局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種海洋工程技術(shù)領(lǐng)域的試驗裝置，具體地說，涉及的是一種局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋立管是連接頂部浮式平臺與海底井口的重要裝備，在深海油氣開采、輸運過程中應(yīng)用廣泛。對于深海立管系統(tǒng)而言，它所承受的海洋環(huán)境荷載主要來自于海流的作用。當(dāng)海流經(jīng)過立管結(jié)構(gòu)物時，會在立管兩側(cè)產(chǎn)生交替的旋渦脫落，誘使渦激振動現(xiàn)象發(fā)生。渦激振動是造成立管發(fā)生疲勞破壞的主要原因。海洋立管并不是單獨作業(yè)，在實際的工程應(yīng)用中，多根立管會組成立管束共同作業(yè)，因此探究多根立管渦激振動具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
[0003]目前，學(xué)術(shù)界對渦激振動的研究更多關(guān)注結(jié)構(gòu)軸向與來流垂直的情況，實際的海洋工程中，立管結(jié)構(gòu)軸向與來流并不完全垂直，存在一定傾斜角度。針對這種復(fù)雜的情況，有學(xué)者提出傾斜柔性圓柱渦激振動的不相關(guān)原則，即假定傾斜柔性圓柱渦激振動與來流速度在結(jié)構(gòu)軸向的垂直方向投影分量引起的垂直圓柱情況等價。然而，不相關(guān)原則的正確與否至今仍然存在爭議。特別是針對立管束的情況，傾角均勻來流條件深海立管束渦激振動特性還不得而知。
[0004]研究海洋立管渦激振動現(xiàn)象的最可靠和最有效的手段是模型試驗。通過模型試驗，可以比較全面的觀測到渦激振動現(xiàn)象、主要特征以及來流條件對渦激振動產(chǎn)生的影響，獲得較為可靠的試驗結(jié)果來效驗理論和數(shù)值模型的精度。為工程實際積累經(jīng)驗。在實際的海洋工程環(huán)境，不僅立管軸向與來流垂直方向存在一定傾角，同時從海平面到海底整個深度范圍內(nèi)的流速截面并不是一成不變的，例如墨西哥灣或者中國南海的深水區(qū)域，一般表層300米的范圍內(nèi)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區(qū)域?？梢园l(fā)現(xiàn)，整個深度范圍內(nèi)的來流是局部流速增大傾角階梯來流。
[0005]經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對于局部流速增大傾角階梯來流海洋立管渦激振動試驗研究非常少。針對于無傾角垂直狀態(tài)下的階梯狀來流立管渦激振動試驗已有開展。2005 年第 21 期《Journal of Fluids and Structures》雜志中的論文“Laboratorymeasurements of vortex-1nduced vibrat1ns of a vertical tens1n riser in astepped current ” (階梯狀來流條件垂直單根張緊式立管渦激振動試驗觀測)，設(shè)計了一套精巧的試驗裝置。在拖曳水池水面上豎起一個水桶，桶口在水面以下，由于大氣壓的原因，桶內(nèi)抽成真空后便可有高度在10米內(nèi)的水柱，立管長13.12米，上端固定在水桶的上，下端與池底附件支撐，水桶固定于拖車之上，開動拖車后產(chǎn)生階梯狀來流試驗條件。然而該裝置無法實現(xiàn)局部流速增大傾角階梯狀來流條件，并且該裝置僅能試驗測量單根立管渦激振動特性。
[0006]經(jīng)過對現(xiàn)有的技術(shù)文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外針對局部流速增大傾角階梯狀海洋立管束渦激振動試驗研究還未開展，主要原因是缺乏必要的試驗裝置。如何實現(xiàn)傾角來流條件、如何實現(xiàn)局部流速增大、如何實現(xiàn)階梯狀來流條件、以及如何實現(xiàn)立管束的不同布置方式等是亟需克服的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗研究存在的難點和不足，提供了研究攻角階梯狀來流下立管束渦激振動的試驗裝置，能夠模擬有傾角的階梯狀來流，可實現(xiàn)局部流速增大試驗條件，對深海張緊式立管束開展試驗研究，探究其渦激振動機理及來流傾角對渦激振動的影響，為工程實際提供參考和借鑒。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗裝置，包括海洋立管模型、橫向試驗支持架、流速增大裝置、拖車、應(yīng)變采集儀和計算機，所述海洋立管模型穿過流速增大裝置側(cè)面的圓形豁口，其一端設(shè)有第一端部支撐裝置，所述海洋立管模型的另一端設(shè)有第二端部支撐裝置，所述第一端部支撐裝置和第二端部支撐裝置的頂部分別與所述橫向試驗支持架的兩端連接，所述橫向試驗支持架固定于所述拖車的底部；所述海洋立管模型包括若干條導(dǎo)線和一薄壁銅管，所述導(dǎo)線的外徑為0.3mm，所述導(dǎo)線為7芯導(dǎo)線，所述薄壁銅管的外徑為8mm、壁厚為Imm;自所述薄壁銅管的外表面依次向外設(shè)有相互緊密接觸的若干層熱縮管和一層硅膠管，所述薄壁銅管與所述熱縮管之間設(shè)有多片用于采集應(yīng)變的應(yīng)變片，所述應(yīng)變片通過接線端子與所述導(dǎo)線相連，所述導(dǎo)線的兩端與所述薄壁銅管的一端或分別與所述薄壁銅管的兩端固定；所述薄壁銅管的一端通過銷釘連接有第一圓柱接頭，所述薄壁銅管的