[發(fā)明專利]深水頂張式立管的復雜彎曲試驗裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710539016.3
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107478508B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設計）人: 周陽;楊忠良;葉欽;張俊彪;施偉勇;謝鳴
• 申請（專利權）人: 浙江海洋大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 浙江杭知橋律師事務所 33256
• 代理人: 王梨華;陳麗霞

本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究試驗裝置，公開了深水頂張式立管的復雜彎曲試驗裝置，該裝置包括設置在固定架上的模型管線(1)，模型管線(1)上、下兩端側面與供水管線系統(tǒng)連接；模型管線(1)上端采用卡盤固定并通過支架連接到固定架上；在固定架(16)的下部設有反力架(14)，反力架(14)通過彈簧與第二卡盤(2)連接；模型管線(1)上、下兩端有活塞，活塞尾部安裝有控制活塞的卡扣；在模型管線上貼有應變片，用來測量模型管線的壁張力和振動響應；在模型管線的上端設有壓力表，用來測量模型管線內的壓力。本發(fā)明可以實現深水頂張式立管的復雜彎曲試驗研究，為立管復雜彎曲計算提供依據和試驗驗證。

技術領域

本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究試驗裝置，尤其涉及了深水頂張式立管的復雜彎曲試驗裝置。

背景技術

深水頂張式立管是一種適用于深水環(huán)境的海洋立管，立管的作用在于連接海底井口與海洋石油平臺，通過海洋立管可以將海底的石油天然氣等資源源源不斷地運向石油平臺。深水頂張式立管的復雜彎曲是指立管在受到軸向張力時，在外載荷作用下的彎曲變形，其計算理論建立在梁的復雜彎曲理論基礎之上，其彎曲變形的幾何剛度取決于管線自身的抗彎剛度以及受張力影響后抗彎剛度的變化。而梁的復雜彎曲理論針對的是實心梁問題(中空的箱梁等結構在廣義上也可以等效為實心梁)，其發(fā)生復雜彎曲時張力完全由梁的橫截面纖維束承擔。然而立管內部充斥著液體，液體不會承擔任何張力，但卻可以承擔壓力，因此具有一定內壓的立管其液體的作用與實心梁的固體纖維作用是完全不同的。內壓的作用對于立管壁的徑向擠壓是恒定存在的，徑向的壓力會使立管壁產生環(huán)向的壁張力，這是內壓存在時產生的不可避免的影響，而實心梁的復雜彎曲問題不存在這種情況。另外，內壓在立管軸線方向產生的壓力是否會傳遞到立管的橫截面纖維上對于立管的復雜彎曲是兩種不一樣的情況，應區(qū)別對待。因此，具有內壓立管的復雜彎曲應根據其實際受力特征來確定選用壁張力、有效張力或者其他形式進行計算。

但是，目前深水頂張式立管復雜彎曲的計算普遍采用有效張力，而立管的有效張力則是根據浮力原理和力的平衡條件推導出來的。對于長細比較大的頂張式立管，可忽略其剪切變形。因此，其兩向彎曲問題可采用Euler-Bernoulli梁的復雜彎曲理論。其運動方程為：

式中：EI為抗彎剛度；T為張力；m為TTR單位長度質量；c為結構阻尼和流體阻尼；x(z,t)為XOZ平面內的撓曲線(順流向)；y(z,t)為YOZ平面內的撓曲線(橫流向)；f_x(z,t)為XOZ平面內的外荷載，即渦泄引起的脈動拖曳力；f_y(z,t)為YOZ平面內的外荷載，即渦激升力；z為水深坐標。

式(1)是順流向TTR運動微分方程，式(2)是橫流向TTR運動微分方程。

上述計算方法的不恰當之處是忽略了立管內壓帶來的管壁張力變化，尤其在數模中通常用等效截面剛度的實心梁代替立管模型，完全忽略內壓的影響，立管內的液體作用僅以質量的存在參與到立管的復雜彎曲計算中，從而導致現有立管復雜彎曲計算的不盡合理。

立管的復雜彎曲計算應該采用管壁張力、有效張力或者其他的形式已經受到國內外學者的廣泛關注，而解決這一問題的最有效方法是進行試驗研究。至今為止，仍沒人完成對立管復雜彎曲問題的試驗研究工作。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現有技術的缺點，提供了深水頂張式立管的復雜彎曲試驗裝置，從而解決深水頂張式立管復雜彎曲的計算問題。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案得以解決：