本發(fā)明涉及一種深水生產(chǎn)立管多相流振動實驗裝置及方法。

背景技術：

海洋立管是連接海洋油氣生產(chǎn)平臺與水下井口或海底管道的生命線，承擔著海洋油氣正常采輸?shù)闹厝?。海底管道建設成本高，多采用油氣混輸方式，管內流體屬于氣液兩相流，最常見的流型為段塞流。段塞流進入立管后，不僅會使管內壓力和出口流量呈現(xiàn)周期性劇烈波動，還會誘導管線振動，縮短立管的使用壽命，甚至會引發(fā)立管的疲勞破壞，嚴重影響安全生產(chǎn)。為了減輕和抑制振動對海洋立管造成的損害，需要更深入地了解管內段塞流的流動規(guī)律以及段塞流誘導海洋立管振動的機理。然而，現(xiàn)有的實驗裝置只能研究段塞流振動對立管的影響，而不能研究泡狀流、環(huán)狀流以及霧狀流振動對立管的影響，而且現(xiàn)有的實驗裝置中的立管只能對處于一種狀態(tài)下的立管進行研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種結構緊湊、采集數(shù)據(jù)精度高、立管可在不同位置狀態(tài)下進行不同多相流振動實驗、操作簡單的深水生產(chǎn)立管多相流振動實驗裝置及方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)：一種深水生產(chǎn)立管多相流振動實驗裝置，它包括透明水箱、透明軟管、設置于透明水箱內的豎直運動軌道系統(tǒng)、設置于透明水箱頂部的水平運動軌道系統(tǒng)，所述的豎直運動軌道系統(tǒng)和水平運動軌道系統(tǒng)的結構相同，豎直運動軌道系統(tǒng)包括伺服電機、底座A、底座B、皮帶輪A、皮帶輪B、移動座以及固定于底座A和底座B之間的導軌，底座A上固定有伺服電機，伺服電機的輸出端連接有皮帶輪A，底座B上旋轉安裝有皮帶輪B，皮帶輪A與皮帶輪B之間安裝有皮帶，移動座滑動安裝于導軌上且固定于皮帶上，移動座上設置有三通管，所述的豎直運動軌道系統(tǒng)的底座B固定于透明水箱的底部，所述的水平運動軌道系統(tǒng)的底座A和底座B分別固定于透明水箱前后側，兩個三通管之間連接有透明軟管，透明軟管上且沿其長度方向間隔布置有多個泡沫塊，透明軟管上設置有加速度傳感器；

它還包括控制箱、計算機、空壓機、調壓閥、儲水箱、流量計和水泵，所述的水泵的吸水口與透明水箱連通，空壓機的輸出端與豎直運動軌道系統(tǒng)的三通管之間連接有調壓閥，儲水箱的入口端與水平運動軌道系統(tǒng)的三通管之間連接有流量計；所述的控制箱與計算機、調壓閥、流量計、減速度傳感器和伺服電機連接。

所述的移動座上設置有皮帶通道、固定板和用于安裝導軌的軌道孔，皮帶貫穿皮帶通道且與固定板經(jīng)銷釘固定。

所述的移動座與三通管之間設置有支撐桿。

所述的水泵設置于透明水箱底部。

所述的調壓閥、流量計和伺服電機均通過信號線連接。

所述的空壓機通過氣管與豎直運動軌道系統(tǒng)的三通管連接。

所述的底座B內開設有凹槽，皮帶輪B旋轉安裝于凹槽內。

所述的裝置進行深水生產(chǎn)立管多相流振動的實驗方法，它包括以下步驟：

S1、利用透明軟管模擬生產(chǎn)立管，設計實驗中生產(chǎn)立管的尺寸以及內部流體流態(tài)以及所模擬生產(chǎn)立管的生產(chǎn)工況；利用泡沫塊模擬浮力塊；

S2、計算機經(jīng)控制箱控制豎直運動軌道系統(tǒng)和水平運動軌道系統(tǒng)的伺服電機做正反轉，將生產(chǎn)立管底部和頂部分別移動至實驗所需位置；

