專利名稱：一種鋼懸鏈線立管觸底振動實驗方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種振動實驗方法及系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種鋼懸鏈線立管觸底振動 實驗方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鋼懸鏈線立管是水下生產(chǎn)系統(tǒng)和浮式平臺之間最常用的連接管道。受浮式平臺升 沉運動影響，鋼懸鏈線立管的觸底段與海床之間始終處于動態(tài)接觸狀態(tài)，極易引發(fā)疲勞損 傷，給鋼懸鏈線立管的設(shè)計及投產(chǎn)后的運營安全帶來困難和隱患。鋼懸鏈線立管觸底段與 海床之間管土作用關(guān)系復(fù)雜，相應(yīng)的實驗成為該領(lǐng)域研究的必要手段。進(jìn)行全尺寸的鋼懸鏈線立管接地實驗非常困難，有研究利用西英格蘭Watchet海 港的海岸海床落差實現(xiàn)了全尺寸的懸鏈線立管接地實驗。實驗過程中，首先必須在鋼懸鏈 線立管上選取一個截斷點，該截斷點的位置指的是整個鋼懸鏈線立管原型運動過程中最大 限度靠近海床而不接觸海床的位置，若在截斷點處施加位移載荷，自然能夠較好地模擬浮 體升沉運動帶來的立管響應(yīng)(包括管土作用響應(yīng))。但是該實驗存在耗資過大、周期過長、 且受地理條件限制的顯著缺點，同時無法考察海床附近海流的阻尼影響及不同性狀海床基 土的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠同時考察海床附近海流對鋼懸鏈線 立管的阻尼影響和不同性狀海床基土對鋼懸鏈線立管影響的鋼懸鏈線立管觸底振動實驗 方法及系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗 方法，其包括以下內(nèi)容1)設(shè)置一水槽，在水槽底部鋪設(shè)物性與力學(xué)特性與原型海床海土 相接近的粘土，水槽內(nèi)的水位高于粘土上表面，在水槽末端設(shè)置有消波區(qū)，在消波區(qū)上方的 水槽上設(shè)置出水口，并通過將出水循環(huán)回流的方式模擬立管觸底區(qū)的海流；幻應(yīng)用截斷模 擬的方法，在有限的水槽內(nèi)設(shè)置一立管觸底段模型，對立管觸底段模型的一端施加垂向載 荷和水平側(cè)向載荷，模擬浮體運動引發(fā)的鋼懸鏈線立管觸底振動，及管土相互作用形成的 海床溝槽；；3)通過間隔設(shè)置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應(yīng)變片，收集模型觸底 振動的響應(yīng)信號，進(jìn)而得到海床床面土體性質(zhì)及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振 動影響。實現(xiàn)上述方法的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統(tǒng)，其特征在于它包括海 床模擬造流裝置、支撐架和立管運動裝置；所述海床模擬造流裝置包括一水槽，所述水槽內(nèi) 鋪設(shè)有粘土，所述水槽內(nèi)的水面高于所述粘土上表面；所述水槽末端設(shè)置有一傾斜的消波 區(qū)，所述消波區(qū)上方的水槽上開設(shè)排水口，所述排水口下方設(shè)置一水箱，所述水箱通過回流 管和流速控制泵連接至水槽前端底部；所述粘土內(nèi)設(shè)置有一吸力錨，所述吸力錨連接一立 管觸底段模型的一端，所述立管觸底段模型的另一端連接一立管接頭；所述立管觸底段模型上間隔設(shè)置有若干加速度傳感器和應(yīng)變片；所述支撐架跨越在所述水槽前部，其包括一 由立柱和橫梁組成的框架，在跨越所述水槽的兩橫梁上對稱設(shè)置有四根光杠，所述四根光 杠頂部連接有一 “工”字形鋼板，所述鋼板上固定連接一垂向液壓缸的缸體；所述立管運動 裝置包括一活動板，其通過螺母固定連接在所述垂向液壓缸的活塞桿底部，所述活動板的 四角穿套在所述四根光杠上，所述活動板中部設(shè)置有兩根側(cè)向運動滑軌，所述側(cè)向運動滑 軌的兩端分別設(shè)置有滑塊，同一端的兩所述滑塊上共同連接一活動框，其中一所述活動框 連接一側(cè)向液壓缸的輸出端；兩所述活動框內(nèi)分別設(shè)置有一軸向運動滑軌，兩所述軸向運 動滑軌上分別設(shè)置有滑塊，練所述軸向滑軌上的所述滑塊頂部共同連接一底板，所述底板 中心固定設(shè)置一連接桿，所述連接桿的底部連接所述立管接頭。 