模拟海底管土与剪切流的深海细长立管动力响应测试装置

摘要

本发明公开了模拟海底管土与剪切流的深海细长立管动力响应测试装置，本发明可以实现立管在剪切流作用下的涡激振动测试；可以模拟不同刚度海床下立管受到顶部平台影响后的运动情况；可以充分利用海洋工程深水池的深度模拟大型管件的实雷诺数涡激振动；可以充分利用海洋工程深水池的宽度在大型管件周边布置实时监控设备，根据不同需要对模型的形状进行调整；采用模块化设计，优点在于便于安装，便于升级与更改，并满足不同的功能要求；能够模拟立管在变底部类剪切流作用下的运动，进行更为真实的涡激振动测试。

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程领域，具体地涉及一种可模拟海底管土作用与剪切流 共同影响的测量细长立管动力响应，同时监测涡激振动(VIV)的实验装置。

背景技术

在风浪流的作用下，海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往 复运动，从而在立管运动方向上产生相对振荡来流，这种振荡来流将激励立管 悬垂段发生“间歇性”的涡激振动。在浮体运动和环境载荷作用下，立管与海 床的相互作用，会使立管产生非常大的弯曲应力，容易发生疲劳破坏。近几年 来，随着深海石油系统的开发，工程上开始大量采用悬链式立管。深水环境中 的立管可视为细长柔性结构，此时小变形理论不再适用，这使得立管的涡激振 动问题更加突出，因此对于细长柔性立管顶部平台与海床作用下的整体涡激振 动响应特性的分析是其能否应用于工程实践的关键所在。

以往预报细长海洋结构物的涡激振动危害最常用的方法是数值计算 SHEAR7、VIVA、VIVANA，这种通过理论公式来预测荷载和响应的方法至今仍具 有很大的不确定性。目前为止，对柔性管涡激振动现象的研究最重要的方法之 一就是模型试验方法。模型试验中观察到的现象更接近于自然界的真实情况。 通过对现有技术的检索，立管模型试验一般在拖曳海洋工程深水池中进行， 有的在环形水槽中进行，有的用拖船拖动立管进行涡激振动的测试。发表于 “Applied Ocean Research(2013)”43刊中的论文“Exper iments with a  steel catenary ri ser model in a towing tank”(拖曳水池中的细长柔性立 管模型实验)，在拖曳水池中通过运行与立管相连接的车厢来模拟立管周围的 稳定流场，在立管上安装微型加速度测量仪监测立管的状态。分析此种测试 技术，发现其不足点在于：1、考虑到拖曳水池的深度，一般只能模拟小尺度 管件的涡激振动，难以有效地进行实雷诺数下的涡激振动测试2、无法通过 实验模拟立管与海床的相互作用3、不易于布置立管周围的水下监控设备，在 进行缓波型立管模型测试时不能调节立管的形状4、不能进行一定流速下的 强迫振荡实验5、在实验中安装立管过程较复杂6、不能有效模拟海洋平 台的运动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供模拟海底管土与剪切流的深海细长立管 动力响应测试装置，旨在分析细长柔性立管在变底部类剪切流作用下的整体涡 激振动响应特性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供模拟海底管土与剪切流的深海 细长立管动力响应测试装置，包括深海立管模块、顶部边界模块、底部边界模 块、固定模块、顶部滑动模块、底部沙板模块和测量分析控制模块，所述顶 部边界模块通过螺丝和深海立管模块相连接，所述顶部边界模块固定在固定模 块上，所述底部边界模块通过螺丝I与所述深海立管模块相连接，所述固定模 块中的一端安装在顶部滑动模块上，所述底部滑动模块的底端连接在底部边界 模块上，所述测量分析控制模块放置于拖车上，所述深海立管模块包括深海立 管模型和光纤传感器，所述光纤传感器设置在所述深海立管模型上，所述深海 立管模型的顶端和顶部边界模块相连接，所述深海立管模型的底部和底部边界 模块相连接，所述的顶部边界模块包括顶部夹具外缘、螺丝、顶部夹具底板、 第一垫板、第一万向节固定板、第一万向节转动装置，第二万向节固定板、第 一三分力仪固定板、第一三分力仪、第一调整组件和第一楔块，所述顶部夹具 外缘通过螺丝和深海立管模型相连接，两者在同一平面内，所述顶部夹具底板 与所述顶部夹具外缘固接，所述顶部夹具底板与通过螺丝与所述第一垫板相 连，所述第一万向节固定板与第一垫板和第一万向节转动装置相连接，所述第 一万向节转动装置与第一万向节固定板和第二万向节固定板固接，，所述第二 万向节固定板和三分力仪固定板一侧连接，所述三分力仪固定板的另一侧和三 分力仪连接，所述三分力仪的末端与第一调整组件相连接，所述第一调整组件 的另一侧固接在第一楔块上，所述的底部边界模块包括底部夹具外缘、螺丝I、 底部夹具底板、第二垫板、第三万向节固定板、第二万向节转动装置、第四万 向节固定板、第二三分力仪固定板、第二三分力仪和底部固定板，所述底部夹 具外缘通过螺丝I与所述深海立管模型相连接，两者在同一平面内，所述底部 夹具底板与所述底部夹具外缘固接，所述底部夹具底板与第二垫板固接，所述 第三万向节固定板与第二垫板和第二万向节转动装置相连接，所述第二万向节 转动装置与第三万向节固定板和第四万向节固定板固接，所述第四万向节固定 板和第二三分力仪固定板一侧连接，所述三分力仪固定板的另一侧和三分力仪 连接，所述三分力仪的末端与底部固定板相连接，所述固定模块包括整流罩， 垂直固定板和垂直固定块，所述的顶部滑动模块包括第一动力组件、第一法兰 装置、第一滑块、第一导链、第一滑动轨道和第一支撑架，所述的垂直固定板 安装在第一滑块上，所述垂直固定板上滑动安装有垂直固定块，两侧分别安装 有整流罩，所述垂直固定块与第一楔块相固接，所述第一动力组件通过第一法 兰装置与第一滑动轨道相连接，所述第一动力组件的旋转轴通过第一导链连接 至第一滑块上，所述第一滑块滑动支撑在第一滑动轨道上，并且与垂直固定板 相连接，所述第一支撑架固接在测量分析控制模块上，使其可以连动，所述的 底部沙板模块包括变沙板面板、面板补板、面板连接块、第二动力组件、第二 法兰装置、第二连接块、第二导链、底部固定轨道和第二支撑架，所述变沙板 面板的底端连接在底部固定板上，所述面板连接块焊接在变沙板面板的正下 方，并与两块面板补板相连接，所述面板补板焊接在第二连接块上，所述第二 动力组件通过第二法兰装置与底部固定轨道相连接，所述第二动力组件的旋转 轴通过第二导链连接至第二连接块上，所述第二连接块滑动支撑在底部固定轨 道上，所述第二支撑架支撑在水池假底上。

