[發(fā)明專利]模擬鋼懸鏈線立管與海床動力耦合的裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310339182.0
• 申請日: 2013-08-06
• 公開（公告）號: CN103439130A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高福平;姜海洋;臧志鵬;漆文剛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 王藝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域為深水海洋工程、海洋土力學、流固土耦合、海底管道工程等。

背景技術(shù)

立管是連接海上浮式結(jié)構(gòu)與海底油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，鋼懸鏈線立管（SCR）是深水立管的主要形式。在海洋工程環(huán)境中，鋼懸鏈線立管通常與海床土體存在著復雜的動力耦合作用，是影響立管安全的主要因素。立管與海床的動力耦合作用主要涉及（1）波浪載荷下浮式平臺升沉運動誘導的立管與海床土體間的拍擊作用；（2）海底近床面海流載荷作用下，SCR近床段管道往復運動與土體局部沖刷的流固土耦合效應。由此可引起立管局部應力放大，在長期往復運動下容易引起結(jié)構(gòu)疲勞破環(huán)等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種模擬鋼懸鏈線立管與海床動力耦合的方法及裝置，以研究鋼懸鏈線立管與海床的動力耦合作用，為立管的設(shè)計、安裝及維護提供科學依據(jù)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種模擬鋼懸鏈線立管與海床動力耦合的方法，其包括如下過程：

（1）截取立管靠近海床段，即立管近床段；在一水槽內(nèi)模擬出海床；將立管近床段的下端與海床連接；

（2）在水槽內(nèi)模擬出海流；

（3）用位移控制的加載裝置模擬浮式平臺運動引起的立管近床段上端隨時間的運動位移；

（4）同步測量立管近床段與海床、海流的動力耦合參數(shù)。

一種模擬鋼懸鏈線立管與海床動力耦合的裝置，其包括水槽、循環(huán)水流控制系統(tǒng)、立管-海床結(jié)合模型、模擬浮式平臺對立管近床段上端施加影響的加載裝置、立管近床段結(jié)構(gòu)的流固土耦合參數(shù)測量系統(tǒng)，所述循環(huán)水流控制系統(tǒng)用于在水槽內(nèi)產(chǎn)生不同流速和流向的水流，以模擬海流，所述立管-海床結(jié)合模型設(shè)于水槽內(nèi)，所述立管-海床結(jié)合模型包括立管近床段、海床、立管-海床結(jié)合器，所述立管近床段的下端通過立管-海床結(jié)合器與海床連接。

優(yōu)選地，所述模擬鋼懸鏈線立管與海床動力耦合的裝置還包括砂雨法海床制備系統(tǒng)，所述海床由砂雨法海床制備系統(tǒng)生成。

優(yōu)選地，所述加載裝置包括連桿、水平和豎直雙向往復運動裝置、運動控制裝置，所述連桿的下端與立管近床段的上端連接，連桿的上端與水平和豎直雙向往復運動裝置連接，所述運動控制裝置用于控制水平和豎直雙向往復運動裝置的水平和豎直雙向往復運動。

優(yōu)選地，水平和豎直雙向往復運動裝置包括水平安裝架、水平往復運動機構(gòu)、豎直安裝架和豎直往復運動機構(gòu)，所述水平往復運動機構(gòu)安裝在水平安裝架上，其執(zhí)行端與豎直安裝架連接，所述豎直往復運動機構(gòu)安裝在豎直安裝架上，其執(zhí)行端與連桿連接。

優(yōu)選地，所述水平往復運動機構(gòu)或/和豎直往復運動機構(gòu)包括步進電機和平行四邊形伸縮機構(gòu)，所述平行四邊形伸縮機構(gòu)由步進電機驅(qū)動伸縮。

優(yōu)選地，所述立管-海床結(jié)合器包括接頭、墊板和固定螺栓，所述接頭包括一連管段和一墊板段，所述接頭的連管段呈圓柱形，其插入立管近床段下端內(nèi)，與立管近床段下端連接，接頭的墊板段搭在墊板上，墊板放置在海床上，固定螺栓穿過接頭的墊板段和墊板，并固定在海床上。

優(yōu)選地，所述立管近床段結(jié)構(gòu)的流固土耦合參數(shù)測量系統(tǒng)包括超聲多普勒流速儀、光纖布拉格光柵應變傳感器、拉力傳感器，所述超聲多普勒流速儀用于測量水槽內(nèi)的流場速度，所述光纖布拉格光柵應變傳感器軸向設(shè)置在立管近床段表面，用于測量立管近床段應變，所述拉力傳感器設(shè)置在立管近床段的上端與連桿的下端間，用于測量立管近床段所受的軸向力。

優(yōu)選地，所述立管近床段結(jié)構(gòu)的流固土耦合參數(shù)測量系統(tǒng)還包括用于測量立管近床段運動位移的六自由度運動測量儀和發(fā)光二極管標志，所述發(fā)光二極管標志設(shè)置在立管近床段表面，以輔助六自由度運動測量儀進行測量。

優(yōu)選地，所述立管近床段結(jié)構(gòu)的流固土耦合參數(shù)測量系統(tǒng)還包括用于測量海床沖刷變形的光學成像地形測量儀。

可選地，所述水平往復運動機構(gòu)或/和豎直往復運動機構(gòu)為電動推拉桿。

可選地，所述水平往復運動機構(gòu)或/和豎直往復運動機構(gòu)為步進電機直接驅(qū)動的絲杠螺母副。

可選地，所述接頭的連管段和墊板段通過萬向節(jié)連接。

可選地，所述接頭的連管段和墊板段為一體結(jié)構(gòu)。

可選地，所述連桿由三段桿件通過兩個鉸接接頭串接而成。

可選地，所述連桿由兩段桿件通過一固接接頭連接而成，且兩段桿件的夾角可調(diào)。