專利名稱：一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究試驗(yàn)裝置，具體涉及一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
深水頂張式立管是深水海洋立管的一種主要類型，立管的下端與海底井口連接， 管壁張力直接作用在井口上，而管內(nèi)的流體源源不斷地從海底穿過立管流向浮式平臺(tái)。深水頂張式立管的頂張力計(jì)算是設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)，如果頂張力設(shè)計(jì)值偏低，則有可能造成立管的壓曲，頂張力設(shè)計(jì)值偏高則可能造成立管斷裂。而且頂張力還直接關(guān)系到立管固有頻率的計(jì)算，如果頂張力計(jì)算的不準(zhǔn)確，則設(shè)計(jì)的固有頻率可能與立管實(shí)際的固有頻率產(chǎn)生較大的偏差，嚴(yán)重時(shí)，可能造成立管的固有頻率與海洋環(huán)境荷載的卓越頻率接近而引發(fā)共振。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算立管的頂張力對(duì)于立管的設(shè)計(jì)分析和研究都有著重要的意義。目前，立管的頂張力是采用設(shè)計(jì)頂張力系數(shù)乘以立管及管內(nèi)流體在海水中的重量，即認(rèn)為立管內(nèi)的流體重量對(duì)管壁張力有貢獻(xiàn)。具體計(jì)算公式如下Ttop 一 fχ (Wriser+Wfluid-Wdisplacedwater)(1)式中Tt。p為立管的頂張力；&為頂張力系數(shù)；Wriser為立管的重量；Wfluid為立管內(nèi)流體的重量；Wdisplacedwater為立管排開水的重量。而實(shí)際上，立管的底端是連接在海底井口上的，正常生產(chǎn)時(shí)，管內(nèi)的流體從油井穿過立管流向水面的浮式平臺(tái)，無論立管在頂張力的作用下發(fā)生怎樣的軸向變形，只要立管的橫截面不折曲，流體的流動(dòng)都不會(huì)受到影響。因此，立管內(nèi)流動(dòng)的流體對(duì)頂張力沒有影響。除非海底井口的閥門關(guān)閉，被鎖定在立管內(nèi)的流體重量可能對(duì)立管的頂張力有貢獻(xiàn)，不過，這也未得到證實(shí)。深水頂張式立管的有效張力是立管設(shè)計(jì)和分析的另一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響到立管的幾何剛度計(jì)算，從而影響立管的動(dòng)力特性和響應(yīng)計(jì)算，直至影響立管的疲勞設(shè)計(jì)分析。如果有效張力計(jì)算值不準(zhǔn)確，則立管的幾何剛度計(jì)算值與立管實(shí)際的幾何剛度產(chǎn)生偏差，可能造成立管的固有頻率與海洋環(huán)境荷載的卓越頻率接近而引發(fā)共振。目前，深水頂張式立管的有效張力是基于浮力原理和平衡條件分析得到的，可表示為Te = Tw-PiA^P0A0(2)式中TW為立管管壁張力；Pi，P。分別為立管的內(nèi)、外流體的壓力，其中Pi不包括靜水頭壓力；Ai，Atl分別為立管的內(nèi)、外壁橫截面積。其中假設(shè)立管的微元段(包括內(nèi)部流體)兩端直接受到海水的作用，這與實(shí)際情況有較大的差異。立管的下端與海底井口連接，上端高于海平面，因此，立管的任何一個(gè)微元段兩端都不受海水的直接作用，上述有效張力計(jì)算公式中與外壓有關(guān)的項(xiàng)是不合理的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有深水頂張式立管研究的缺陷，提供一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，為深水頂張式立管的頂張力和有效張力計(jì)算提供依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，包括設(shè)置在底座上的支架，以及設(shè)置在支架上端的反力架，反力架通過彈簧與模型管線上端的卡盤連接，所述的模型管線外設(shè)有外壓水筒，模型管線底端連接內(nèi)壓水箱，在模型管線上設(shè)有若干個(gè)應(yīng)變計(jì)。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的卡盤通過卡盤支架與滑槽相連接，滑槽設(shè)置在支架的滑道上。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的反力架與卡盤之間的彈簧上設(shè)有用于改變模型管線的頂張力的彈簧拉力計(jì)。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的模型管線的上部通過回流管與蓄水箱連接，蓄水箱與內(nèi)壓水箱之間設(shè)有水泵，水泵入口管連接蓄水箱，水泵出口管連接內(nèi)壓水箱。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的模型管線的下端通過入口閥門及短管與內(nèi)壓水箱連通，短管與內(nèi)壓水箱固定連接。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的外壓水筒通過卡箍和卡箍支座與支架固定連接。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的模型管線穿過外壓水筒的筒底處采用玻璃膠密封。