[发明专利]倾角阶梯状来流条件深海张紧式立管束涡激振动试验装置

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试验装置，具体地说，涉及的是一种倾角阶梯状来流条件深海张紧式立管束涡激振动试验装置。

背景技术

立管系统是深海石油开采系统中不可缺少的关键部分。立管连接了海底油气田和海上作业平台，使海上作业平台可以进行钻探、导液、导泥等工作。随着油气开采向深海进军，立管的作业水深也越来越大，在深水区域，波浪和海面船体运动对立管造成的损伤逐渐减弱，但海流成为了造成立管损伤的主要因素。海流的作用水深范围很大，当海流经过海洋立管时，立管后缘将产生交替的漩涡脱落，当漩涡脱落频率与立管自振频率相近时，立管的振动将迫使漩涡脱落频率固定在立管自振频率附近，从而发生“锁定”现象。另外海洋立管并不是单独作业，在实际的工程应用中，多根立管会组成立管束共同作业，因此探究多根立管涡激振动具有重要的理论和现实意义。

目前，学术界对涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。特别是针对立管束的情况，倾角均匀来流条件深海立管束涡激振动特性还不得而知。

研究倾角阶梯状来流条件深海张紧式立管束涡激振动现象的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流的倾角对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，可以发现，整个深度范围内的来流是倾角的阶梯状来流。经对现有的技术文献检索发现，国内外对于倾角来流条件深海张紧式立管束涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流单根立管涡激振动试验已有开展。2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Laboratory measurements of vortex-induced vibrations of a vertical tension riser in a stepped current”(阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测)，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现立管束的涡激振动试验观测，更无法实现倾角的阶梯状来流条件。

发明内容

本发明针对倾角阶梯状来流条件深海张紧式立管束涡激振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究倾角阶梯状来流下立管束涡激振动的试验装置，能够模拟有倾角的阶梯状来流，对深海张紧式立管束开展试验研究，探究其涡激振动机理及来流倾角对涡激振动的影响，为工程实际提供参考和借鉴。