垂直阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置

摘要

本发明公开了一种垂直阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括海洋立管模型、固定于拖车底部的横向试验支持架、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机，海洋立管模型与轴向力往复装置之间连接有钢丝绳。轴向力往复装置包括支座、电机、连接杆、滑轨、滑块、偏心孔盲板、上下滑轮，电机连接有变频器，电机转动通过连接杆使滑块在滑轨上往复运动，往复运动的振幅是连接杆与偏心孔盲板上连接螺丝的偏心距，通过改变偏心距实现轴向力幅值的变化，通过钢丝绳带动拉力弹簧作伸缩运动。本发明解决了垂直阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动试验的装备难题，通过设计可实现简谐变化的轴向力、垂直阶梯流场，使得试验条件更加符合实际海洋工程工况。

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，涉及的是一种垂直阶 梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置。

背景技术

随着海洋油气资源的开采走向深海,立管结构的重要性逐步突显。在海流作用下海洋立 管会发生涡激振动，在深海情况下涡激振动是造成立管疲劳破坏的主要原因。一旦立管发 生破坏,除了造成严重的经济损失,也将引发漏油事故,可能导致严重的海洋环境污染和生态 安全问题。

海洋立管顶端一般与浮式平台连接。平台随着波浪发生升沉运动，给立管顶端一个位 移时程响应，引起立管轴向力随浮体运动而发生周期性变化，从而导致立管在水平方向上 发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性，加剧立管振动和疲劳破坏。

试验研究是涡激振动研究一个基础手段，可用于揭示涡激振动的发生机制、振动特性、 验证并修正涡激振动预报方法等。关于细长立管涡激振动试验研究，大致分为两类：一类 是在天然水域进行的细长柔性立管涡激振动试验。这类试验中的立管模型一般较长，长细 比最接近实际，试验流速靠船或其他装置拖动而形成。但这类试验立管模型两端边界条件 不理想、立管外形成的相对流场受地点、海况和船只等设施的操纵水平等因素影响很大， 同时试验的费用很高。另一类是在人工水池中进行的试验。获得的试验数据可为涡激振动 预报模型作基准，相比于天然水池中进行的试验，人工水池试验的优点在于：流场易于控 制、质量好，立管的边界条件容易设计，可对多种涡激振动影响因素进行试验观测。现阶 段，在人工水池内开展的模型试验已被广泛应用到海洋立管涡激振动问题研究。

海洋工程的实际经验表明：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 阶梯状来流。经对现有的技术文献检索发现，针对于垂直状态下的阶梯状来流海洋立管涡 激振动试验已有开展。2005年第21期《JournalofFluidsandStructures》杂志中的论文 “Laboratorymeasurementsofvortex-inducedvibrationsofaverticaltensionriserinastepped 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 实现立管轴向力的周期性变化，无法实现垂直阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动同时观 测。

