均匀流和阶梯均匀流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置

摘要

一种海洋工程技术领域的均匀流和阶梯均匀流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置，包括：立管模型机构、测量分析系统平台模块、驱动模块、顶部悬臂模块、底部悬臂模块、圆筒轴分段模块和底部支撑模块，立管模型机构固定设置于底部悬臂模块和顶部悬臂模块之间，圆筒轴分段模块垂直置于海洋工程深水池中并分别与底部支撑模块、驱动模块和顶部悬臂模块垂直连接，底部支撑模块固定设置于升降底上，驱动模块分别与圆筒轴分段模块和顶部悬臂模块相连接，顶部悬臂模块的左右两端分别与圆筒轴分段模块相连，测量分析系统平台模块分别与立管模型、顶部悬臂模块以及底部悬臂模块相连。本发明能够模拟实际尺寸立管、均匀或者阶梯流场。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种竖置于海洋工程深水池中柔性立管模型在均匀流下和阶梯流下的涡激振动旋转测试装置。

背景技术

根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流的作用下，悬置于海中的海洋平台立管、拖缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出现涡激振动现象，将会导致柔性管件的疲劳破坏。

由于海洋油气开采向深水推进，深水环境中的立管可视为细长柔性结构，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。目前为止，对柔性管件涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型测试方法。测试中模拟的现象更加接近于自然界中的真实情况，采用先进的测试装置可以保证测试数据的可靠性。通过模型测试的方法可以设计出更好的抑制海洋立管涡激振动的抑振装置。

经过对现有技术的检索发现，目前的涡激振动测试装置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测试。在第14届国际近海与极地工程会议“Proceedings of the Fourteen(2004)International Offshore and PolarEngineering Conference”中的论文“Laboratory Investigation of Long Riser VIVResponse”(长立管涡激振动响应的实验研究)是关于柔性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型测试技术，把柔性立管横置于拖曳水池中，拖车拖动立管模型产生均匀流场。用布置在立管内部的加速度传感器来测量立管的运动，在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。经分析，该测试技术的不足之处在于：1.一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动测试。2.受拖曳海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较小，测得的测试数据较少。3.一般只能模拟均匀流场中立管的涡激振动，不能模拟阶梯流场中立管的涡激振动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种均匀流和阶梯均匀流下竖置立管的涡激振动旋转测试装置，能够模拟实际尺寸立管、均匀或者阶梯流场，且可以长时间置于海洋工程深水池中进行柔性立管模型的涡激振动旋转测试。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：立管模型机构、测量分析系统平台模块、驱动模块、顶部悬臂模块、圆筒轴分段模块、底部悬臂模块和底部支撑模块，其中：立管模型机构固定设置于底部悬臂模块和顶部悬臂模块之间，圆筒轴分段模块垂直置于海洋工程深水池中并分别与底部支撑模块、驱动模块和底部悬臂模块和顶部悬臂模块垂直连接，底部支撑模块固定设置于海洋工程深水池的升降底上，驱动模块分别与圆筒轴分段模块和顶部悬臂模块相连接并输出动力，顶部悬臂模块的左右两端分别与圆筒轴分段模块相连，测量分析系统平台模块分别与立管模型、顶部悬臂模块以及底部悬臂模块相连并接收检测数据。

所述的立管模型机构包括：立管模型、万向节、三分力传感器、滑动轴、连接板、立管固定接头、直线轴承、缓冲弹簧和伺服驱动电机，其中：第一立管固定接头的两端分别与立管模型的顶端和第一万向节的一端相连，第一万向节的另一端固定设置于固定设置于立管固定座上。第二立管固定接头的两端分别与立管模型的底端和第二万向节的一端相连，第二万向节的另一端固定设置于三分力传感器上，直线轴承与滑动轴相连，直线轴承和缓冲弹簧相连。

所述的立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1∶1。

所述的测量分析系统平台模块包括：测量单元、水下录像单元、计算单元和无线传输单元，其中：计算单元设置于海洋工程深水池的拖车机房内并与无线传输单元相连接以传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无线测量信号进行存储和处理。

所述的驱动模块为整个系统提供动力并对装置的转动速度进行精确控制，该驱动模块包括：电机、齿轮传动机构、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴和可调节支撑底座，其中：电机与变速齿轮箱相连接，变速齿轮箱与驱动轴相连接，驱动轴与驱动齿轮相连接，电机、变速齿轮箱、驱动齿轮、驱动轴，都将固定于可调节支撑底座，实现封装。可调节支撑底座安装于海洋工程深水池拖车的钢架上。

