一种海洋立管涡激振动试验装置

1.本实用新型涉及海洋立管涡激振动试验技术领域，特别是涉及一种海洋立管涡激振动试验装置。


背景技术：

2.海洋立管是海洋平台与海底井口间的主要连接件。作为海面与海底的一种联系通道，可用于固定式平台、浮式平台及钻探船舶等。如今，海洋立管对各类海洋活动起着越来越重要的作用，由于海洋环境复杂多变，立管因特殊的细长型结构承受复杂的海洋荷载，立管的动力响应具有强烈的非线性，当结构的固有频率和外荷载的频率相近时，立管将产生共振，不仅只是工程本身遭受破坏，而且可能造成油气的泄露、爆炸等严重的次生灾害,这些现象使得立管成为整个系统中最薄弱的环节之一。
3.海洋立管在工作中，其内是有油或气流通过的。研究表明，管道内部流体的流动会改变管道的动力特性，因此，内流对海洋立管的涡激振动的影响是试验需要考虑的。目前，在海洋立管涡激振动试验中，内流的加载都是直接将管道与立管模型连接充入液体的，不仅不方便连接，而且内流的加载会造成立管的振动，引起试验误差。
4.中国发明专利cn102607787b(公开日为2017年05月17日)公开了一种测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，公开了一种立管连接的铰接接头，具体公开了铰接接头的底座的侧面和底面分别开进(出)水孔和立管连接孔并耕丝，进(出)水孔与施加内流的进水管相连接，立管连接孔与选定的立管模型相连接，该部分的主要功能是连接立管模型并施加内流。该专利的立管连接在底座底面的进(出)水孔，底座与接头的其他结构是铰接的，当内流从接头的侧面流进再流入立管中，内流具有一定的流速，会对铰接接头产生冲击，造成立管振动，此振动是内流加载产生的，不属于涡激振动，会影响试验结果。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种试验误差小、能模拟海洋立管真实工况的海洋立管涡激振动试验装置。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种海洋立管涡激振动试验装置，包括水槽和设置在所述水槽中的模拟系统，所述模拟系统包括支架、内流加载机构和立管模型，所述支架包括底座，所述立管模型与所述底座铰接，所述底座侧面开设有进水口、顶面开设有出水口，所述底座上设有连通所述进水口和所述出水口的通道，所述立管模型连接在所述出水口处，所述立管模型与所述出水口通过连接管连接，所述连接管为柔性管，所述内流加载机构与所述进水口连接。
7.作为优选方案，所述底座上设有两个支座，所述立管模型位于两个所述支座之间，且所述立管模型的相对的两侧分别通过转轴与两个所述支座连接。
8.作为优选方案，所述内流加载机构包括位于所述水槽外的水仓、水泵和流速控制器，所述水槽的槽壁上设有连通其内外的管接头，所述水仓、所述流速控制器、所述水泵、所
述管接头、所述进水口依次通过管道依次连接。
9.作为优选方案，所述支架还包括顶座和支撑座，所述顶座和所述底座上下设置，所述支撑座的两端分别与所述顶座、所述底座连接，所述顶座上连接有可上下移动的滑块，所述立管模型的顶端铰接在所述滑块上。
10.作为优选方案，所述模拟系统还包括张力施加机构，所述张力施加机构包括拉绳和和带动所述拉绳移动的拉动机构，所述拉动机构设置在所述支架上，所述拉绳与所述滑块连接以带动所述滑块上下移动。
11.作为优选方案，所述拉绳上设有张力检测装置。
12.作为优选方案，所述顶座连接有两条平行的、沿竖直方向向下延伸的导轨，所述滑块的两端设有通孔，所述导轨从所述通孔中穿过，所述立管模型位于两条所述导轨之间。
13.作为优选方案，所述张力施加机构还包括两个滑轮，所述顶座的一端连接所述支撑座、另一端连接所述导轨，两个所述滑轮均可转动地连接在所述顶座上且分别靠近所述顶座的两端，所述拉动机构安装在所述支撑座上，所述拉绳绕过两个所述滑轮与所述拉动机构连接。
14.作为优选方案，所述拉动机构包括电机、丝杆和配合连接在所述丝杆上的螺母，所述丝杆沿竖直方向设置，所述丝杆的顶端可转动地连接在所述顶座上，所述丝杆的底端与所述电机连接，所述拉绳连接在所述螺母上。
15.作为优选方案，所述拉动机构还包括弹簧，所述拉绳包括第一绳段和第二绳段，所述第一绳段和所述第二绳段分别与所述弹簧的两端连接，所述第一绳段与所述滑块连接，所述第二绳段与所述拉动机构连接。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