发明内容

本发明针对垂直阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动试验研究存在的难点和不足，提 供了研究了一种垂直阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，能够试验模拟垂直的 阶梯来流条件，对轴向力简谐变化的海洋立管开展相关试验研究工作，探究其涡激振动发 生机理及变化轴向力诱发的参数振动对涡激振动的影响机制等，力图为工程实际提供必要 的试验参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种垂直阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动 试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、轴向力往复装置、应变采集仪和 计算机，所述海洋立管模型的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设 有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向 试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型 包括若干条导线和一薄壁铜管，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄 壁铜管的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管的外表面依次向外设有相互紧密接触 的若干层热缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩管之间设有多片用于采集应变的 应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管的一 端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头， 所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架包括主体横梁, 所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述拖车上设有与海洋立管模型 一端连接的轴向力往复装置；所述轴向力往复装置包括支座、电机、连接杆、滑轨、滑块、 偏心孔盲板、上部滑轮和下部滑轮，所述电机设置在支座的一端，所述滑轨设置在支座的 中部，所述滑块装配在所述滑轨上，所述上部滑轮和下部滑轮均设置在所述支座的另一端， 所述偏心孔盲板设置在电机的输出轴上，所述偏心孔盲板上设有多个不同偏心位置的偏心 孔，所述连接杆的一端设有径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆的 另一端与所述滑块连接；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支 撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板 平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有一个通孔；通孔内设有一个万向联轴节， 所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一 端与所述海洋立管模型中的第一圆柱接头连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第 二支撑管，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连 接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有一个管道安装通孔， 所述第二支撑板的外侧设有一个滑轮，所述第二支撑板上位于所述滑轮的下方设有一钢丝 绳过孔；所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩，所述流线型整流罩罩住所述海洋 立管模型一端的轴段；所述海洋立管模型的第二圆柱接头连接钢丝绳，该钢丝绳穿过第二 支撑板上的钢丝绳过孔后绕过所述第二支撑板外侧的滑轮后依次连接拉力张紧器、拉力弹 簧和拉力传感器，最终连接至所述轴向力往复装置中的滑块上；所述钢丝绳和所述海洋立 管模型的轴线在同一平面内；所述电机的输出轴中心、所述连接杆的上下对称面、所述滑 块的上下对称面均与所述上部滑轮的滑轮槽的上部边缘位于同一水平高度，所述上部滑轮 的滑轮槽边缘与所述下部滑轮的滑轮槽边缘在一条直线上，所述电机连接有变频器，所述 电机转动，通过所述连接杆使所述滑块在所述滑轨上往复运动，往复运动的振幅是所述连 接杆与所述偏心孔盲板上连接位置点的偏心距，从而实现轴向力幅值的变化；在所述滑块 的往复运动过程中，通过钢丝绳带动所述拉力弹簧作伸缩运动；所述导线和所述拉力传感 器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了垂直阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动试验的装备难题，通过设计可 实现简谐变化的轴向力、垂直阶梯流场，使得试验条件更加符合实际海洋工程工况。本发 明可实现涡激振动-变轴向力的参激振动耦合，同时本发明装置的设计简单，安装调试方便， 造价低廉，是深海立管涡激振动与参数振动试验研究必不可少的装置措施，弥补了学术界 缺乏垂直阶梯来流简谐变化轴向力海洋立管涡激振动试验装备的空白，具有重要的推广应 用价值和科学意义。

附图说明

图1是本发明中没有抑制结构的立管涡激振动试验装置的结构示意图；

图2是本发明中没有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图3是本发明中带有抑制结构的立管涡激振动试验装置的结构示意图；

图4是本发明中带有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图5是图1中所示第一、第二支撑板14结构示意图；

图6是图1中所示导流板11及流线型整流罩27的结构示意图；

图7是横向试验支持架结构俯视图；

图8是图7所示横向试验支持架的右视图；

图9是横向试验支持架与拖车相互位置的俯视图；

图10是图9所示横向试验支持架与拖车相互位置的右视图；

图11是轴向力往复装置的主视图；

图12是轴向力往复装置的俯视图

图13-1是本发明中流线型整流罩的端向视图；

图13-2是图13-1所示流线型整流罩的俯视图；

图13-3是图13-1所示流线型整流罩背水一面的视图；

图13-4是图13-1所示流线型整流罩迎水一面的视图；

图14是带有螺旋列板抑制装置的海洋立管模型结构示意图。

图中：

1-海洋立管模型2-第一、第二端部支撑装置3-横向试验支持架

4-滑块5-第一圆柱接头6-第二圆柱接头

7-销钉51-薄壁铜管9-斜撑管

10-万向联轴节11-第一、第二导流板12-加强架

13-第一、第二支撑管14-第一、第二支撑板15-万向联轴节螺丝

16-滑轮17-钢丝绳18-导流板固定螺丝

19-拉力弹簧20-拖车21-滑轨

22-上部滑轮23-下部滑轮24-拉力张紧器

25-拉力传感器27-流线型整流罩28-围板

29-外沿板30-螺旋列板31-连接杆

32-电机33-变轴向力机构支座34-偏心孔盲板

53-应变片55-热缩管56-硅胶管

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施 例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明是一种垂直阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，包括 海洋立管模型1、横向试验支持架3、拖车、轴向力往复装置、应变采集仪和计算机，所述 海洋立管模型1的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型1的另一端设有第二端 部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持 架3的两端连接，如图9和图10所示，所述横向试验支持架3固定于所述拖车的底部，所 述轴向力往复装置安装在拖车边部，通过钢丝绳17与海洋立管模型1相连。

