[发明专利]一种内外流与平台耦合作用的立管振动测试装置及方法

说明书

本发明涉及一种内外流与平台耦合作用的立管振动测试装置及方法，装置由悬挂管模型、浮式平台系统、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成。通过调节升降螺杆、滑动桁架和循环水槽出水阀改变悬挂管模型的顶张力和圆筒形浮式平台的吃水深度，调节循环水槽水泵泵频改变外流速度，调节液路阀门、气路阀门开度改变气液两相流的气液比和流量。通过声学多普勒测速仪、压力传感器、高速摄像机、粒子成像测速相机、激光位移传感器得到的流速、压力、位移和尾流场信息，分析内外流与平台耦合作用的立管振动响应规律。

技术领域

本发明属于海洋浮式平台与立管流致振动实验测试技术领域，具体涉及一种内外流与平 台耦合作用的立管振动测试装置及方法。

背景技术

经济社会的高速发展依赖于更多的传统化石能源供给，我国油气资源对外依存度节节攀 升，早已突破安全警戒线，能源安全形式不容乐观。因此，大力开发海洋油气资源是降低我 国油气对外依存度的有效措施之一。浮式平台-悬链线型柔性立管系统作为深水海洋油气开 采、输送的主要方式，是深水油气开发将大量采用的装备。但其所处环境复杂，一方面管内 气液多相流流动会激发内流流致振动响应，另一方面在复杂的外部海流环境下，柔性立管和 浮式平台也会出现振动响应，而立管的振动和浮式平台的运动又存在耦联作用，使得该系统 的运动响应十分复杂，存在疲劳损伤的风险，严重时可能引发油气泄漏事故，既对海洋环境 造成了不可逆转的污染，又造成了巨大的经济损失。为了减少振动对浮式平台-悬链线型柔性 立管系统造成的损害，需要深入地剖析内外流耦合与浮式平台运动耦联作用下柔性立管振动 响应机理。但至今尚未出现同步监测内流流型、立管振动和浮式平台运动的实验装置及方法。

发明内容

为解决背景技术所提出的问题，本发明提出一种内外流与平台耦合作用的立管振动测试 装置及方法。

为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：

一种内外流与平台耦合作用的立管振动测试装置由悬挂管模型、浮式平台系统、内流循 环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成。由悬挂管模型模拟柔性立管， 悬挂管模型为悬挂布置的透明软管，该透明软管外壁面沿轴向均匀标记有黑色标记点。悬挂 管模型的底部固定于循环水槽底壁的中部，顶部固定连接于圆筒型浮式平台的底部。通过黑 色马克笔在悬挂管模型的外壁涂覆长度为悬挂管模型内径的黑色圆环，用于悬挂管模型振动 响应的监测。

浮式平台系统由圆筒形浮式平台、气垫导轨、浮式平台支撑架、升降螺杆和滑动桁架组 成。圆筒形浮式平台内部开有一连接通道连接悬挂管模型顶部与波纹软管。气垫导轨由三根 空气滑轨、三个空气滑块和十二根弹簧组成。三根空气滑轨呈工字形布置，每根空气滑轨中 部均套装有一个空气滑块，两根平行的空气滑轨布置于循环水槽两侧的边壁且与来流方向平 行，这两根空气滑轨的空气滑块之间固定连接有一根与来流方向垂直的空气滑轨，空气滑块 与空气滑轨之间通有压缩空气实现空气滑块的无摩擦滑动。沿着每根空气滑轨的轴向在该空 气滑轨上的空气滑块两侧上下、左右对称布置四根弹簧，实现空气滑块在空气滑轨轴向的弹 性支撑运动。与来流方向平行布置的空气滑轨上的空气滑块无摩擦往复运动为圆筒形浮式平 台提供了流向运动的自由度，与来流方向垂直布置的空气滑轨上的空气滑块无摩擦往复运动 为圆筒形浮式平台提供了横向运动的自由度。圆筒形浮式平台固定连接在垂直于来流方向滑 动的空气滑块底部，实现圆筒形浮式平台的双自由度运动。气垫导轨固定连接在浮式平台支 撑架底部。浮式平台支撑架顶部中心开有一个圆孔，升降螺杆底部穿过该圆孔并由螺母限位。 升降螺杆与固定于循环水槽上的滑动桁架通过螺纹连接，旋转升降螺杆顶部把柄可实现圆筒 形浮式平台的升降，实现不同悬挂管模型布置高度、圆筒形浮式平台不同吃水深度条件的振 动测试。