[发明专利]一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置

说明书

本发明公开了一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置，包括供水系统、供气系统、立管系统、数据采集系统和图像摄制监测系统；所述供气系统和供水系统均与气液混合器相连，所述气液混合器之后依次通过水平管段和下倾管段与立管系统相连，所述立管系统顶部设置有与供水系统连通的供水管路；所述数据采集系统用于对各管路上的动态数据信号进行采集，所述图像摄制监测系统用于对各管路上的流型流态进行监测。本发明根可用于立管系统中流体与立管耦合振动的研究，对海洋立管系统的疲劳损伤与寿命预测，支承防护，抑振、抗震设计及建造都具有重要意义。

技术领域

本发明属于海洋油气开采技术领域，尤其涉及一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置。

背景技术

随着陆地油气资源日益枯竭，海洋油气资源的开发力度日渐加大。我国南海海域油气储量巨大，属于世界四大海洋油气资源富集区之一，有“第二个波斯湾”之称。海洋俨然变成了我国油气资源开发的重要潜在区域。在海洋石油开采中，海洋立管是浮式生产系统用于向船或平台传送流体的基本装置，海洋立管的功能可以简单地划分为：钻井、完井、生产/注入、输出。海洋立管是最重要的装置，同时也是薄弱、易损的结构之一。

流体通过海洋立管系统时，流体密度、压力等参数随时间变化，可能引起管道的参数共振和组合共振；同时随着海洋石油装备技术水平的发展，立管长度越来越长，挠度和柔性大，易于发生振动。管道振动会引起管道及相关设备的疲劳损伤，极易导致生产系统破坏，造成物料泄露，进而造成重大的经济损失，引起严重的环境污染和次生灾害。在此，气液两相流管道的流固耦合作用是非常关键的一个因素，然而流固耦合作用机理非常复杂，很难理论化地描述，这使得流体诱发管道动力响应的特性很难预测，管道破坏的潜在危险难以排除。因此，开展海洋立管系统流固耦合振动特性的研究，对海洋立管系统的疲劳损伤与寿命预测，支承防护，抑振、抗震设计及建造都具有重要意义。

发明内容

针对海洋油气开采的过程中立管的振动响应特性，本发明提供了一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置。针对常见的海洋立管形式，本实验装置分别设计了垂直式立管、自由悬链式立管和S型立管。针对每种立管形式，分别进行单相流与立管耦合振动和两相流与立管耦合振动的实验，得到不同工况下立管段底部弯管段瞬态冲击动力响应和竖直方向和水平方向的振动特性，为海洋立管的失效进行风险评估提供依据，实现海洋油气的安全、高效开采。

为了实现上述功能，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置，包括供水系统、供气系统、立管系统、数据采集系统和图像摄制监测系统；所述供气系统和供水系统均与气液混合器相连，所述气液混合器之后依次通过水平管段和下倾管段与立管系统相连，所述立管系统顶部设置有与供水系统连通的供水管路；所述数据采集系统用于对各管路上的动态数据信号进行采集，所述图像摄制监测系统用于对各管路上的流型流态进行监测。

进一步地，所述供气系统包括压缩机和供气管路，所述压缩机通过供气管路依次连接有第一气体缓冲罐和气体流量计以及第一压力变送器；

所述供水系统包括储水罐和供水管路，所述储水罐通过供水管路依次连接有离心泵和流体流量计；

所述供气管路和供水管路通过气液混合器汇合成气液混合管路，所述气液混合管包括水平管段和连接水平管段之后的下倾管段，所述下倾管段上依次设置有第二气体缓冲罐、第一双平行电导探针和第二压力变送器，之后所述下倾管段与立管系统连接，所述立管系统上设置有多个压力变送器和多个位移传感器；所述立管系统顶部出口处设置有第二双平行电导探针，且所述立管系统顶部通过供水管路连接有气液分离器，所述气液分离器再通过供水管路与储水罐连通，进而构成供水环路；所述第一双平行电导探针和第二双平行电导探针中每双电导探针互相平行且相距为5mm；