所述海洋立管模型1既可以是裸管，如图2所示；也可以是带有抑制结构即螺旋列板 30，如图4所示；若所述海洋立管模型1是裸管，其结构是：包括若干条导线和一薄壁铜 管51，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管51的外径为8mm、 壁厚为1mm；自所述薄壁铜管51的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管55 和一层硅胶管56，所述薄壁铜管51与所述热缩管55之间设有多片用于采集应变的应变片 53，所述应变片53通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管51的 一端或分别与所述薄壁铜管51的两端固定；所述薄壁铜管51的一端通过销钉7连接有第 一圆柱接头5，所述薄壁铜管51的另一端通过销钉7连接有第二圆柱接头6，如图2所示； 若是带有抑制结构的，则在上述裸管结构的基础上，在所述海洋立管模型1的硅胶管56外 表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带30，所述硅胶带30的横断面与试验管道螺旋列板的横 断面的形状相同，如图4所示。

所述横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑 在槽钢上；如图7和图8所示。

所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管13，所述第一支撑管13的底部连接 有第一支撑板14，所述第一支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板14平行的 第一导流板11，所述第一导流板11的下部设有一个通孔，所述通孔内设有一个万向联轴节 10，所述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15固定在第一支撑板上，所述万向联 轴节10的另一端与所述海洋立管模型1中的第一圆柱接头5连接。

所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管13，所述第二支撑管13的顶部与所 述主体横梁的另一端连接，在第二支撑管和横向试验支持架组成的平面上施加斜撑管9，即 在所述第二支撑管13的内侧与主体横梁上之间连接有斜撑管9；所述第二支撑管13的底部 连接有第二支撑板14，所述第二支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板14平 行的第二导流板11，所述第二导流板11为塑料板，所述第二导流板11上设有加强架12， 所述第二支撑板14、第二导流板11和加强架12之间采用螺丝固定在一起。所述第二导流 板11的下部设有一个管道安装通孔，所述第二支撑板14的外侧设有一个滑轮16，所述第 二支撑板14上位于所述滑轮的下方设有一钢丝绳过孔。本发明中，第一、第二支撑板14 的材料为钢板，并用角铁做三角形加强，如图5所示。

所述第二导流板11的内侧固定有一流线型整流罩27，如图1和图3所示，所述流线型 整流罩罩住所述海洋立管模型1一端或两端的轴段；如图13-1、图13-2、图13-3和图13-4 所示，所述流线型整流罩27包括流线型围板28和设置在围板28一端的外沿板29，所述外 沿板29上设有螺栓过孔，如图6所示，所述流线型整流罩27与第一导流板11或所述流线 型整流罩27与第二导流板11之间采用螺栓连接，所述流线型整流罩27能够大大减小拖车 拖动过程中阶梯状来流施加装置的阻力和兴波。

所述主体横梁上与第二端部支撑装置的连接端底部的海洋立管模型1的第二圆柱接头6 连接钢丝绳，该钢丝绳穿过支撑板14后绕过滑轮依次连接拉力张紧器24、拉力弹簧19、 拉力传感器25最终与轴向力往复装置相连；所述钢丝绳17和所述海洋立管模型1的轴线 在同一平面内；

