié)水泵21功率以及調(diào)壓閥18的節(jié)流大小，最終形成不同流態(tài)的多相流，如氣泡流、段塞流、環(huán)狀流、霧狀流。

如圖1所示，所述的裝置進(jìn)行深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，它包括以下步驟：

S1、利用透明軟管2模擬生產(chǎn)立管，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)立管的尺寸以及內(nèi)部流體流態(tài)以及所模擬生產(chǎn)立管的生產(chǎn)工況；利用泡沫塊14模擬浮力塊；

S2、計(jì)算機(jī)16經(jīng)控制箱15控制豎直運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)3和水平運(yùn)動(dòng)軌道系統(tǒng)4的伺服電機(jī)5做正反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)5帶動(dòng)皮帶輪A8轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪A8經(jīng)皮帶12帶動(dòng)皮帶輪B9轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶12帶動(dòng)移動(dòng)座10沿著導(dǎo)軌11移動(dòng)，將生產(chǎn)立管底部和頂部分別移動(dòng)至實(shí)驗(yàn)所需位置；因此可以任意改變生產(chǎn)立管的位置；

S3、將流量計(jì)20、調(diào)壓閥18以及生產(chǎn)立管上的加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零處理；

S4、啟動(dòng)水泵21和空壓機(jī)17，在生產(chǎn)立管內(nèi)部形成泡狀流，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵21功率和調(diào)壓閥18節(jié)流大小以形成穩(wěn)定的流態(tài)；

S5、待泡狀流穩(wěn)定后，加速度傳感器測(cè)定生產(chǎn)立管的振動(dòng)參數(shù)，同時(shí)利用流量計(jì)20測(cè)定氣體流量和液體流量以計(jì)算泡狀流參數(shù)，加速度傳感器和流量計(jì)20將各自采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱15傳遞給計(jì)算機(jī)16；

S6、逐漸增大氣體流量，依次形成段塞流、環(huán)狀流以及霧狀流，待每種流態(tài)穩(wěn)定之后，通過(guò)加速度傳感器測(cè)定每種穩(wěn)定流態(tài)下生產(chǎn)立管的振動(dòng)參數(shù)，同時(shí)利用流量計(jì)20測(cè)定氣體流量和液體流量以計(jì)算相應(yīng)多相流參數(shù)，加速度傳感器和流量計(jì)20將各自在相應(yīng)多相流狀態(tài)下采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱15傳遞給計(jì)算機(jī)16；

S7、通過(guò)模態(tài)分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得不同多相流狀態(tài)下的生產(chǎn)立管的振動(dòng)特性，從而實(shí)現(xiàn)了深水生產(chǎn)立管多相流振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。因此本實(shí)驗(yàn)裝置立管可在不同位置狀態(tài)下進(jìn)行不同多相流振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。