其中，所述底部固定板焊接在变沙板面板上。

其中，所述第一楔快的侧面固定在所述垂直固定块上。

其中，所述测量分析控制模块包括数据采集处理器、运动控制器和显示器， 所述数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块中的三分力仪和底部边界 模块中的单分力仪，以及光纤传感器相连接，其输出端与显示器相连接；所述 运动控制器包括运动控制输出窗口和图像显示端口，所述运动控制输出窗口与 所述顶部滑动模块的第一动力组件以及所述底部沙板模块的第二动力组件相 连接，所述图像显示端口与显示器相连接

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明可以实现立管在剪切流作用下的涡激振动测试；

2、本发明可以模拟不同刚度海床下立管受到顶部平台影响后的运动情况；

3、本发明可以充分利用海洋工程深水池的深度模拟大型管件的实雷诺数 涡激振动；

4、本发明可以充分利用海洋工程深水池的宽度在大型管件周边布置实时 监控设备，根据不同需要对模型的形状进行调整；

5、本发明采用模块化设计，优点在于便于安装，便于升级与更改，并满 足不同的功能要求；

6、本发明能够模拟立管在变底部类剪切流作用下的运动，进行更为真实 的涡激振动测试。

附图说明

图1是本发明提供的实验装置的结构示意图。

图2是本发明提供的实验装置的顶部结构图。

图3是本发明提供的实验装置的底部结构图。

图4是本发明提供的深海立管模块的结构示意图。

图5是本发明提供的顶部边界模块的结构示意图。

图6是本发明提供的底部边界模块的结构示意图。

图7是本发明提供的固定模块的侧视图。

图8是本发明提供的顶部滑动模块的结构示意图。

图9是本发明提供的顶部滑动模块的侧视图。

图10是本发明提供的底部沙板模块的结构示意图。

图11是本发明提供的底部沙板模块的局部示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附 图及具体实施例进行详细描述。