如图11和图12所示，所述轴向力往复装置设置在拖车20的边部，所述轴向力往复装 置包括支座33、电机32、连接杆31、滑轨21、滑块4、偏心孔盲板34、上部滑轮22和下 部滑轮23，所述电机32设置在支座33的一端，所述滑轨21设置在支座33的中部，所述 滑块4装配在所述滑轨21上，所述上部滑轮22和下部滑轮23均设置在所述支座33的另 一端，所述偏心孔盲板34设置在电机32的输出轴上，所述偏心孔盲板34上设有多个不同 偏心位置的偏心孔，所述连接杆31一端连接偏心孔盲板34，即所述连接杆31的一端设有 径向杆，所述径向杆插接在其中一个偏心孔内，所述连接杆31的另一端与所述滑块4连接； 滑块4置于滑轨21中，滑块4的一端连接钢丝绳17，钢丝绳17绕入上部滑轮22槽中，并 向下延伸绕入下部滑轮23槽中与拉力传感器25、拉力弹簧19、拉力张紧器24相连，最终 与海洋立管模型1相连。上述电机32轴中心、滑块4中心、上部滑轮22槽的上部边缘位 于同一水平高度，上部滑轮22槽边缘与下部滑轮23槽内边缘在一条直线上电机32连接变 频器连接电源，通过变频器改变供电电压的频率可以调节电机32至需要的转速，满足轴向 力变化的频率，偏心孔盲板34距离电机32轴中心相应位置开螺丝孔，连接杆31一端通过 螺丝拧入螺丝孔，电机32转动，通过连接杆31使滑块4在滑轨21上往复运动，滑块4通 过钢丝绳17带动拉力弹簧19作伸缩运动，往复运动的振幅即为螺丝孔的偏心距，通过改 变偏心距实现轴向力幅值的变化；所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所 述应变采集仪与所述计算机连接。

以下介绍本实施例装置的制作和安装过程：在试验前，先根据拖曳水池的尺度，拖车 20的速度，试验工况的具体情况和试验的经济性，得到海洋立管模型1的具体尺度。根据 海洋立管模型1的尺度、拖车20的尺度以及试验工况的具体情况和经济性，确定横向试验 支持架3，第一、第二端部支撑装置2，流线型整流罩27的材料和尺度。

制作海洋立管模型1，横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2，流线型整流罩 27，测量分析系统的各仪器设备外购。

如图14所示，以带有抑制结构的海洋立管模型为例，其制造过程如下：首先在平台平 面上沿铜管轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线，确定应变片53粘贴位置。将 薄壁铜管51两端分别装上粗圆柱接头和细圆柱接头。去除应变片53粘贴位置铜管表面的 氧化层，粘贴应变片53，前后应变片互成一对，上下应变片互成一对，均采用半桥接法， 并通过接线端子连接导线，其中用薄胶带将应变片同接线端子连接的金属细丝与铜管表面 隔开，以实现绝缘，在应变片粘贴处涂适量硅橡胶，以达到保护和防水的目的，引出各位 置的导线至铜管两端并用薄胶带将导线沿铜管轴线方向固定，然后在铜管外侧套上若干层 热缩管(使其外表面与硅胶管内表面紧密接触)，在热缩管55外侧套上一层硅胶管56(若 是裸管结构，至此已形成了该海洋立管模型)，从管的左侧开始，将一个螺距等分为若干份， 在每个位置使用螺旋线标记定位环确定出螺旋线位置，使用螺旋线粘接定位环粘接三条硅 胶条，处理硅胶管未粘接硅胶条位置的硅胶，使硅胶条表面干净光滑整洁，粘接的硅胶条 代表涡激振动抑制中的螺旋列板30，最后在模型两端涂适量硅橡胶防止模型进水。

将横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2安装好，将流线型整流罩27安装在 其中一个导流板或两个导流板11上均可，图1和图3示出的是在两个导流板上均分别安装 流线型整流罩27，把海洋立管模型1一端或两端引出的导线沿第一或第二端部支撑装置2 或分别沿第一、第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的一端或两端。将整个试验 装置至拖车20底部，用吊机将试验装置吊起，并安装好。根据变轴向力的幅值选择合适距 离的偏心孔与连接杆端部的径向杆连接，例如：该径向杆是螺丝，偏心孔为螺丝孔，其偏 心孔的偏心距就是幅值，将连接杆通过螺丝安装在此螺丝孔中，将偏心孔盲板转至平衡位 置，即螺丝孔位于最高点或最低点，此时滑块4位于往复运动的中间位置，通过调节拉力 张紧器使拉力达到平均拉力值，通过变频器调节电机32供电电压的频率，使电机32达到 工况所需的转速，满足轴向力变化的频率要求。拉力传感器25和导线与应变仪连接，应变 仪连接计算机。拖车开动时，流线型套筒围板28内流体相对于立管模型静止，模型中部有 流体流动，即实现阶梯来流。

所有仪器装置安装完毕后，需要进行调试。调试完毕后，可按工况及试验技术要求进 行试验。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实 施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明修改 或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围之中。