[发明专利]一种深水顶张式立管的几何刚度试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋深水立管的研究试验方法，具体涉及一种深水顶张式立管的几何刚度试验方法。

背景技术

深水顶张式立管是深水海洋立管的一种主要类型，立管的下端与海底井口连接，管壁张力直接作用在井口上，而管内的流体源源不断地从海底穿过立管流向浮式平台。深水顶张式立管的弯曲刚度包括弹性抗弯刚度和张力引起的几何刚度，其中几何刚度是基于梁的复杂弯曲理论计算的。而梁的复杂弯曲理论是建立在对实心梁力学模型分析的基础上的，其张力完全由梁的横截面纤维承担。但是，立管是空心的，内部充满液体，液体不能承担任何张力，且形状随容器形状改变。因此，液体的作用与实心梁的固体纤维作用是完全不同的。液体不仅不能承受立管的轴向张力，且也不能对管壁形成任何固体纤维的约束和挤压作用。因此，立管的几何刚度应采用管壁张力计算。

但是，目前的深水顶张式立管几何刚度是采用立管横截面的有效张力计算，具体计算公式如下：

[KG]=Te∫0l[N′]T[N′]dx---(1)]]>

式中：[K_G]为几何刚度矩阵；

T_e为有效张力；

[N]为立管的单元插值函数；

l为立管的单元长度。

而有效张力是基于浮力原理和平衡条件推导的理论公式计算得到的，如下式：

T_e＝T_w-p_iA_i+p₀A₀                (2)

式中：T_w为立管管壁张力；

p_i，p₀分别为立管的内、外压力，其中p_i不包括静水头压力；

A_i，A₀分别为立管的内、外壁横截面积。

上述计算方法的不合理之处是将液体作为固体来看待，从而导致现有立管几何刚度计算的不尽合理。立管的几何刚度应该采用管壁张力还是有效张力计算已经受到国内外学者的关注，而解决该问题的唯一方法是试验研究。目前，尚没有人完成立管的几何刚度试验研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深水顶张式立管几何刚度试验方法，从而解决深水顶张式立管几何刚度的合理计算问题。

本发明的技术方案如下：一种深水顶张式立管的几何刚度试验方法，该方法将模型管线与供水管线系统连通，将模型管线的上端或下端通过弹簧拉力计连接到试验用的反力架上，在模型管线外部设置外压水筒，在模型管线上贴设用于测量模型管线的壁张力和振动响应的应变片，并设置用于测量管线内压的压力表，然后进行如下试验：

(1)向模型管线内充水，并保持模型管线的水不流动，应变片的应变为零；

(2)张紧弹簧拉力计，使模型管线被张紧，通过应变片测出模型管线的应变，应变应介于500～1500，此时模型管线截面的有效张力等于管壁张力；

(3)记录弹簧拉力计和应变片的读数，然后扰动模型管线，使其产生自由振动，记录下应变片随时间变化的数据，即应变时程；

(4)对步骤(3)记录下的应变时程作谱分析，求出有效张力等于管壁张力时的模型管线固有频率f₁；

(5)释放弹簧拉力计，使模型管线的应变减小至零；增加模型管线内的水压力，使水压力增大至应变片的读数与步骤(2)中施加张力产生的应变相等，即管壁张力与步骤(2)的管壁张力相等；