[发明专利]深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种细长柔性立管涡激振动模型实验装置，特别是关于一种深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置。

背景技术

海洋立管结构被广泛用于海洋油气资源的开采，是海底井口与上部工程设施之间的重要连接构件，用于油气资源和各种钻井液的输送。近年来，伴随着海洋油气资源的开采逐步走向深海海域，海洋立管结构的长细比不断加大，柔性特征更加明显。在深海区域更加复杂的水流和波浪等外部环境载荷的长期作用下，极易发生破坏。其中，涡激振动是细长柔性立管发生疲劳破坏的重要因素之一。当粘性流体经过非流线型截面物体时，由于负压梯度和强剪切边界层的存在，会在物体的尾流区内形成漩涡的交替脱落，由此产生的周期性流动作用力会导致物体发生振动。当涡旋的脱落频率与结构的固有频率比较接近时，立管结构会发生大幅的共振响应。为了降低涡激振动的破坏力，首先必须深入认识深海细长柔性立管的涡激振动机理。开展细长柔性立管模型的涡激振动实验是非常有效的研究手段之一，它能够帮助解决数值方法中遇到的诸多困难，形成覆盖范围更大、准确性更高的涡激振动力系数数据库，直接服务于实际的深海油气资源开采工程。

目前，国外许多研究机构开展了不同材料、结构形式和模型比的柔性杆件涡激振动实验研究。比如：麻省理工学院Vandiver教授研究组在2004年和2006年分别在湖泊和海洋中开展了细长柔性立管涡激振动的野外现场实验，这两个实验在立管的端部采用了万向铰、张力计、倾角计的组合装置；ExxonMobil石油公司于2003年将立管模型固定在可旋转的支架上研究了均匀流和剪切流作用下的立管涡激振动，其端部固定装置采用弹簧系统装置；2003年，MARINTEK在执行NDP(Norwegian Deepwater Programme)项目过程中，在室内水池中开展了细长柔性立管涡激振动实验，立管模型端部采用万向铰与重块连接的方式。但是以上这些具有代表性的实验工作由于研究目标和内容各不相同，因此在具体的立管模型端部设置方法上均存在较大的差别，特别是在立管模型的端部约束形式和张力控制等方面与实际工程问题存在较大的差异，而这种差异主要取决于立管模型端部固定装置的设计与安装形式上。立管模型的端部固定装置若不够牢靠，势必引起立管模型在实验中的安全性和稳定性问题，特别是会使立管模型发生绕其轴线的扭转，造成顺流和横流方向应变测量信号的混淆，难以确保得到真实的涡激振动实验测量数据；另一方面，立管模型的端部约束方式应尽量体现上部平台结构一般都具有的垂向升沉和水平往复运动等实际情况，否则模型实验的结果将不能真实反映实际工程问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种牢靠稳定的深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，该端部固定装置能够在实验室内真实有效模拟细长柔性立管涡激振动特性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深海细长柔性立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，其特征在于：它包括一拖车、一左支撑装置、一右支撑装置、一滑动机构、一定滑轮和一张力系统；所述拖车两端部的车轮均设置在轨道上，所述拖车的其它部分悬空；所述左支撑装置为一由三块钢板焊接形成形一体结构，且横向固定设置在所述拖车上悬空部分的左端，所述右支撑装置纵向固定设置在所述拖车上悬空部的右端；所述滑动机构包括一基座，所述基座通过螺栓与所述左支撑装置底部的钢板固定连接，所述基座通过螺栓固定连接两对相对的套环，正对的二所述套环内套设有一滑轨，所述滑轨上穿设有一与所述右支撑装置相对的“T”字型滑块；所述滑块与所述右支撑装置之间设置有一立管模型；所述左支撑装置底部钢板的外侧固定连接有一横向的板条，所述板条的表面固定有一轴，该轴穿过所述定滑轮；所述张力系统包括在所述左支撑装置外侧钢板上沿竖直方向串接的一张力计、一张紧器和一弹簧，所述滑块通过一钢丝绳绕过所述定滑轮与所述弹簧连接。

所述右支撑装置为一长方形钢板。

所述滑动机构中滑块上的横板套设在所述滑轨上，所述滑块上的纵板与所述右支撑装置相对，所述纵板的内侧面通过一万向铰与所述立管模型活动连接，所述纵板的外侧面通过所述钢丝绳连接所述张力系统中的弹簧。

所述滑块上的横板与纵板之间设置有稳定所述滑块结构用的二支撑杆。

所述右支撑装置通过一万向铰与所述立管模型活动连接。

所述万向铰与所述纵板和右支撑装置均采用螺纹螺丝的连接，所述万向铰与立管模型之间采用一自制构件连接。

所述自制构件的一端为与所述立管模型连接的螺栓，另一端为与所述万向铰连接的螺纹螺丝。