所述的变速齿轮箱的减速比为40∶1；所述的该齿轮传动机构的减速比为7。

所述的顶部悬臂模块包括：悬臂、斜拉锁、斜撑和套筒，其中：悬臂上部使用斜拉锁和顶部悬臂圆筒轴相连接，为悬臂提供预应力，悬臂下部使用斜撑和顶部悬臂圆筒轴相连接，悬臂的末端将与立管模型机构中的固定装置连接，数据线通过试件的末端和悬臂进入圆筒轴并通过顶部悬臂圆筒轴向上连接到测量分析系统平台模块，套筒套接于立管模型的右端。

所述的套筒具体套接于立管模型的上端点及整个上部的外侧，使带套筒部分的立管模型在测试装置旋转中不受水流的作用，从而实现模拟阶梯流。当套筒被完全拆除时，整个立管模型各剖面在实验装置旋转中受到均匀水流的作用，又可模拟均匀流场。套筒的固定位置以及长度可以根据需要沿立管模型轴向改变，以模拟不同流场的阶梯均匀流。

所述的悬臂采用预应力矩形钢桁架结构；桁架采用模块设计，整个桁架分段加工，使用矩形板连接，以此改变桁架的长度，以适应在不同的水深情况下使用。

所述的悬臂的长度为18m和9m。

所述的圆筒轴分段模块具体为若干段由连接法兰固定相连的圆筒轴分段机构，每个圆筒轴分段机构的两个端部均环形布置有螺栓孔，圆筒轴分段机构与海洋工程深水池的升降底相垂直。

所述的底部支撑模块包括：底部支撑法兰盘、底部固定轴承、底部固定轴和底部基座，其中：圆筒轴的上部与圆筒轴分段模块或底部悬臂模块连接，圆筒轴的下部与底部固定轴连接，底部固定轴承位于圆筒轴的外部并密封连接，底部固定轴承和底部基座依次固定设置于海洋工程深水池的升降底上。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1.本发明可以实现立管在阶梯来流作用下(有套筒)和均匀来流作用下(无套筒)的涡激振动测试；

2.其旋转装置可以大大延长测试时间，增加了实验数据的准确性；

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；

5.本发明能够更加真实的模拟海洋真实环境的流场，比以往在拖曳海洋工程深水池以及拖船上测试有显著的进步。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

其中：(a)为含套筒，(b)为不含套筒。

图2是驱动模块的结构正视图。

图3是驱动模块结构示意图。

图4是顶部悬臂模块的结构示意图。

图5是顶部悬臂模块中第一悬臂结构的示意图。

图6是底部支撑模块的结构示意图。

图7是立管模型机构中底部固定端的侧视图。

图8是立管模型机构中底部固定端的仰视图。

图9是立管模型机构中顶部固定端的结构示意图。

图10是立管模型机构结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：立管模型机构1、测量分析系统平台模块2、驱动模块3、顶部悬臂模块4、圆筒轴分段模块5、底部悬臂模块6、底部支撑模块7，其中：立管模型机构1固定设置于底部悬臂模块和顶部悬臂模块之间，圆筒轴分段模块5垂直置于海洋工程深水池中并分别与底部支撑模块7、驱动模块3和顶部悬臂模块4垂直连接，底部支撑模块7固定设置于海洋工程深水池的升降底8上，驱动模块3分别与圆筒轴分段模块5和顶部悬臂模块4相连接并输出动力，顶部悬臂模块4的左右两端分别与圆筒轴分段模块5相连，测量分析系统平台模块2分别与立管模型31、顶部悬臂模块4以及底部悬臂底部支撑模块7相连并接收检测数据。

所述的测量分析系统平台模块2包括：测量单元10、水下录像单元11、计算单元12和无线传输单元13，其中：计算单元设置于海洋工程深水池的拖车9机房内并与无线传输单元相连接以传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无线测量信号进行存储和处理。

如图2和图3所示，所述的驱动模块3包括：变速齿轮箱14、伺服驱动电机15、传递齿轮16、驱动轴17、可调节支撑底座18和驱动齿轮19，其中：伺服驱动电机15与变速齿轮箱14相连接，变速齿轮箱14与驱动轴17相连接，驱动轴17与驱动齿轮18相连接，伺服驱动电机15、变速齿轮箱14、驱动齿轮18、驱动轴17，都将固定于可调节支撑底座，实现封装。可调节支撑底座安装于海洋工程深水池拖车9的钢架上。

所述的变速齿轮箱的减速比为40∶1。

所述的齿轮传动机构的减速比为7。

如图4所示，所述的顶部悬臂模块4包括：斜拉锁20、第一悬臂21、斜撑22、顶部悬臂圆筒轴23和套筒42，其中：第一悬臂21上部使用斜拉锁20和顶部悬臂圆筒轴23相连接，为第一悬臂提供预应力，第一悬臂21下部使用斜撑22和顶部悬臂圆筒轴23相连接。第一悬臂21的末端将与立管模型机构1中的顶端固定装置连接。

