CN109211517A - 一种深水测试管柱动力学行为的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水测试管柱动力学行为的实验装置。本装置包括氮气气瓶，氮气减压阀，流量计，连接管线，微型压力传感器，激光测速传感器，挠性接头，隔水管柱，声学多普勒流速剖面仪，应变花，数据采集电缆，显示器，海洋波流同造实验水槽，管柱支架，测试管柱，机械流速仪；所述氮气气瓶产生高压气流，经过氮气减压阀减小到所需要的压力，应变花采集到高压气流引起测试管柱变形的数据，激光测速传感器采集管柱整体变形，微型压力传感器采集管柱轴向方向的受力大小，显示在显示器上面。本发明的优点在于：可模拟多种海洋情况、安全可靠、操作方便、测量数据准确。

Description

一种深水测试管柱动力学行为的实验装置

技术领域

本发明主要应用在深水流体力学和天然气开采技术领域，是一种深水测试管柱动力学行为的实验装置。

背景技术

在高压气井管柱中流过高压气体、流量和压力不断变化以及频繁启动作业，管柱受到气流影响后将会产生一定的影响，严重时会产生大量的变形，测试管柱和隔水管之间相互接触会产生一定的摩擦，进而影响正常工作，因此在此动载荷的作用下，有必要对管柱振动进行深入的研究。本发明在油气开采的过程中，对测试管柱的变形进行模拟，通过激光测速传感器采集测试管的形变显示在显示器上，其次测试管柱上的应变花将采集管的精确变形，可以通过改变气体流量和所造的波型进而达到控制测试管柱的形变的效果。在油气开采过程中，由于对测试管柱的形变有了测量与控制，提高作业效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种可模拟多种海洋情况、安全可靠、操作方便、测量数据准确的实验装置，可适用于不同作业场景的一种深水测试管柱动力学行为的实验装置。

一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：包括氮气气瓶（1），氮气减压阀（2），流量计（3），连接管线（4），连接管接头（5），机械流速仪（6），声学多普勒流速剖面仪（7），微型压力传感器（8），挠性接头（9），隔水管柱（10），应变花（11），激光测速传感器（12），测试管柱（13），固定板（14），管柱支架（15），海洋波流同造实验水槽（16），数据采集电缆（17），显示器（18）。

它包括由激光测速传感器（12）、应变花（11）、微型压力传感器（8）、数据采集电缆（17）、显示器（18）组成的数据采集***；由氮气气瓶（1）、氮气减压阀（2）的气流产生控制装置；由固定板（14）、管柱支架（15）、挠性接头（9）组成的固定装置。

海洋波流同造实验水槽（16）制造与海洋环境相似的波，气流由氮气气瓶（1）产生，经过氮气减压阀（2）减小到所需要的压力后气体均匀输送到流量计（3）和连接管线（4）中，最后通入到测试管柱（13）中，具有一定流速的气流经过测试管柱（13）时将会引起管自身的剧烈振动，甚至产生变形，测试管柱（13）外壁粘贴有一定数量的应变花（11），应变花（11）能够采集到测试管柱（13）变形数据，通过数据采集电缆（17）显示在显示器（18）上面，然后对数据进行分析可以得出振幅、频率等，以便对测试管柱（13）进行深入研究。

所述固定板（14）要强度足够，能够在测试管柱（13）产生变形时仍然能够固定在隔水管柱（10）中的位置。所述应变花（11）在测试管柱（13）上安装六组，相隔相同的间距，每层相隔180°粘贴两个应变花（11），使之可以准确地描述测试管柱（13）的应力变化。所述隔水管柱（10）采用透明有机玻璃，便于激光测速传感器（12）测量测试管柱（13）的变形，且强度和硬度足够。

本发明的具体组装操作步骤如下：

S1、安装通气装置：选择合适量程的氮气减压阀（2）、流量计（3），将氮气气瓶（1）、氮气减压阀（2）、流量计（3）依次连接，连接处均使用标准螺纹连接；

S2、安装应变花（11）：在测试管柱（13）上粘贴六组应变花（11），每一组相隔同样的长度，并且每一层贴上两个应变花（11）；

S3、安装并固定隔水管柱（10）、测试管柱（13）：使用固定板（14）将测试管柱（13）固定在隔水管柱（10）内，然后使用挠性接头（9）将隔水管柱（10）夹在管柱支架（15）上，下端也使用挠性接头（9）连接；

S4、安装收集数据装置：将激光测速传感器（12）安装在海洋波流同造实验水槽（16）外面合适位置，以便可以采集到测试管柱（13）的变形，然后将激光测速传感器（12）和显示器（18）、应变花（11）和显示器（18）用数据采集电缆（17）连接，以便收集数据；