17.本实用新型通过在底座开设连通的进水口和出水口，可使内流从立管模型的底端进入立管模型，在试验中，模拟系统的支架是固定在水槽中的，可以抵抗内流加载时对底座的冲击而几乎不产生振动，保证立管模型的振动是由模拟海流及其内流共同作用的结果，模拟海洋立管的真实工况，消除内流加载造成的振动对试验的影响，减小试验误差，并且立管模型通过柔性的连接管与出水口连接，使立管模型的振动、运动不受连接的约束。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例的海洋立管涡激振动试验装置的结构示意图。
19.图2是本实用新型实施例的模拟系统的结构示意图。
20.图3是本实用新型实施例的立管模型与底座的连接示意图。
21.图中，1
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水槽；2
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立管模型；3
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底座；301
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进水口；302
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出水口；303
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通道；4
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连接管；5
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支座；6
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转轴；7
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水泵；8
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流速控制器；9
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管接头；10
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顶座；11
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支撑座；12
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滑块；13
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拉绳；1301
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第一绳段；1302
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第二绳段；14
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张力检测装置；15
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导轨；16
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滑轮；17
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电机；18
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丝杆；19
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螺母；20
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弹簧。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
23.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
26.请参阅图1至图3，本实用新型优选实施例的一种海洋立管涡激振动试验装置，包括水槽1和设置在水槽1中的模拟系统，模拟系统包括支架、内流加载机构和立管模型2，支架包括底座3，立管模型2与底座3铰接，底座3侧面开设有进水口301、顶面开设有出水口302，底座3上设有连通进水口301和出水口302的通道303，立管模型2连接在出水口302处，立管模型2与出水口302通过连接管4连接，连接管4为柔性管，内流加载机构与进水口301连接。本实施例通过在底座3开设连通的进水口301和出水口302，可使内流从立管模型2的底端进入立管模型，在试验中，模拟系统的支架是固定在水槽1中的，可以抵抗内流加载时对底座3的冲击而几乎不产生振动，保证立管模型2的振动是由模拟海流及其内流共同作用的结果，模拟海洋立管的真实工况，消除内流加载造成的振动对试验的影响，减小试验误差，并且立管模型2通过柔性的连接管4与出水口302连接，使立管模型2的振动、运动不受连接的约束。本实施例的连接管4采用软管。