所述支撐架中由立柱和橫梁組成的框架包括四根立柱和四根橫梁，其中兩根短的 所述橫梁底部對應(yīng)設(shè)置一連接兩所述立柱的底座，兩所述底座通過地腳螺栓固定連接在地在所述支撐架位于水槽一側(cè)的兩立柱之間對角設(shè)置一斜撐，且兩側(cè)所述斜撐方向 相反，每一所述斜撐中間通過反向螺紋接頭連接。所述連接桿先轉(zhuǎn)動地連接一接頭，再將所述接頭固定連接所述立管接頭。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于通過對立管觸底段 模型施加的垂向和水平載荷的方式，合理地模擬了立管原型截斷點處產(chǎn)生的運動和受到的 內(nèi)力，因此能夠在有限的室內(nèi)空間內(nèi)全尺寸模擬立管觸底段管道的觸底振動響應(yīng)，并可進(jìn) 一步研究模擬鋼懸鏈線立管觸底區(qū)海床溝槽的形成機制。2、本發(fā)明由于在立管觸底段模型 的不同截面位置設(shè)置了加速度傳感器和應(yīng)變片，因此可以根據(jù)獲得的加速度信號和應(yīng)變信 號研究其觸底振動的響應(yīng)特性及疲勞特性，還可以研究靜水及不同流速情況下的環(huán)境阻尼 影響及不同性狀海床基土的影響。3、本發(fā)明在立管運動裝置中通過一垂向液壓缸帶動一 活動板，通過活動板帶動兩個活動框，并通過底板將兩活動框連接成一體，將與立管觸底段 模型連接的連接桿固定在底板上，因此，不但可以在通過垂向液壓缸帶動活動板進(jìn)行上下 運動的同時帶動立管觸底段模型的一端上下運動，進(jìn)而實現(xiàn)鋼懸鏈線立管上選取的截斷點 處的垂向運動的模擬；而且可以通過側(cè)向液壓缸驅(qū)動其中一活動框架進(jìn)行水平運動的同時 帶動立管觸底段模型水平運動，進(jìn)而實現(xiàn)鋼懸鏈線立管上選取的截斷點處的水平運動的模 擬。本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，特別是可以在有限的室內(nèi)空間內(nèi)全尺寸模擬立管觸底 段管道的觸底振動響應(yīng)，它可以廣泛用于各種鋼懸鏈線立管觸底振動的實驗和研究中。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明中支撐架結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明中立管提升裝置結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明中立管觸底段模型與鉸接接頭鉸接示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明實現(xiàn)方法可以概括為以下內(nèi)容
1)設(shè)置一水槽，在水槽底部鋪設(shè)物性與力學(xué)特性與原型海床海土相接近的粘土， 水槽內(nèi)的水位高于粘土上表面，在水槽末端設(shè)置有消波區(qū)，在消波區(qū)上方的水槽上設(shè)置出 水口，并通過將出水循環(huán)回流的方式模擬立管觸底區(qū)的海流；2)應(yīng)用截斷模擬的方法，在有限的水槽內(nèi)設(shè)置一立管觸底段模型，對立管觸底段 模型的一端施加垂向載荷和水平側(cè)向載荷，模擬浮體運動引發(fā)的鋼懸鏈線立管觸底振動， 及管-土相互作用形成的海床溝槽；3)通過間隔設(shè)置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應(yīng)變片，收集模型觸底振 動的響應(yīng)信號，進(jìn)而得到海床床面土體性質(zhì)及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振動影響。為實現(xiàn)上述方法，本發(fā)明系統(tǒng)包括一海床模擬造流裝置、一支撐架和一立管運動
直ο如圖1所示，本發(fā)明的海床模擬造流裝置包括一設(shè)置在支架上的水槽1，水槽1內(nèi) 鋪設(shè)有粘土 2，粘土 2的物性和力學(xué)特性可以配制得與原型海床海土相接近，粘土 2浸在水 中，水面3高于粘土 2上表面，用于模擬海水。水槽1末端設(shè)置有一傾坡狀的消波區(qū)4，以避 免水流反射生成反射波。水槽1末端的消波區(qū)4的上方開設(shè)一排水口 5。在排水口的下方 設(shè)置一水箱6，水箱6下部通過一回流管7和流速控制泵8連接至水槽1前端底部。粘土 2 內(nèi)設(shè)置有一吸力錨9，其上連接一立管觸底段模型10 —端，立管觸底段模型10的另一端連 接一立管接頭11。