本发明专利技术涉及海洋深水立管的研究试验装置，具体涉及一种深水顶张式立管的几何刚度试验装置。该装置包括设置在固定架上的模型管线，模型管线外设有水筒，模型管线上、下端与供水管线系统连通；在固定架下部设有反力架，反力架通过弹簧与设置在模型管线下部的卡盘连接，所述的弹簧上设有弹簧拉力计；在模型管线上贴有用于测量模型管线的壁张力和振动响应的应变片。本发明专利技术可以完成深水顶张式立管几何刚度的试验研究，为深水顶张式立管几何刚度计算提供依据和试验验证。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋深水立管的研究试验装置，具体涉及一种深水顶张式立管的几何刚度试验装置。
技术介绍
深水顶张式立管是深水海洋立管的一种主要类型，立管的下端与海底井口连接， 管壁张力直接作用在井口上，而管内的流体源源不断地从海底穿过立管流向浮式平台。深水顶张式立管的弯曲刚度包括弹性抗弯刚度和张力引起的几何刚度，其中几何刚度是基于梁的复杂弯曲理论计算的。而梁的复杂弯曲理论是建立在对实心梁力学模型分析的基础上的，其张力完全由梁的横截面纤维承担。但是，立管是空心的，内部充满液体，液体不能承担任何张力，且形状随容器形状改变。因此，液体的作用与实心梁的固体纤维作用是完全不同的。液体不仅不能承受立管的轴向张力，且也不能对管壁形成任何固体纤维的约束和挤压作用。因此，立管的几何刚度应采用管壁张力计算。但是，目前的深水顶张式立管几何刚度是采用立管横截面的有效张力计算，具体计算公式如下=[TV']^(1)式中[KG]为几何刚度矩阵；Te为有效张力；[N]为立管的单元插值函数；1为立管的单元长度。而有效张力是基于浮力原理和平衡条件推导的理论公式计算得到的，如下式Te = Tw-PiA^P0A0(2)式中TW为立管管壁张力；Pi，ρ。分别为立管的内、外压力，其中Pi不包括静水头压力；Ai，Atl分别为立管的内、外壁横截面积。上述计算方式的不合理之处是将液体作为固体来看待，从而导致现有立管几何刚度计算的不尽合理。立管的几何刚度应该采用管壁张力还是有效张力计算已经受到国内外学者的关注，而解决该问题的唯一方法是试验研究。目前，尚没有人完成立管的几何刚度试验研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种深水顶张式立管几何刚度的试验装置，从而解决深水顶张式立管几何刚度的合理计算问题。本专利技术的技术方案如下一种深水顶张式立管的几何刚度试验装置，包括设置在固定架上的模型管线，模型管线外设有水筒，模型管线上、下端与供水管线系统连通；在固定架的上部或下部设有反力架，反力架通过弹簧与设置在模型管线上部或下部的卡盘连接，所述的弹簧上设有弹簧拉力计；在模型管线上贴有用于测量模型管线的壁张力和振动响应的应变片。进一步，如上所述的深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其中，所述的供水管线系统包括与模型管线的上端连通的入口管线以及与模型管线的下端连通的出口管线，入口管线与出口管线之间设有旁路管线；入口管线和出口管线的两端分别设有阀门，出口管线的末端与水箱连接，水箱通过水箱出口管与水泵连接。更进一步，如上所述的深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其中，在所述的入口管线上设有压力表。进一步，如上所述的深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其中，在模型管线的上部和下部均设有卡盘；当反力架设置在固定架的下部时，下部的卡盘通过支架连接滑槽，滑槽设置在固定架的滑道上，上部的卡盘直接通过支架与固定架连接；当反力架设置在固定架的上部时，上部的卡盘通过支架连接滑槽，滑槽设置在固定架的滑道上，下部的卡盘直接通过支架与固定架连接。进一步，如上所述的深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其中，所述的水筒通过卡箍固定在固定架上，水筒内充满水；模型管线与水筒的筒底之间用玻璃胶密封。本专利技术的有益效果如下本专利技术能够通过张紧弹簧拉力计，使卡盘的支架沿滑道下移，模型管线被张紧，从而模拟施加张力；通过阀门和水泵的调节实现模型管线内压力的控制；通过扰动模型管线，使其产生自由振动，从而实现各种数据的测量和验证。本专利技术可以完成深水顶张式立管几何刚度的试验研究，为立管几何刚度计算提供依据和试验验证。附图说明图1为本专利技术的试验装置结构示意图。 具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描述。如图1所示，深水顶张式立管的几何刚度试验装置，包括设置在固定架13上的模型管线1，模型管线1外设有水筒2，模型管线1上、下端与供水管线系统连通。供水管线系统包括与模型管线1的上端连通的入口管线14以及与模型管线1的下端连通的出口管线 15，入口管线14与出口管线15之间设有旁路管线16。模型管线1的上端通过入口管线14 与水泵18的出口连接，在所述的入口管线14上设有压力表四，出口管线15的末端与水箱 31连接，水箱31通过水箱出口管17与水泵18的入口连接，所述的水泵18通过联轴节19 与电机20连接。