S3、將流量計、調壓閥以及生產(chǎn)立管上的加速度傳感器的數(shù)據(jù)進行歸零處理；

S4、啟動水泵和空壓機，在生產(chǎn)立管內部形成泡狀流，通過調節(jié)水泵功率和調壓閥節(jié)流大小以形成穩(wěn)定的流態(tài)；

S5、待泡狀流穩(wěn)定后，加速度傳感器測定生產(chǎn)立管的振動參數(shù)，同時利用流量計測定氣體流量和液體流量以計算泡狀流參數(shù)，加速度傳感器和流量計將各自采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱傳遞給計算機；

S6、逐漸增大氣體流量，依次形成段塞流、環(huán)狀流以及霧狀流，待每種流態(tài)穩(wěn)定之后，通過加速度傳感器測定每種穩(wěn)定流態(tài)下生產(chǎn)立管的振動參數(shù)，同時利用流量計測定氣體流量和液體流量以計算相應多相流參數(shù)，加速度傳感器和流量計將各自在相應多相流狀態(tài)下采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱傳遞給計算機；

S7、通過模態(tài)分析，進行數(shù)據(jù)處理，獲得不同多相流狀態(tài)下的生產(chǎn)立管的振動特性，從而實現(xiàn)了深水生產(chǎn)立管多相流振動的實驗。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：本發(fā)明結構緊湊、采集數(shù)據(jù)精度高、立管可在不同位置狀態(tài)下進行不同多相流振動實驗、操作簡單。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2 為豎直運動軌道系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3 為移動座與三通管的安裝示意圖；

圖4 為底座B與皮帶輪B的安裝示意圖；

圖5 為圖1的I部局部放大視圖；

圖中，1-透明水箱，2-透明軟管，3-豎直運動軌道系統(tǒng)，4-水平運動軌道系統(tǒng)，5-伺服電機，6-底座A，7-底座B，8-皮帶輪A，9-皮帶輪B，10-移動座，11-導軌，12-皮帶，13-三通管，14-泡沫塊，15-控制箱，16-計算機，17-空壓機，18-調壓閥，19-儲水箱，20-流量計，21-水泵，22-皮帶通道，23-固定板，24-軌道孔，25-支撐桿，26-信號線，27-氣管，28-凹槽。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述，本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述：

如圖1~5所示，一種深水生產(chǎn)立管多相流振動實驗裝置，它包括透明水箱1、透明軟管2、設置于透明水箱1內的豎直運動軌道系統(tǒng)3、設置于透明水箱1頂部的水平運動軌道系統(tǒng)4，透明水箱1中裝一定深度的水用于模擬海洋環(huán)境，透明水箱1主要是為了方便觀察管內的流態(tài)且方便觀察透明軟管2振動情況；所述的透明軟管1是通過相似理論計算，能產(chǎn)生與柔性生產(chǎn)立管一致的變形。所述的豎直運動軌道系統(tǒng)3和水平運動軌道系統(tǒng)4的結構相同，豎直運動軌道系統(tǒng)3包括伺服電機5、底座A6、底座B7、皮帶輪A8、皮帶輪B9、移動座10以及固定于底座A6和底座B7之間的導軌11，底座A6上固定有伺服電機5，伺服電機5的輸出端連接有皮帶輪A8，底座B7上旋轉安裝有皮帶輪B9，皮帶輪A8與皮帶輪B9之間安裝有皮帶12，移動座10滑動安裝于導軌11上且固定于皮帶12上，本實施例中移動座10上設置有皮帶通道22、固定板23和用于安裝導軌11的軌道孔24，皮帶12貫穿皮帶通道22且與固定板23經(jīng)銷釘固定。

如圖1和圖2所示，移動座10上設置有三通管13，移動座10與三通管13之間設置有支撐桿25，所述的豎直運動軌道系統(tǒng)3的底座B7固定于透明水箱1的底部，所述的水平運動軌道系統(tǒng)4的底座A6和底座B7分別固定于透明水箱1前后側，兩個三通管13之間連接有透明軟管2，透明軟管2上且沿其長度方向間隔布置有多個泡沫塊14，透明軟管2上設置有加速度傳感器，加速度傳感器能夠采集透明軟管2的振動參數(shù)。