27.请参阅图3，进一步地，底座3上设有两个支座5，立管模型2位于两个支座5之间，且立管模型2的相对的两侧分别通过转轴6与两个支座4连接，既实现了立管模型2与底座3的铰接，同时内流加载与立管模型2和底座3的铰接结构分开，防止内流加载产生的振动对立管模型2的振动造成影响，并且实现了内流从立管模型2的底部进入，连接方便。
28.请参阅图1，进一步地，本实施例的内流加载机构包括位于水槽1外的水仓、水泵7和流速控制器8，水槽1的槽壁上设有连通其内外的管接头9，水仓、流速控制器8、水泵7、管接头9、进水口301依次通过管道依次连接。可将水泵7放置在水槽1外，可减小内流加载机构对立管模型2的振动的影响，同时方便立管模型2进内流。
29.请参阅图2，进一步地，本实施例的支架还包括顶座10和支撑座11，顶座10和底座3上下设置，支撑座11的两端分别与顶座10、底座3连接，顶座3上连接有可上下移动的滑块12，立管模型2的顶端铰接在滑块12上，可在滑块12上连接多个立管模型2，对多个立管模型2同时施加同一张力，可研究立管群之间的影响，并且滑块3可模拟海洋平台或船舶，能在模拟系统放置于水槽1中进行试验时发生垂荡等效果，可探究海洋平台或船舶以及海洋平台或船舶的运动对立管的影响，模拟海洋立管实际工作状况。
30.另外，本实施例的模拟系统还包括张力施加机构，张力施加机构包括拉绳13和和带动拉绳13移动的拉动机构，拉动机构设置在支架上，拉绳13与滑块12连接以带动滑块12上下移动，通过拉绳13拉动滑块12来施加张力，可对施加的张力进行检测，本实施例的拉绳
13上设有张力检测装置14。通过张力检测装置14可实时得到对立管模型2施加的张力，通过在立管模型2上连接加速度传感器得到立管模型2的振动情况，以此可探究张力的变化和立管振动之间的关系。本实施例的张力检测装置14采用张力计。
31.进一步地，本实施例的顶座10连接有两条平行的、沿竖直方向向下延伸的导轨15，滑块12的两端设有通孔，导轨15从通孔中穿过，立管模型2位于两条导轨15之间。导轨15可限制滑块12只能上下移动，模拟海洋平台或船舶的垂荡，并且可限制立管模型2的受力方向只能是竖直向上，保证单一因素变量，使试验结果更准确可靠。
32.进一步地，本实施例的张力施加机构还包括两个滑轮16，顶座10的一端连接支撑座11、另一端连接导轨15，两个滑轮16均可转动地连接在顶座10上且分别靠近顶座10的两端，拉动机构安装在支撑座11上，拉绳13绕过两个滑轮16与拉动机构连接，可避免将张力施加机构设置在支架上方，降低系统的高度，并且增加张力施加机构与立管群之间的距离，增加拉绳13的长度，增加张力的调节范围，而且可减小张力施加机构的振动对立管群的影响。
33.本实施例的拉动机构包括电机17、丝杆18和配合连接在丝杆18上的螺母19，丝杆18沿竖直方向设置，丝杆18的顶端可转动地连接在顶座10上，丝杆18的底端与电机17连接，拉绳13连接在螺母19上。电机17带动丝杆18转动，使螺母19沿丝杆18的长度方向移动，从而实现拉绳13的移动，并且通过控制电机17的转速及正反转，可对立管群施加周期时变的张力，通过张力检测装置14可实时准确测量张力值，实现精确加载。本实施例的电机17为伺服电机。
34.此外，本实施例的拉动机构还包括弹簧20，拉绳13包括第一绳段1301和第二绳段1302，第一绳段1301和第二绳段1302分别与弹簧20的两端连接，第一绳段1301与滑块12连接，第二绳段1302与拉动机构连接。可使拉绳13具有适当的张紧力，避免断裂。本实施例的滑块12、第一绳段1301、张力检测装置14、弹簧20、第二绳段1302和螺母19依次连接。
35.综上，本实用新型实施例提供一种海洋立管涡激振动试验装置，其通过在底座3开设连通的进水口301和出水口302，可使内流从立管模型2的底端进入立管模型，在试验中，模拟系统的支架是固定在水槽1中的，可以抵抗内流加载时对底座3的冲击而几乎不产生振动，保证立管模型2的振动是由模拟海流及其内流共同作用的结果，模拟海洋立管的真实工况，消除内流加载造成的振动对试验的影响，减小试验误差，并且立管模型2通过柔性的连接管4与出水口302连接，使立管模型2的振动、运动不受连接的约束。
36.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。