入口管线14的两端装有阀门22和阀门26，以便控制模型管线1的压力； 出口管线15的两端装有阀门24、25 ；旁路管线16与入口管线14之间还设有阀门23。在固定架13的上部或下部设有反力架11，本实施例中反力架11设置在固定架13 的下部。反力架U上设有反力架加强肋12，反力架11和反力架加强肋12焊接连接并焊接固定在固定架13上，反力架11通过弹簧与设置在模型管线1下部的卡盘3连接，所述的弹簧上设有弹簧拉力计28。在模型管线1上贴有用于测量模型管线的壁张力和振动响应的应变片27。在模型管线1的上部和下部均设有卡盘7和卡盘3，下部的卡盘3通过支架4连接滑槽6，滑槽6设置在固定架13的滑道10上；上部的卡盘7直接通过支架8与固定架13 连接。支架4上焊接有支架加强筋5，支架8上焊接有支架加强筋9。本领域的技术人员可以理解，当反力架设置在固定架上部时，上部的卡盘7的支架应装滑槽，滑道也应设置在上部，而卡盘3则不再需要滑槽，而应固定，即卡盘3和卡盘7的设置方式互换。所述的水筒2通过卡箍30固定在固定架13上，水筒2内充满水；模型管线1与水筒2的筒底之间用玻璃胶密封。采用上述装置进行深水顶张式立管的几何刚度试验的方法如下(1)水箱31充水将水箱31充水至入口管线15之下，水筒2不充水。(2)向模型管线1充水开启阀门21、22、26、25和24，关闭阀门23，启动水泵18。(3)保持模型管线1的水不流动当水箱31的入口管线15正常出水后，关闭阀门25和沈，关闭水泵18，保持模型管线1内的水压为静水头压力，此时，应变片27的应变为零，即模型管线1的内压没有引起管壁张力。(4)对模型管线1施加张力张紧弹簧拉力计观，使卡盘3的支架4沿滑道10下移，模型管线1被张紧。从应变片27可读出模型管线1的应变，应变应介于500 1500。由于模型管线1内的静水压头压力没有产生轴向应变，因此，应变片27的读数全部是张力引起的，则此时截面的有效张力等于管壁张力Te = Tw(5)自由振动测试记录弹簧拉力计观和应变片27的读数，然后扰动模型管线1，使其产生自由振动， 记录下应变片27随时间变化的数据(应变时程)。(6)固有频率计算对应变时程作谱分析，如快速傅里叶变换，求出有效张力等于管壁张力时的模型管线1的固有频率f\。(7)卸除模型管线1的张力释放弹簧拉力计观，使模型管线1的应变减小至零。(8)增加模型管线1内的水压力关闭阀门22和24，开启阀门23和25，松开卡盘3，开启水泵18，使模型管线1内的水压力增大至应变片27的读数与步骤(4)中施加张力产生的应变相等，即壁张力与步骤 4的壁张力相等，关闭阀门23、25和水泵18，拧紧卡盘3。此时的壁张力为Tw = PiAi因此，有效张力为Te = Tw-PiAi = 0。(9)自由振动测试扰动模型管线1，使其产生自由振动，记录下应变片27随时间变化的数据(应变时程)。(10)重复步骤(6)，求本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其特征在于：包括设置在固定架（１３）上的模型管线（１），模型管线（１）外设有水筒（２），模型管线（１）上、下端与供水管线系统连通；在固定架（１３）的上部或下部设有反力架（１１），反力架（１１）通过弹簧与设置在模型管线（１）上部或下部的卡盘连接，所述的弹簧上设有弹簧拉力计（２８）；在模型管线（１）上贴有用于测量模型管线（１）的壁张力和振动响应的应变片（２７）。
【技术特征摘要】
1.一种深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其特征在于包括设置在固定架(13)上的模型管线(1)，模型管线(1)外设有水筒O)，模型管线(1)上、下端与供水管线系统连通；在固定架(1 的上部或下部设有反力架(11)，反力架(11)通过弹簧与设置在模型管线(1)上部或下部的卡盘连接，所述的弹簧上设有弹簧拉力计08)；在模型管线(1)上贴有用于测量模型管线(1)的壁张力和振动响应的应变片07)。2.如权利要求1所述的深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其特征在于所述的供水管线系统包括与模型管线(1)的上端连通的入口管线(14)以及与模型管线(1)的下端连通的出口管线(15)，入口管线(14)与出口管线(15)之间设有旁路管线(16)。3.如权利要求2所述的深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其特征在于所述的入口管线(14)和出口管线(15)的两端分别设有阀门(22、26、24、25)，出口管线(15)的末端与水箱(31)连接，水箱(31)通过水箱出口管(17)与水泵(1 连接。4.如权利要求2或3所述的深水顶张式立管的几何刚度试验装置，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄维平，杨超凡，李倩，顾恩凯，范杰利，吴学敏，周阳，魏东泽，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95
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