如图5所示，第一悬臂21采用预应力矩形钢桁架结构。桁架分段间使用连接板连接。桁架的腹杆和弦杆的尺寸分别为，腹杆：外径0.05m，厚度0.004m，弦杆：外径0.03m，厚度0.004m。所述的第一悬臂长度为18m。

所述的底部悬臂模块包括：第二悬臂、桁架。底部悬臂模块的第二悬臂和桁架结构与顶部悬臂模块类似。所述的第二悬臂长度为9m。

所述的套筒42具体套接于立管模型的上端点及整个上部的外侧，使带套筒部分的立管模型在测试装置旋转中不受水流的作用，从而实现模拟阶梯流。当套筒被完全拆除时，整个立管模型各剖面在实验装置旋转中受到均匀水流的作用，又可模拟均匀流场。

如图6所示，所述的底部支撑模块7包括：圆筒轴连接法兰盘24、圆筒轴25、底部支撑法兰盘26、底部固定轴承27、底部固定轴28和底部基座29，其中：圆筒轴25上部通过连接法兰盘24与圆筒轴分段模块5或底部悬臂模块6连接，下部通过底部支撑法兰盘26与底部固定轴28连接，然后将整体插入到底部固定轴承27内，轴承实现油密，底部固定轴承27焊接在底部基座29上，底部基座29通过30个高强度螺丝与海洋工程深水池升降底8连接。

所述的圆筒轴分段模块5具体为若干段由连接法兰固定相连的圆筒轴分段机构，每个圆筒轴分段机构的两个端部均环形布置有螺栓孔，圆筒轴分段机构与海洋工程深水池的升降底8相垂直。

如图7、图8、图9和图10所示，所述的立管模型机构1包括：连接板30、缓冲弹簧31、直线轴承32、滑动轴33、三分力传感器34、万向节35、立管固定接头36、立管模型37、驱动伺服电机38、轨道39、滑块40、立管固定座41。万向节35、立管固定接头36在立管模型37底端和顶端各设一个。其中：第一立管固定接头36的两端分别与立管模型37的顶端和第一万向节35的一端相连，第一万向节35的另一端固定设置于立管固定座上。第二立管固定接头36的两端分别与立管模型37的底端和第二万向节35的一端相连，第二万向节35的另一端固定设置于三分力传感器34上，直线轴承32与滑动轴33相连缓冲弹簧31和直线轴承32相连。

所述的立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1∶1。

本装置通过以下方式进行测试：先根据海洋工程深水池的尺寸、管件的实际尺寸、测试工况的具体情况和测试的经济性选择合适的模型缩尺比和测试工况。按照整个测试装置得强度控制要求以及振动控制要求确定各个模块的具体尺寸和材料。各模块准备好后具体的安装过程如下。

在地面组装底部支撑模块7，组装完成后升高海洋工程深水池的升降底8，将底部支撑模块7的底座30用螺栓固定在升降底8上。然后适当降低升降底8安装底部悬臂模块6，然后将立管模型机构1也就是测试管件的一端用万向连轴器固定在底部悬臂模块6上，另一端搭在池壁上，数据线从连接装置穿过横梁进入圆筒轴中，降低升降底8。根据测试管件的长度要求确定圆筒轴分段模块5的长度，然后将圆筒轴分段模块5用小车吊至海洋工程深水池中央进行吊装。在安装上述模块得同时，在地面组装测量分析系统平台模块2、驱动模块3、顶部悬臂模块4。圆筒轴分段模块5安装完成后吊装顶部悬臂模块4，各模块之间的连接采用法兰连接，数据线从连接装置穿过横梁进入圆筒轴中。顶部悬臂模块4吊装完成后，将立管模型机构1测试管件的另一端穿过套筒固定在顶部悬臂模块4的连接模块上。安装完成后，用小车将3吊至顶部悬臂模块4正上方，顶部悬臂模块4与驱动模块3的连接要特别注意精度控制，连接后将驱动模块3用螺栓固定在小车上。最后安装测量分析系统平台模块2，将圆筒轴中的数据线连接到测量分析系统平台模块2上。

在测量分析系统平台模块2中的计算机上安装好计算机实时分析软件和图像处理软件，然后将从测试管件两端导出来的数据线连接到电脑上。同时将测试装置中的测量仪器导出来的电源线接上电源。

整体安装完成后调试装置。调试完成后就可以根据具体工况和测试技术要求启动测试装置进行测试。