另一端通過銷釘連接有第二圓柱接頭；所述橫向試驗支持架包括主體橫梁，所述主體橫梁的兩側(cè)頂部均分別設(shè)有角度盤；所述主體橫梁的頂部設(shè)有槽鋼，所述拖車支撐在槽鋼上；所述第一端部支撐裝置包括豎直方向的第一支撐管，所述第一支撐管的頂部連接有水平布置的第一角度板，所述第一支撐管的底部連接有第一支撐板，所述第一支撐板的內(nèi)側(cè)通過螺栓連接有與所述第一支撐板平行的第一導(dǎo)流板，所述第一導(dǎo)流板的下部設(shè)有多個通孔，所述通孔的數(shù)量和位置分別與試驗時海洋立管模型的數(shù)量和安裝位置相同；每個通孔內(nèi)分別設(shè)有一個萬向聯(lián)軸節(jié)，所述萬向聯(lián)軸節(jié)的一端通過萬向聯(lián)軸節(jié)螺絲固定在第一支撐板上，所述萬向聯(lián)軸節(jié)的另一端與所述海洋立管模型中的第一圓柱接頭連接；所述第二端部支撐裝置包括豎直方向的第二支撐管，所述第二支撐管的頂部連接有水平布置的第二角度板，所述第二支撐管的底部連接有第二支撐板，所述第二支撐板的內(nèi)側(cè)通過螺栓連接有與所述第二支撐板平行的第二導(dǎo)流板，所述第二導(dǎo)流板的下部設(shè)有多個長方形豁口，長方形豁口內(nèi)分別設(shè)有角度卡板或補貼板，所述角度卡板上設(shè)有多個立管安裝孔；該試驗裝置中包括有四套角度卡板，每套角度卡板上的立管安裝孔的軸線與角度卡板厚度方向的夾角分別為O度、15度、30度、45度；所述第二支撐板的外側(cè)設(shè)有多個滑輪，所述滑輪的個數(shù)與試驗時安裝的海洋立管模型的數(shù)量相同，所述滑輪的滑輪座與第二支撐板之間設(shè)有滑輪座墊塊，所述滑輪座墊塊為楔形塊，所述第二支撐板上位于每個滑輪座的下方分別設(shè)有一鋼絲繩過孔；該試驗裝置中包括有三套數(shù)量與滑輪個數(shù)相同的滑輪座墊塊，每套滑輪座墊塊上的斜面與第二支撐板接觸面之間的夾角分別為15度、30度、45度；所述第二導(dǎo)流板的內(nèi)側(cè)固定有一流線型整流罩，所述流線型整流罩罩住所述海洋立管模型一端的軸段；所述主體橫梁上、位于與第二端部支撐裝置的連接端一側(cè)連接有個數(shù)與滑輪個數(shù)相同與拉力傳感器一端連接的固定結(jié)構(gòu)，所述拉力傳感器的另一端依次連接有拉力張緊器和拉力彈簧；分別自每個海洋立管模型中的第二圓柱接頭，穿過第二支撐板上的鋼絲繩過孔后繞過滑輪至拉力彈簧的另一端連接有鋼絲繩；所述鋼絲繩和與之連接的海洋立管模型的軸線在同一平面內(nèi)；所述海底管道模型的中部設(shè)有流速增大裝置，所述流速增大裝置包括流速增大罩和可轉(zhuǎn)動支持裝置，所述流速增大罩包括按水流方向順次布置的增速段和穩(wěn)流段，所述增速段呈喇叭形，所述增速段的進水端為喇叭形的大口端，所述增速段的出水端為喇叭形的小口端，所述穩(wěn)流段的開口大小與喇叭形的小口端大小一致；所述增速段的進水端與出水端的面積比為該流速增大裝置所要增大的流速倍數(shù)；所述穩(wěn)流段設(shè)有用于所述海底管道模型穿過的通孔；所述可轉(zhuǎn)動支持裝置的頂端固定在橫向試驗支持架上，所述可轉(zhuǎn)動支持裝置的底端與所述流速增大罩焊接；所述導(dǎo)線和所述拉力傳感器與所述應(yīng)變采集儀聯(lián)接，所述應(yīng)變采集儀與所述計算機連接。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0010]本發(fā)明解決了局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗中，立管束排布和改變來流傾角和階梯狀流場的問題，增大了部分管道的流速，本發(fā)明可實現(xiàn)大雷諾數(shù)、大長徑比的深海立管束渦激振動試驗觀測，試驗條件更加符合實際海洋工程工況，同時本發(fā)明裝置的設(shè)計簡單，安裝調(diào)試方便，造價低廉，是深海立管束渦激振動試驗研究必不可少的裝置措施，彌補了學(xué)術(shù)界的空白，具有重要的推廣應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0011]圖1是無抑制結(jié)構(gòu)的局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗裝置示意圖；
[0012]圖2是無抑制結(jié)構(gòu)的海洋立管模型兩端的粗圓柱接頭和細(xì)圓柱接頭示意圖；
[0013]圖3是帶有抑制結(jié)構(gòu)的局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗裝置示意圖；
[0014]圖4是帶有抑制結(jié)構(gòu)的海洋立管模型兩端的粗圓柱接頭和細(xì)圓柱接頭示意圖；
[0015]圖5是圖1中所示第一、第二支撐板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖6是圖1中所示導(dǎo)流板及流線型整流罩的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖7是橫向試驗支持架結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0018]圖8是圖7所示橫向試驗支持架的右視圖；
[0019]圖9是角度盤的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖10是橫向試驗支持架與拖車相互位置一的俯視圖；
[0021]圖11是圖10所示橫向試驗支持架與拖車相互位置一的右視圖；