一種基于明渠實驗水槽的懸掛柔性立管渦激振動測試方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋立管渦激振動實驗測試技術領域，具體涉及一種基于明渠實驗水 槽的懸掛柔性立管渦激振動測試方法。
【背景技術】
[0002] 2014年，我國石油對外依存度已達59. 5%，如此大的能源缺口必然會對我國經濟 發(fā)展和國家安全產生重要的影響。為保障我國工農業(yè)生產的正常運轉，捍衛(wèi)我國的國防安 全，就必須加大油氣資源的開發(fā)力度。由于陸上油氣資源衰竭迅速，為了提高采收率和增加 油氣產量，陸上油田企業(yè)被迫開采低滲和超低滲油田、邊際油田、煤層氣和頁巖氣等，但相 關的開采技術還不夠成熟，開采成本較高，未取得預期的回報。
[0003] 因此，我們不得不把目光轉移到"藍色國土" 一一海洋上。海上油氣開采中必然 涉及到海洋立管和懸跨輸送管等管線，且隨著開采水深的加大，這些管線的長度也在增加， 使得它們的長徑比越來越大，猶如一根頭發(fā)絲懸掛在海水中，在海流的沖擊下顯得"弱不經 風"。海洋立管處于海風、波浪和海流共同構成的海洋環(huán)境中，將面臨風、浪、流多重載荷的 誘導振動威脅，極易誘發(fā)疲勞損傷。
[0004] 通過實驗研究分析海洋立管的工作狀態(tài)能夠為現場提供參考，但直接以海洋立管 原型進行實驗研究，其成本極高，且具有極大的風險?，F有的海洋立管渦激振動實驗主要在 循環(huán)水槽和模擬水池中進行，采用應變片、加速度傳感器、位移傳感器等測試立管的振動響 應，但這些測試儀器均需安裝在立管表面，勢必改變立管周圍的繞流流場，從而改變立管的 振動響應，造成振動測試采集的數據存在一定的偏差。有些測試儀器還需接線通電，使得立 管模型牽連了多根線纜，不僅影響立管的正常振動響應，還存在漏電隱患。因此，目前亟需 一種成本低廉、安全穩(wěn)定、對流場無干擾的立管渦激振動實驗測試方法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于明渠實驗水槽的經濟安全、非介入、無干擾的懸 掛柔性立管渦激振動測試方法。
[0006] 為了實現上述目的，本發(fā)明采取如下技術方案：一種基于明渠實驗水槽的懸掛柔 性立管渦激振動測試方法，該測試方法采用明渠實驗水槽，包括如下操作步驟：
[0007] 步驟一：布置實驗立管
[0008] 首先，在實驗用柔性立管表面用油性記號筆標記尺寸大小相同的標記點。然后，將 柔性立管布置在水槽中間實驗段垂直縱向斷面上，使柔性立管的凹面正對水流來向，柔性 立管的一端通過固定吸盤吸附在水槽底部鋼化玻璃上，并由立管封帽封住柔性立管端部管 口；柔性立管的另一端與角度調節(jié)器相連，角度調節(jié)器固定在帶升降桿件的水槽滑軌車上。 根據柔性立管的總長度和實驗要求的水深高度，為使柔性立管能夠剛好全部浸沒在水中， CN 105157943 A I兄明書 2/5 頁 按照懸鏈線自由懸掛的理論公式
別計算柔性立管的水平長度和頂部懸掛角，然后依據水平標尺推動水槽滑軌車，使得柔性 立管水平長度達到要求，依據下游水深標尺調節(jié)水槽滑軌車的升降桿件，使得柔性立管的 垂直高度等于水深高度，并調整角度調節(jié)器使得頂部懸掛角達到要求。
[0009] 其中：L為柔性立管總長度（m)，H為水深高度（m)，L。為柔性立管水平長度（m)，Θ 為頂部懸掛角（° )。
[0010] 所述水槽由鋼結構骨架和鋼化玻璃壁面圍成，其上游端與水庫焊接成一體，水庫 與水槽連接處設有閘板。水槽下游端下方設液壓升降支座。水槽縱向兩側壁上端設有滑 軌，滑軌上安裝有兩臺水槽滑軌車，一臺水槽滑軌車上安裝有可升降的桿件，桿件下端固定 有角度調節(jié)器；另一臺水槽滑軌車上安裝有可升降的測速儀固定支架，測速儀固定支架為 中空環(huán)抱結構。水槽中間實驗段外側壁垂向貼有上游、下游兩條水深標尺，水槽中間實驗段 外側壁上邊緣貼有一條水平標尺。水槽下游端出口設堰板，堰板缺口形狀為三角形，堰板升 降由堰板升降機控制，通過限位滾輪使其在升降的過程中緊貼水槽，保持垂直升降。水槽堰 板出口下方為蓄水池，蓄水池內布置有水栗，水栗出口通過供水管連接至水庫內坐底整流 孔板的上游。
[0011] 所述水庫由鋼質板材焊接而成，水庫內腔中間位置布有坐底整流孔板，水庫下方 設有帶鉸支座。
[0012] 步驟二：構造明渠實驗水槽的水流環(huán)境
[0013] 在水庫內緊貼閘板的后方布置一填充框，并于其中放置鋼絲球。調整水槽下游端 下方的液壓升降支座，使水槽底坡達到要求的坡度。將蓄水池中裝滿水后開啟水栗，使蓄水 池中的水通過供水管栗送至水庫中，水流經坐底整流孔板整流后趨于穩(wěn)定。然后，水流流過 填充框后形成剪切流。改變水栗栗速和調節(jié)堰板高度，觀察水深標尺，使得水槽中水位達到 要求的穩(wěn)定水深，并檢查柔性立管是否剛好全部浸沒于水中。