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的模型管線的上端設(shè)有壓力表。進(jìn)一步，如上所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其中，所述的應(yīng)變計(jì)分別粘貼在模型管線的上、中、下三個(gè)位置處。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明通過張緊或松弛彈簧拉力計(jì)可改變模型管線的頂張力，通過短管與內(nèi)壓水箱固結(jié)來模擬立管與海底井口的連接，可以選擇零內(nèi)壓和最大內(nèi)壓之間的多個(gè)壓力分別進(jìn)行頂張力試驗(yàn)、內(nèi)壓作用的有效張力試驗(yàn)、內(nèi)外壓作用的有效張力試驗(yàn)和外壓作用的有效張力試驗(yàn)，更充分地驗(yàn)證深水頂張式立管的有效張力計(jì)算公式的正確性。本發(fā)明可以完成深水頂張式立管的頂張力和有效張力試驗(yàn)研究，為深水頂張式立管的頂張力和有效張力計(jì)算提供依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。


圖1為本發(fā)明的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置包括設(shè)置在底座11上的支架12，底座11與支架12焊接連接，支架12上端設(shè)有反力架13，反力架13與支架12 焊接連接。模型管線1上端設(shè)有卡盤14，反力架13通過彈簧與卡盤14連接?？ūP14與卡盤支架15焊接連接，加強(qiáng)板16與卡盤支架15焊接連接，滑槽17與卡盤支架15和加強(qiáng)板 16焊接連接，滑道18與支架12焊接連接，滑槽17可在滑道18上自由滑動(dòng)。在反力架13 與卡盤14之間的彈簧上設(shè)有彈簧拉力計(jì)21，通過張緊或松弛彈簧拉力計(jì)21，可改變模型管線1的頂張力。模型管線1外設(shè)有外壓水筒2，外壓水筒2上設(shè)有卡箍19，卡箍19與卡箍支架20焊接連接后，焊接固定在支架12上，外壓水筒2通過卡箍19固定在支架12上。應(yīng)變計(jì)22、23和M粘貼在模型管線1的上、中、下三個(gè)截面，模型管線1穿過外壓水筒2的筒底處采用玻璃膠密封，使其具有一定的彈性，不影響拉伸變形。模型管線1的上端裝有壓力表25，下端通過入口閥門4及短管沈與內(nèi)壓水箱3連通，短管沈與內(nèi)壓水箱3固結(jié)，以模擬立管與海底井口的連接。模型管線1的上部通過回流管6與蓄水箱7連接，回流管6上設(shè)有出口閥門5，蓄水箱7與內(nèi)壓水箱3之間設(shè)有水泵8，水泵8的入口管10連接蓄水箱7， 水泵8的出口管9連接內(nèi)壓水箱3。利用本發(fā)明所述裝置的具體試驗(yàn)方法如下向蓄水箱7內(nèi)充水，同時(shí)開啟入口閥門4和出口閥門5，啟動(dòng)水泵8，使系統(tǒng)內(nèi)充水至回流管6的水流入蓄水箱7，待蓄水箱7的水位略低于回流管6的下端口時(shí)停止充水。保持系統(tǒng)內(nèi)的水正常流動(dòng)，使壓力表25和應(yīng)變計(jì)22、23、M的讀數(shù)為零。然后張緊彈簧拉力計(jì)21，使應(yīng)變計(jì)22、23和M的最小應(yīng)變值達(dá)到200 1000個(gè)微應(yīng)變，記錄彈簧拉力計(jì)21和應(yīng)變計(jì)22、23、M的讀數(shù)。一、頂張力試驗(yàn)關(guān)閉水泵8，同時(shí)關(guān)閉出口閥門5和入口閥門4，觀察壓力表25的讀數(shù)是否變化， 如果壓力不為零，則略微開啟閥門5釋放壓力，使壓力表讀數(shù)降至零并迅速關(guān)閉閥門5，以保持模型管內(nèi)的水量與正常流動(dòng)時(shí)相等，觀察彈簧拉力計(jì)21和應(yīng)變計(jì)22、23、M的讀數(shù)是否發(fā)生變化，記錄彈簧拉力計(jì)21和應(yīng)變計(jì)22、23、M的讀數(shù)。對(duì)彈簧拉力計(jì)21和應(yīng)變計(jì)22、23、M的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比系統(tǒng)內(nèi)水正常流動(dòng)和不流動(dòng)兩種狀態(tài)條件下模型管線1的頂張力和管壁張力。如果多次試驗(yàn)結(jié)果的眾數(shù)表明兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力相等，則驗(yàn)證了管內(nèi)流體的重量對(duì)頂張力沒有影響，因此， 頂張力計(jì)算時(shí)不應(yīng)計(jì)算管內(nèi)流體的重量。如果兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力不相等，應(yīng)對(duì)兩種狀態(tài)的頂張力和管壁張力差值進(jìn)行分析，如果該差值與管內(nèi)流體重量引起的頂張力和管壁張力的增量吻合，則頂張力計(jì)算時(shí)應(yīng)計(jì)算管內(nèi)流體的重量，否則，應(yīng)將該差值視為試驗(yàn)誤差。二、內(nèi)壓作用的有效張力試驗(yàn)開啟入口閥門4和水泵8，使模型管線1的管內(nèi)流體壓力升高。為了提高試驗(yàn)的信噪比，管內(nèi)流體壓力應(yīng)達(dá)到模型管線1的標(biāo)稱壓力。壓力升至預(yù)定壓力后，關(guān)閉入口閥門 4，保持管內(nèi)壓力不變，記錄彈簧拉力計(jì)21、壓力表25和應(yīng)變計(jì)22、23、M的讀數(shù)。