如圖1所示，它還包括控制箱15、計算機16、空壓機17、調壓閥18、儲水箱19、流量計20和水泵21，所述的水泵21設置于透明水箱1底部，水泵21的吸水口與透明水箱1連通，空壓機17的輸出端與豎直運動軌道系統(tǒng)3的三通管13之間連接有調壓閥18，儲水箱19的入口端與水平運動軌道系統(tǒng)4的三通管13之間連接有流量計20，流量計20能夠實測出口的氣體流量和液體流量；所述的控制箱15與計算機16、調壓閥18、流量計20、減速度傳感器和伺服電機5連接，計算機16通過控制伺服電機5轉速來改變皮帶12運動速度和運動距離，控制皮帶12位置。所述的水泵21啟動后，可使透明水箱1中的水進入透明軟管2內以模擬采油過程，通過調節(jié)水泵21的功率，可以控制水流量大小。透明軟管2內的水能夠順次經(jīng)水平運動軌道系統(tǒng)4的三通管13、流量計20進入儲水箱19內收集。

所述的調壓閥18、流量計20和伺服電機5均通過信號線26連接；所述的空壓機17通過氣管27與豎直運動軌道系統(tǒng)3的三通管13連接；所述的底座B7內開設有凹槽28，皮帶輪B9旋轉安裝于凹槽28內。多相流的模擬：啟動空壓機17，空壓機17產(chǎn)出的空氣通過氣管27進入生產(chǎn)立管內，氣體通過豎直運動軌道系統(tǒng)3的三通管13進入生產(chǎn)立管與立管內的液體混合，進而形成多相流，再通過調節(jié)水泵21功率以及調壓閥18的節(jié)流大小，最終形成不同流態(tài)的多相流，如氣泡流、段塞流、環(huán)狀流、霧狀流。

如圖1所示，所述的裝置進行深水生產(chǎn)立管多相流振動的實驗方法，它包括以下步驟：

S1、利用透明軟管2模擬生產(chǎn)立管，設計實驗中生產(chǎn)立管的尺寸以及內部流體流態(tài)以及所模擬生產(chǎn)立管的生產(chǎn)工況；利用泡沫塊14模擬浮力塊；

S2、計算機16經(jīng)控制箱15控制豎直運動軌道系統(tǒng)3和水平運動軌道系統(tǒng)4的伺服電機5做正反轉，伺服電機5帶動皮帶輪A8轉動，皮帶輪A8經(jīng)皮帶12帶動皮帶輪B9轉動，皮帶12帶動移動座10沿著導軌11移動，將生產(chǎn)立管底部和頂部分別移動至實驗所需位置；因此可以任意改變生產(chǎn)立管的位置；

S3、將流量計20、調壓閥18以及生產(chǎn)立管上的加速度傳感器的數(shù)據(jù)進行歸零處理；

S4、啟動水泵21和空壓機17，在生產(chǎn)立管內部形成泡狀流，通過調節(jié)水泵21功率和調壓閥18節(jié)流大小以形成穩(wěn)定的流態(tài)；

S5、待泡狀流穩(wěn)定后，加速度傳感器測定生產(chǎn)立管的振動參數(shù)，同時利用流量計20測定氣體流量和液體流量以計算泡狀流參數(shù)，加速度傳感器和流量計20將各自采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱15傳遞給計算機16；

S6、逐漸增大氣體流量，依次形成段塞流、環(huán)狀流以及霧狀流，待每種流態(tài)穩(wěn)定之后，通過加速度傳感器測定每種穩(wěn)定流態(tài)下生產(chǎn)立管的振動參數(shù)，同時利用流量計20測定氣體流量和液體流量以計算相應多相流參數(shù)，加速度傳感器和流量計20將各自在相應多相流狀態(tài)下采集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制箱15傳遞給計算機16；

S7、通過模態(tài)分析，進行數(shù)據(jù)處理，獲得不同多相流狀態(tài)下的生產(chǎn)立管的振動特性，從而實現(xiàn)了深水生產(chǎn)立管多相流振動的實驗。因此本實驗裝置立管可在不同位置狀態(tài)下進行不同多相流振動實驗。