在立管觸底段模型10上根據(jù)需要間隔設(shè)置有若干加速度傳感器和應(yīng)變 片(圖中未示出)如圖1、圖2所示，本發(fā)明的支撐架跨越在水槽1的前部，支撐架包括通過地腳螺 栓固定在地面上的兩個底座12，每個底座12上設(shè)置有一對立柱13，每對立柱13之間設(shè)置 有一斜撐14，兩斜撐14的方向相反，兩斜撐14的中部設(shè)置有一反向螺紋接頭15，其具有自 鎖功能，而且調(diào)節(jié)拆卸方便。四根立柱13的頂端通過螺栓和橫梁16連接成一體，兩個底座 12之間的兩根橫梁16上設(shè)置有四根光杠17，四根光杠17頂部連接有一“工”字形鋼板18， 鋼板18上通過螺栓固定連接一垂向液壓缸的缸體19，垂向液壓缸的活塞桿20穿過鋼板18 伸向下方。上述支撐架結(jié)構(gòu)中，由四根立柱13和橫梁16組成的框架是可以有所變化的，以上 僅為一實施例，不應(yīng)局限于此。另外在兩根立柱13之間設(shè)置的斜撐14可以起到加固和調(diào) 節(jié)的作用，也可以采用其它結(jié)構(gòu)替代。如圖1 3所示，本發(fā)明的立管運動裝置包括一通過螺母固定連接在活塞桿20底 部的類似“工”字形的活動板21，活動板21的四角通過通孔22穿套在四根光杠16上?；?動板21中部設(shè)置有兩根側(cè)向運動滑軌23，兩根側(cè)向運動滑軌23的兩端分別固定連接一滑 塊24，同一端的兩滑塊M上共同連接一活動框25，兩活動框25內(nèi)分別設(shè)置有一軸向運動 滑軌沈，每一軸向運動滑軌沈上設(shè)置有兩個滑塊27 (本實施例以兩塊為例，但不限于此)， 四個滑塊27頂部共同連接一底板觀，底板觀的中心通過螺母固定連接一連接桿29(如圖 1、圖4所示)，連接桿四的底部轉(zhuǎn)動連接一接頭30，接頭30可以通過焊接或螺栓連接立管 接頭11。在活動板21上還設(shè)置有一側(cè)向液壓缸(圖中未示出)，側(cè)向液壓缸的輸出端連接 其中一活動框25。如圖1所示，利用本發(fā)明進(jìn)行實驗時，立管運動裝置中的垂向液壓缸可以驅(qū)動活
5動板21帶動兩活動框25上、下運動，兩活動框25通過底板觀帶動連接桿四上、下運動， 進(jìn)而通過立管接頭11帶動立管觸底段模型10實現(xiàn)上、下模擬運動。由于立管運動裝置中 兩活動框25通過底部28連接成一體，因此側(cè)向液壓缸可以驅(qū)動兩活動框25沿滑軌23同 步做側(cè)向水平運動(穿入穿出紙面的運動)，進(jìn)而通過連接桿四帶動立管觸底段模型10實 現(xiàn)模擬側(cè)向水平運動。實驗中需要控制立管觸底段模型10在垂向和側(cè)向兩個方向上單位 時間內(nèi)產(chǎn)生的位移，該單位時間內(nèi)產(chǎn)生的位移是根據(jù)鋼懸鏈線立管原型截斷點確定得到。上述通過本發(fā)明裝置帶動立管觸底段模型10進(jìn)行垂向和側(cè)向運動的過程中，由 于底板四和活動框25沿立管觸底段模型10軸向(水槽1的長度方向)上的運動是自由 運動，因此帶動立管觸底段模型10在軸向上也是自由運動，此時立管觸底段模型10在水槽 1的粘土 2上的接觸振動與鋼懸鏈線立管原型的觸底振動相接近，因此可以通過間隔設(shè)置 在立管觸底段模型10上的加速度傳感器和應(yīng)變片，測量立管觸底段模型10上各個截面位 置的應(yīng)變與加速度響應(yīng)，以得到鋼懸鏈線立管原型的振動特性的實驗結(jié)果。同時可以通過流速控制泵8控制水槽1的流速，從而實現(xiàn)模擬海床附近的海流，再 通過加速度傳感器和應(yīng)變片，測量立管觸底段模型10各個截面位置的應(yīng)變與加速度響應(yīng)， 以得到靜水阻尼條件或不同流速阻尼條件下的立管觸底段模型10的觸底振動的實驗結(jié) 果，以研究海床附近海流對鋼懸鏈線立管的阻尼影響。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都 是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗方法，其包括以下內(nèi)容1)設(shè)置一水槽，在水槽底部鋪設(shè)物性與力學(xué)特性與原型海床海土相接近的粘土，水槽 內(nèi)的水位高于粘土上表面，在水槽末端設(shè)置有消波區(qū)，在消波區(qū)上方的水槽上設(shè)置出水口， 并通過將出水循環(huán)回流的方式模擬立管觸底區(qū)的海流；2)應(yīng)用截斷模擬的方法，在有限的水槽內(nèi)設(shè)置一立管觸底段模型，對立管觸底段模 型的一端施加垂向載荷和水平側(cè)向載荷，模擬浮體運動引發(fā)的鋼懸鏈線立管觸底振動，及 管-土相互作用形成的海床溝槽；3)通過間隔設(shè)置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應(yīng)變片，收集模型觸底振動 的響應(yīng)信號，進(jìn)而得到海床床面土體性質(zhì)及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振動影 響。