[0014] 步驟三：布置測試儀器
[0015] 將聲學多普勒測速儀通過測速儀固定支架的中空環(huán)抱結構安裝在水槽滑軌車上， 推動水槽滑軌車使其位于上游水深標尺處，以便測速時升降測速儀固定支架可進行高度參 照。
[0016] 將仰視高速攝像機布置于水槽中間實驗段底部柔性立管下側，用于拍攝柔性立管 的橫向振動。將正視高速攝像機布置于水槽一側正對柔性立管，用于拍攝柔性立管的縱向 和垂向振動。仰視高速攝像機及正視高速攝像機連接有同步觸發(fā)器，可由同步觸發(fā)器觸發(fā) 進行同步拍攝。調節(jié)兩臺高速攝像機的景深和光圈，使它們均可捕捉柔性立管的全景并清 晰辨認柔性立管上標記的所有標記點。
[0017] 步驟四：測試剪切流的速度剖面
[0018] 調整測速儀固定支架的高度，使聲學多普勒測速儀測速點位于水槽底部，從水槽 底部開始測量流速。然后，每隔2mm升高一次測速儀固定支架，使得聲學多普勒測速儀可以 測得對應水深的流速，直到測至水面，從而得到整個剪切流的速度剖面。
[0019] 步驟五：測試柔性立管的振動響應
[0020] 啟動仰視高速攝像機及正視高速攝像機同步拍攝柔性立管的振動圖像，記錄足夠 長的時間后停止拍攝。將拍攝得到的視頻圖像進行后處理分析，利用柔性立管標記點的實 際長度與其在圖像上所占的像素單元，可以將圖像尺寸與實際尺寸關聯。由于視頻圖像按 時間序列保存，通過每幀圖像上的柔性立管標記點中心位置的比對，可以得到標記點中心 位置在整個時間段內位移隨時間的變化情況。綜合所有標記點的振動位移，可以得到整根 柔性立管的振動位移隨時間的變化情況，從而得到在一定剪切流速度剖面條件下柔性立管 的振動響應規(guī)律。
[0021] 本發(fā)明由于采用以上技術方案，具有以下優(yōu)點：
[0022] 1、本發(fā)明的水槽流量和水深可以根據需要進行調節(jié)，能夠制造不同來流速度的海 流條件以滿足不同工況下的懸掛柔性立管渦激振動測試；
[0023] 2、本發(fā)明的柔性立管材料及長度、直徑可以根據需要選擇，能夠滿足不同材質、不 同尺寸的柔性立管渦激振動測試；
[0024] 3、本發(fā)明的水槽底坡可以調整，可滿足不同角度正坡、負坡以及平坡的實驗需 求；
[0025] 4、本發(fā)明填充框內填充的鋼絲球高度可以根據需要改變，以滿足制造不同的剪切 流速度剖面；
[0026] 5、本發(fā)明柔性立管上的標記點可以根據需要調整數量及間距，從而更加準確的捕 捉柔性立管被激發(fā)的振動模態(tài)；
[0027] 6、本發(fā)明采用非介入、無干擾的高速攝像捕捉標記點位移的方法，克服了應變片、 加速度傳感器及位移傳感器等影響流場的振動測試缺陷。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明實驗布置正視圖
[0029] 圖2為本發(fā)明實驗布置俯視圖
[0030] 其中：1、水槽；2、蓄水池；3、水庫；4、整流孔板；5、填充框；6、閘板；7、帶鉸支座； 8、水深標尺；9、水平標尺；10、液壓升降支座；11、堰板升降機；12、堰板；13、限位滾輪；14、 水栗；15、供水管；16、水槽滑軌車；17、測速儀固定架；18、角度調節(jié)器；19、固定吸盤；20、 立管封帽；21、柔性立管；22、標記點；23、聲學多普勒測速儀；24、仰視高速攝像機；25、正視 尚速攝像機。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步描述。
[0032] 如圖1所示，一種基于明渠實驗水槽的懸掛柔性立管渦激振動測試方法，該測試 方法采用明渠實驗水槽，具體包括如下操作步驟：
[0033] 步驟一：布置實驗立管
[0034] 首先，在實驗用柔性立管21表面用油性記號筆標記尺寸大小相同的標記點22。 然后，將柔性立管21布置在水槽1中間實驗段垂直縱向斷面上，使柔性立管21的凹面正 對水流來向，柔性立管21的一端通過固定吸盤19吸附在水槽1底部鋼化玻璃上，并由立 管封帽20封住柔性立管21端部管口；柔性立管21的另一端與角度調節(jié)器18相連，角度 調節(jié)器18固定在帶升降桿件的水槽滑軌車16上。根據柔性立管21的總長度和實驗要求 的水深高度，為使柔性立管21能夠剛好全部浸沒在水中，按照懸鏈線自由懸掛的理論公式
分別計算柔性立管21的水平長度和 頂部懸掛角，然后依據水平標尺9推動水槽滑軌車16,使得柔性立管21水平長度達到要求， 依據下游水深標尺8調節(jié)水槽滑軌車16的升降桿件，使得柔性立管21的垂直高度等于水 深高度，并調整角度調節(jié)器18使得頂部懸掛角達到要求。
[0035] 其中：L為柔性立管21總長度（m)，H為水深高度（m)，L。為柔性立管21水平長度 (