一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。

An experimental device for studying the fluid solid coupling vibration characteristics of riser systems

The utility model discloses a study of experimental device of fluid solid coupling vibration characteristics of the system for the tube, which comprises a water supply system, gas supply system, riser system, data acquisition system and image production monitoring system; the air supply system and water supply system are connected with the gas-liquid mixer, after the gas-liquid mixer followed by horizontal pipe section each pipe section and the vertical pipe connected system, the riser system is arranged on the top of the water supply pipe connected with the water supply system; the data acquisition system used to collect dynamic data signals of the pipeline, the image production monitoring system for monitoring the flow pattern on the pipeline. The utility model can be used to study the root of fluid and riser coupled vibration of riser system, fatigue damage and life prediction of marine riser system supporting protection, plays an important role in suppressing vibration and seismic design and construction.

【技术实现步骤摘要】
一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置
本技术属于海洋油气开采
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对海洋油气开采的过程中立管的振动响应特性，本技术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，本技术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；所述数据采集系统包括数据采集卡，所述数据采集卡分别与气体流量计、液体流量计、第一双平行电导探针、第二双平行电导探针、各个压力变送器和各个位移传感器通过线路连接，进而对相应管路上的流量信号、持液率信号、压力信号和动力响应信号进行采集；所述图像摄制监测系统包括高速摄像机，所述高速摄像机用于在实验过程中对立管系统中流体流型流态进行观察并记录。进一步地，所述立管系统为垂直式立管系统，所述垂直式立管系统由一个铰支固定，所述垂直式立管系统包括弯管段和通过弯管段与下倾管段连接的垂直式立管段，所述垂直式立管段靠近底部弯管段处设置有第一位移传感器和第三压力变送器，所述垂直式立管段靠近中间位置设置有第二位移传感器和第三位移传感器以及第四压力变送器，所述第二位移传感器和第三位移传感器相对立管段互相垂直设置，所述垂直式立管段靠近顶部位置设置有第五压力变送器。进一步地，所述立管系统为自由悬链式立管系统，所述自由悬链式立管系统由一个铰支固定，所述自由悬链式立管系统包括弯管段和通过弯管段与下倾管段连接的悬链式立管段，所述悬链式立管段靠近底部弯管段处设置有第一位移传感器和第三压力变送器，所述悬链式立管段靠近中间位置设置有第二位移传感器和第三位移传感器以及第四压力变送器，所述第二位移传感器和第三位移传感器相对立管段互相垂直设置，所述悬链式立管段靠近顶部位置设置有第五压力变送器。进一步地，所述立管系统为S型立管系统，所述S型立管系统由第一铰支和第二铰支固定，所述S型立管系统包括弯管段和通过弯管段与下倾管段连接的S型立管段，所述S型立管段靠近底部位置弯管段处设置有第一位移传感器和第三压力变送器，所述S型立管段靠近第一铰支处设置有第五压力变送器，所述S型立管段靠近顶部第二铰支处设置有第七压力变送器，所述S型立管段的底部至第一铰支之间的管段上设置有第二位移传感器和第三位移传感器以及第四压力变送器，所述第二位移传感器和第三位移传感器相对立管段互相垂直设置，所述S型立管段的第一铰支至第二铰支之间的管段上还设置有第四位移传感器和第五位移传感器以及第六压力变送器，所述第四位移传感器和第五位移传感器相对立管段互相垂直设置。进一步地，在所述供气系统的供气管路上，所述压缩机与第一气体缓冲罐之间管路上设置有第一阀门，所述第一气体缓冲罐和气体流量计之间管路上设置有第二阀门，所述第一压力变送器和气液混合器之间管路上设置有第三阀门；在所述供水系统的供水管路上，所述储水罐与离心泵之间管路上设置有第六阀门，所述离心泵和流体流量计之间管路上设置有第五阀门，所述流体流量计和气液混合器之间管路上设置有第四阀门；所述第二气体缓冲罐与下倾管段之间的支管路上设置有第八阀门，且所述第二气体缓冲罐还设置有与大气连通的第九阀门；所述气液分离器上设置有与大气连通的第七阀门和安全阀。进一步地，所述立管系统均采用透明有机玻璃管。一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置的试验方法，包括以下步骤：步骤一：选用垂直式立管系统进行实验，初始时，整个实验装置的阀门都处于关闭状态，且整个实验装置中充满气体；首先依次开启第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、离心泵、高速摄像机和数据采集卡，数据采集卡监测并记录第二压力变送器、第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第一双平行电导探针和第二双平行电导探针的信号变化，高速摄像机监测并记录立管系统中流体的流型流态；步骤二：进行单相流固耦合振动实验时，调节离心泵频率来改变液体流量的大小，在不同液相流量下，进行弯管冲击试验，监测并记录各个压力变送器、位移传感器和双平行电导探针的信号变化，待液体流量稳定后，进行立管流固耦合振动实验，记录压力变送器、位移传感器和双平行电导探针的信号变化；步骤三：进行气液两相流固耦合振动实验时，首先依次打开第一阀门、第二阀门、第三阀门、压缩机、第八阀门向实验装置中供气，此时立管系统中为气液两相流，通过第一双平行电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置，其特征是，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。

【技术特征摘要】
1.一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置，其特征是，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。2.如权利要求1所述的用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置，其特征是，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相互平行且相距为5mm；所述数据采集系统包括数据采集卡，所述数据采集卡分别与气体流量计、液体流量计、第一双平行电导探针、第二双平行电导探针、各个压力变送器和各个位移传感器通过线路连接，进而对相应管路上的流量信号、持液率信号、压力信号和动力响应信号进行采集；所述图像摄制监测系统包括高速摄像机，所述高速摄像机用于在实验过程中对立管系统中流体的流型流态进行观察并记录。3.如权利要求2所述的用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置，其特征是，所述立管系统为垂直式立管系统，所述垂直式立管系统由一个铰支固定，所述垂直式立管系统包括弯管段和通过弯管段与下倾管段连接的垂直式立管段，所述垂直式立管段靠近底部弯管段处设置有第一位移传感器和第三压力变送器，所述垂直式立管段靠近中间位置设置有第二位移传感器和第三位移传感器以及第四压力变送器，所述第二位移传感器和第三位移传感器相对立管段互相垂直设置，所述垂直式立管...

【专利技术属性】
技术研发人员：王权，刘昶，王琳，李玉星，胡其会，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：新型
国别省市：山东,37