如图1-11所示，本发明实施例提供了模拟海底管土与剪切流的深海细长立 管动力响应测试装置，其特征在于，包括深海立管模块1、顶部边界模块2、底 部边界模块3、固定模块4、顶部滑动模块5、底部沙板模块6和测量分析控 制模块7，所述顶部边界模块2通过螺丝11和深海立管模块1相连接，所述 顶部边界模块2固定在固定模块4上，所述底部边界模块3通过螺丝I 22与 所述深海立管模块1相连接，所述固定模块4中的一端安装在顶部滑动模块5 上，所述底部滑动模块6的底端连接在底部边界模块3上，所述测量分析控制 模块7放置于拖车上，所述深海立管模块1包括深海立管模型9和光纤传感器 8，所述光纤传感器8设置在所述深海立管模型9上，所述深海立管模型9的 顶端和顶部边界模块2相连接，所述深海立管模型9的底部和底部边界模块3 相连接，所述的顶部边界模块2包括顶部夹具外缘10、螺丝11、顶部夹具底 板12、第一垫板13、第一万向节固定板14、第一万向节转动装置15，第二万 向节固定板16、第一三分力仪固定板17、第一三分力仪18、第一调整组件19 和第一楔块20，所述顶部夹具外缘10通过螺丝11和深海立管模型9相连接， 两者在同一平面内，所述顶部夹具底板12与所述顶部夹具外缘11固接，所述 顶部夹具底板12与通过螺丝11与所述第一垫板13相连，所述第一万向节固 定板14与第一垫板13和第一万向节转动装置15相连接，所述第一万向节转 动装置15与第一万向节固定板14和第二万向节固定板16固接，，所述第二万 向节固定板16和三分力仪固定板17一侧连接，所述三分力仪固定板17的另 一侧和三分力仪18连接，所述三分力仪18的末端与第一调整组件19相连接， 所述第一调整组件19的另一侧固接在第一楔块20上，所述的底部边界模块3 包括底部夹具外缘21、螺丝I 22、底部夹具底板23、第二垫板24、第三万向 节固定板25、第二万向节转动装置26、第四万向节固定板27、第二三分力仪 固定板28、第二三分力仪29和底部固定板30，所述底部夹具外缘21通过螺 丝I 22与所述深海立管模型9相连接，两者在同一平面内，所述底部夹具底 板23与所述底部夹具外缘21固接，所述底部夹具底板23与第二垫板24固接， 所述第三万向节固定板25与第二垫板24和第二万向节转动装置26相连接， 所述第二万向节转动装置26与第三万向节固定板25和第四万向节固定板27 固接，所述第四万向节固定板27和第二三分力仪固定板28一侧连接，所述三 分力仪固定板28的另一侧和三分力仪29连接，所述三分力仪29的末端与底 部固定板30相连接，所述固定模块4包括整流罩31，垂直固定板32和垂直 固定块33，所述的顶部滑动模块5包括第一动力组件34、第一法兰装置35、 第一滑块36、第一导链37、第一滑动轨道38和第一支撑架39，所述的垂直 固定板32安装在第一滑块36上，所述垂直固定板32上滑动安装有垂直固定 块33，两侧分别安装有整流罩31，所述垂直固定块33与第一楔块20相固接， 所述第一动力组件34通过第一法兰装置35与第一滑动轨道38相连接，所述 第一动力组件34的旋转轴通过第一导链37连接至第一滑块36上，所述第一 滑块36滑动支撑在第一滑动轨道38上，并且与垂直固定板32相连接，所述 第一支撑架39固接在测量分析控制模块7上，使其可以连动，所述的底部沙 板模块6包括变沙板面板40、面板补板41、面板连接块42、第二动力组件43、 第二法兰装置44、第二连接块45、第二导链46、底部固定轨道47和第二支 撑架48，所述变沙板面板40的底端连接在底部固定板30上，所述面板连接 块42焊接在变沙板面板40的正下方，并与两块面板补板41相连接，所述面 板补板41焊接在第二连接块45上，所述第二动力组件43通过第二法兰装置 44与底部固定轨道47相连接，所述第二动力组件43的旋转轴通过第二导链 46连接至第二连接块45上，所述第二连接块45滑动支撑在底部固定轨道47 上，所述第二支撑架48支撑在水池假底上。

所述底部固定板30焊接在变沙板面板40上。

所述第一楔快20的侧面固定在所述垂直固定块33上。

所述测量分析控制模块7包括数据采集处理器、运动控制器和显示器，所 述数据采集处理器的输入端与所述顶部边界模块中的三分力仪和底部边界模 块中的单分力仪，以及光纤传感器相连接，其输出端与显示器相连接；所述运 动控制器包括运动控制输出窗口和图像显示端口，所述运动控制输出窗口与所 述顶部滑动模块的第一动力组件以及所述底部沙板模块的第二动力组件相连 接，所述图像显示端口与显示器相连接。

本装置具体实施的工作原理：试验时将光纤传感器四向均匀布置在深海立 管模块上，并在立管上套上热缩管(必要时可以加浮力块)，立管的两端分别 连接在顶部边界模块和底部边界模块上，它们分别与固定模块，顶部滑动模块 和底部沙板模块相连接，试验时，依靠假底的升降和拖车的移动，使得立管模 型到达指定的位置，呈现指定的形态，立管在给定来流下运动，立管的运动由 高速摄像机记录，应变由光纤传感器测量，并将数据传给电脑进行后处理，由 于底部是沙板模块，所以可以模拟海洋底部的沙土环境，另外在模拟剪切流的 情况下，可以将立管底部的一段套住，使其不受海水的冲击。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。