2.實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述方法的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統(tǒng)，其特征在 于它包括海床模擬造流裝置、支撐架和立管運動裝置；所述海床模擬造流裝置包括一水槽，所述水槽內(nèi)鋪設(shè)有粘土，所述水槽內(nèi)的水面高于 所述粘土上表面；所述水槽末端設(shè)置有一傾斜的消波區(qū)，所述消波區(qū)上方的水槽上開設(shè)排 水口，所述排水口下方設(shè)置一水箱，所述水箱通過回流管和流速控制泵連接至水槽前端底 部；所述粘土內(nèi)設(shè)置有一吸力錨，所述吸力錨連接一立管觸底段模型的一端，所述立管觸底 段模型的另一端連接一立管接頭；所述立管觸底段模型上間隔設(shè)置有若干加速度傳感器和 應(yīng)變片；所述支撐架跨越在所述水槽前部，其包括一由立柱和橫梁組成的框架，在跨越所述水 槽的兩橫梁上對稱設(shè)置有四根光杠，所述四根光杠頂部連接有一 “工”字形鋼板，所述鋼板 上固定連接一垂向液壓缸的缸體；所述立管運動裝置包括一活動板，其通過螺母固定連接在所述垂向液壓缸的活塞桿底 部，所述活動板的四角穿套在所述四根光杠上，所述活動板中部設(shè)置有兩根側(cè)向運動滑軌， 所述側(cè)向運動滑軌的兩端分別設(shè)置有滑塊，同一端的兩所述滑塊上共同連接一活動框，其 中一所述活動框連接一側(cè)向液壓缸的輸出端；兩所述活動框內(nèi)分別設(shè)置有一軸向運動滑 軌，兩所述軸向運動滑軌上分別設(shè)置有滑塊，練所述軸向滑軌上的所述滑塊頂部共同連接 一底板，所述底板中心固定設(shè)置一連接桿，所述連接桿的底部連接所述立管接頭。
3.如權(quán)利要求2所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統(tǒng)，其特征在于所述支 撐架中由立柱和橫梁組成的框架包括四根立柱和四根橫梁，其中兩根短的所述橫梁底部對 應(yīng)設(shè)置一連接兩所述立柱的底座，兩所述底座通過地腳螺栓固定連接在地面。
4.如權(quán)利要求2所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統(tǒng)，其特征在于在所述 支撐架位于水槽一側(cè)的兩立柱之間對角設(shè)置一斜撐，且兩側(cè)所述斜撐方向相反，每一所述 斜撐中間通過反向螺紋接頭連接。
5.如權(quán)利要求3所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統(tǒng)，其特征在于在所述 支撐架位于水槽一側(cè)的兩立柱之間對角設(shè)置一斜撐，且兩側(cè)所述斜撐方向相反，每一所述 斜撐中間通過反向螺紋接頭連接。
6.如權(quán)利要求2或3或4或5所述的一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗系統(tǒng)，其特征 在于所述連接桿先轉(zhuǎn)動地連接一接頭，再將所述接頭固定連接所述立管接頭。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼懸鏈線立管觸底段振動實驗方法及系統(tǒng)，其包括以下內(nèi)容1)設(shè)置一水槽，在水槽底部鋪設(shè)物性與力學(xué)特性與原型海床海土相接近的粘土，水槽內(nèi)的水位高于粘土上表面，在水槽末端設(shè)置有消波區(qū)，在消波區(qū)上方的水槽上設(shè)置出水口，并通過將出水循環(huán)回流的方式模擬立管觸底區(qū)的海流；2)應(yīng)用截斷模擬的方法，在有限的水槽內(nèi)設(shè)置一立管觸底段模型，對立管觸底段模型的一端施加垂向載荷和水平側(cè)向載荷，模擬浮體運動引發(fā)的鋼懸鏈線立管觸底振動，及管-土相互作用形成的海床溝槽；3)通過間隔設(shè)置在立管觸底段模型上的加速度傳感器和應(yīng)變片，收集模型觸底振動的響應(yīng)信號，進(jìn)而得到海床床面土體性質(zhì)及不同流速阻尼條件對鋼懸鏈線立管觸底振動影響。
文檔編號G01M7/02GK102141462SQ20101061833
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者張恩勇, 曹靜, 段夢蘭, 沙勇, 胡知輝, 趙天奉, 陳嚴(yán)飛 申請人:中國海洋石油總公司, 中國石油大學(xué)(北京), 中海石油研究中心