將壓力表25和應(yīng)變計(jì)22、23、M的測(cè)試數(shù)據(jù)代入有效張力計(jì)算公式(背景技術(shù)中的公式( )，計(jì)算出應(yīng)變計(jì)22、23和M所在截面的有效張力，然后根據(jù)模型管線1的軸向平衡條件，分析應(yīng)變計(jì)22、23和M所在截面的有效張力與彈簧拉力計(jì)21代表的頂張力的平衡問題，如果各截面的有效張力與頂張力滿足平衡條件，則無外壓條件滿足有效張力計(jì)算公式O)。否則，有效張力的公式(2)是不正確的。三、內(nèi)外壓作用的有效張力試驗(yàn)保持上述有效張力試驗(yàn)的試驗(yàn)狀態(tài)不變，將外壓水筒2充滿水，記錄彈簧拉力計(jì) 21、壓力表25和應(yīng)變計(jì)22、23、24的讀數(shù)。重復(fù)內(nèi)壓作用的有效張力試驗(yàn)中相同的計(jì)算，得到有內(nèi)外壓條件下的有效張力計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計(jì)算公式O)的正確與否。四、外壓作用的有效張力試驗(yàn)開啟出口閥門5，使模型管線1的管內(nèi)流體壓力降至零，迅速關(guān)閉出口閥門5。然后，記錄彈簧拉力計(jì)21和應(yīng)變計(jì)22、23、M的讀數(shù)。重復(fù)內(nèi)壓作用的有效張力試驗(yàn)中相同的計(jì)算，得到僅有外壓條件下的有效張力計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)平衡條件確定有效張力計(jì)算公式O)的正確與否。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于包括設(shè)置在底座 (11)上的支架(12)，以及設(shè)置在支架(12)上端的反力架(13)，反力架(13)通過彈簧與模型管線(1)上端的卡盤(14)連接，所述的模型管線(1)外設(shè)有外壓水筒O)，模型管線(1) 底端連接內(nèi)壓水箱(3)，在模型管線(1)上設(shè)有若干個(gè)應(yīng)變計(jì)02、23、24)。
2.如權(quán)利要求1所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于 所述的卡盤(14)通過卡盤支架(1 與滑槽(17)相連接，滑槽(17)設(shè)置在支架的滑道(18) 上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的反力架(13)與卡盤(14)之間的彈簧上設(shè)有用于改變模型管線(1)的頂張力的彈簧拉力計(jì)01)。
4.如權(quán)利要求1所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于 所述的模型管線(1)的上部通過回流管(6)與蓄水箱(7)連接，蓄水箱(7)與內(nèi)壓水箱(3) 之間設(shè)有水泵(8)，水泵入口管(10)連接蓄水箱(7)，水泵出口管(9)連接內(nèi)壓水箱(3)。
5.如權(quán)利要求1或4所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的模型管線(1)的下端通過入口閥門(4)及短管06)與內(nèi)壓水箱C3)連通，短管 (26)與內(nèi)壓水箱(3)固定連接。
6.如權(quán)利要求1所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于 所述的外壓水筒( 通過卡箍(19)和卡箍支座OO)與支架(1 固定連接。
7.如權(quán)利要求1或7所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的模型管線(1)穿過外壓水筒O)的筒底處采用玻璃膠密封。
8.如權(quán)利要求1所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于 所述的模型管線(1)的上端設(shè)有壓力表05)。
9.如權(quán)利要求1所述的深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置，其特征在于 所述的應(yīng)變計(jì)02、23、24)分別粘貼在模型管線(1)的上、中、下三個(gè)位置處。
全文摘要
本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究試驗(yàn)裝置，具體涉及一種深水頂張式立管的頂張力及有效張力試驗(yàn)裝置。該裝置包括設(shè)置在底座上的支架，以及設(shè)置在支架上端的反力架，反力架通過彈簧與模型管線上端的卡盤連接，所述的模型管線外設(shè)有外壓水筒，模型管線底端連接內(nèi)壓水箱，在模型管線上設(shè)有若干個(gè)應(yīng)變計(jì)。本發(fā)明可以完成深水頂張式立管的頂張力和有效張力試驗(yàn)研究，為深水頂張式立管的頂張力和有效張力計(jì)算提供依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。
文檔編號(hào)G01L5/04GK102279071SQ201110161179
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者劉娟, 劉震, 吳學(xué)敏, 孫銘遠(yuǎn), 范杰利, 顧恩凱, 魏東澤, 黃維平 申請(qǐng)人:中國海洋大學(xué)