[发明专利]一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋立管振动特性研究领域，具体涉及一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法。

背景技术

海洋立管是连接海洋油气生产平台与水下井口或海底管道的生命线，承担着海洋油气正常采输的重任。海底管道建设成本高，多采用油气混输方式，管内流体属于气液两相流，最常见的流型为段塞流。段塞流进入立管后，不仅会使管内压力和出口流量呈现周期性剧烈波动，还会诱导管线振动，缩短立管的使用寿命，甚至会引发立管的疲劳破坏，严重影响安全生产。为了减轻和抑制振动对海洋立管造成的损害，需要更深入地了解管内段塞流的流动规律以及段塞流诱导海洋立管振动的机理。目前实验研究流致振动的方法主要是在管道上粘附应变片、加速度传感器或光纤光栅传感器等，通过测量应变、位移等反映管道的振动响应。而研究管内段塞流型的方法从最初的肉眼观察发展到譬如电容层析成像仪捕捉成像等。但至今尚未出现针对海洋立管同步监测管内段塞流特征及段塞流诱导立管振动的实验装置及方法。

发明内容

本发明的目的是，针对现有实验装置及方法存在的不足，提出一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置由供气系统、供液系统、实验测试管段、数据采集系统四部分组成。供气系统由气泵、储气罐、进气阀、球形气体流量计组成，并通过输气管线依次连通。气泵将压缩后的空气泵入储气罐内，以获得稳定的气流，储气罐出口设置进气阀以调节流量，由球形气体流量计监测气体流量。

供液系统由水箱、水泵、进液阀、液体电磁流量计组成，并通过输液管线依次连通。水箱储存足量的供实验循环的液体，水泵从水箱中抽吸液体泵入下游管线，水泵出口设进液阀调节流量，由液体电磁流量计监测液体流量。

输气管线末端与输液管线末端通过Y形三通连接至下游管线。Y形三通出口经一段水平管路后与实验测试管段相接，以保证气液两相流充分发展，避免在实验测试管段入口产生端口效应。

实验测试管段由一段悬挂透明管和套在其外侧均匀分布的五个标定件组成，悬挂透明管的上、下端由固定压板固定。标定件为边长D₁的正方体，中间开有直径为D₂的圆柱形通孔，正方体四个侧面涂有直径为D₃的黑色圆形。气液两相流从悬挂透明管底端流入，由上端流出。实验测试管段经管线连接至水箱上方，且水箱上方管线出口高于液面，以实现气液分离。液体落入水箱，构成循环回路。

数据采集系统由仰视高速摄像机、正视高速摄像机、五个压力传感器、两个压力数据存储器和采集终端组成。仰视高速摄像机安装在实验测试管段下侧，用于拍摄实验测试管段的横向振动；正视高速摄像机正对实验测试管段，用于测试其纵向和垂向振动。进气管压力传感器和进液管压力传感器分别安装在输气管线末端和输液管线末端，用于监测混合前输气管线和输液管线的压力；进气管压力传感器和进液管压力传感器连接混合前支管压力数据存储器，以储存监测数据。实验测试管段上安有三个压力传感器，分别位于测试管段底端、中段和顶端，用于监测悬挂透明管内流体在不同位置的压力变化；三个压力传感器连接测试管段压力数据存储器，以储存监测数据。高速摄像机拍摄的视频图像和压力数据存储器储存的数据统一储存于采集终端，用于处理分析。

利用上述的监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验装置可以提供一种监测段塞流及其诱导柔性立管振动的实验方法。调节高速摄像机景深和光圈，使其可以清晰辨认五个标定件的黑色圆形。在水箱中加入染色剂，使液体染色，提高气液对比度。打开气泵、水泵，调节进气阀和进液阀，使实验测试管段内出现稳定的段塞流。同时启动两台高速摄像机和五个压力传感器，同步捕捉标定件黑色圆形的位移和监测五个压力测试点的压力。监测足够长时间后，停止监测。高速摄像机按一定时间间隔记录了实验测试管段的图像，每一帧图片都可以辨识管内段塞位置、尺寸以及标定件上黑色圆形的位置。利用标定件黑色圆形的实际直径和其在图像上所占的像素单元，可以将图像尺寸与实际尺寸关联，由此得到每帧图像对应的段塞实际长度、位置及标定件黑色圆形的圆心位置。按时间序列将每帧图像处理后，可得到段塞的运移速度和标定件黑色圆形圆心的位移响应。由五个标定件黑色圆形的圆心位移数值，可以得到对应实验测试管段五个不同位置的振动情况。

本发明还包括：