S5、检查整套装置，无错误就开机调试，使装置能够正常的工作；

实验方法：

启动显示器（18）进行初始状态下的数据采集，待采集到的数据稳定后，打开氮气气瓶（1）的阀门，调节氮气减压阀（2）的调节阀改变气压，待流速稳定后，收集应变花（11）及激光测速传感器（12）传给显示器（18）的数据；

处理实验数据：通过应变花（11）得到的数据，可以通过模态分析法得到各个点的位移、振幅、频率等，最后得到测试管柱（13）的精确变形，同时也可以通过激光测速传感器（12）采集各时刻的变形图像，进而分析波型以及气量对测试管柱(13)变形的影响。

本发明具有以下优点：

1、本发明中应变花可准确测量测试管柱在径向和轴向方向的微观变形量；激光测速传感器可得到整体变形图像。

2、本发明中测试管柱端面安装有微型压力传感器以采集管柱在轴向上受到的力。

3、本发明中水槽模拟海洋环境，水槽可以产生和海洋相似的工作环境。

4、本发明中采用了相似原理，将实际状况下的管柱简化为生活中常用的管柱，节约了成本。

附图说明

图1为装置示意图；

图2为隔水管上端连接处示意图；

图3为应变花在测试管柱上的布置图。

图中：1-氮气气瓶，2-氮气减压阀，3-流量计，4-连接管线，5-连接管接头，6-机械流速仪，7-声学多普勒流速剖面仪，8-微型压力传感器，9-挠性接头，10-隔水管柱，11-应变花，12-激光测速传感器，13-测试管柱，14-固定板，15-管柱支架，16-海洋波流同造实验水槽，17-数据采集电缆，18-显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，它包括氮气气瓶（1），氮气减压阀（2），流量计（3），连接管线（4），连接管接头（5），机械流速仪（6），声学多普勒流速剖面仪（7），微型压力传感器（8），挠性接头（9），隔水管柱（10），应变花（11），激光测速传感器（12），测试管柱（13），固定板（14），管柱支架（15），海洋波流同造实验水槽（16），数据采集电缆（17），显示器（18）。所述海洋波流同造实验水槽（16）制造与海洋环境相似的波，气流由氮气气瓶（1）产生，经过氮气减压阀（2）减小到所需要的压力后气体均匀输送到流量计（3）和连接管线（4）中，最后通入到测试管柱（13）中，具有一定流速的气流经过测试管柱（13）时将会引起管自身的剧烈振动，甚至产生变形，测试管柱（13）外壁粘贴有一定数量的应变花（11），应变花（11）能够采集到测试管柱（13）变形数据，通过数据采集电缆（17）显示在显示器（18）上面，然后对数据进行分析可以得出振幅、频率等，以便对测试管柱（13）进行深入研究。

进一步地，如图2所示，隔水管柱（10）上端使用挠性接头（9）连接，管柱支架（15）与挠性接头（9）、挠性接头（9）与隔水管柱（10）均采用螺纹连接。

进一步地，所述固定板（14）要强度足够，能够在测试管柱（13）产生变形时仍然能够固定在隔水管柱（10）中的位置。

进一步地，所述应变花（11）在测试管柱（13）上安装六组，相隔相同的间距，每层相隔180°粘贴两个应变花（11），使之可以准确地描述测试管柱（13）的应力变化。

进一步地，所述隔水管柱（10）采用透明有机玻璃，便于激光测速传感器（12）测量测试管柱（13）的变形，且强度和硬度足够。

如图1所示，一种深水测试管柱动力学行为的实验装置有以下几个实验步骤：

S1、安装通气装置：选择合适量程的氮气减压阀（2）、流量计（3），将氮气气瓶（1）、氮气减压阀（2）、流量计（3）依次连接，连接处均使用标准螺纹连接；

S2、安装应变花（11）：在测试管柱（13）上粘贴六组应变花（11），每一组相隔同样的长度，并且每一层贴上两个应变花（11）；

S3、安装并固定隔水管柱（10）、测试管柱（13）：使用固定板（14）将测试管柱（13）固定在隔水管柱（10）内，然后使用挠性接头（9）将隔水管柱（10）夹在管柱支架（15）上，下端也使用挠性接头（9）连接；

S4、安装收集数据装置：将激光测速传感器（12）安装在海洋波流同造实验水槽（16）外面合适位置，以便可以采集到测试管柱（13）的变形，然后将激光测速传感器（12）和显示器（18）、应变花（11）和显示器（18）用数据采集电缆（17）连接，以便收集数据；

S5、检查整套装置，无错误就开机调试，使装置能够正常的工作；

S6、启动显示器（18）进行初始状态下的数据采集，待采集到的数据稳定后，打开氮气气瓶（1）的阀门，调节氮气减压阀（2）的调节阀改变气压，待流速稳定后，收集应变花（11）及激光测速传感器（12）传给显示器（18）的数据；

S7、处理实验数据：通过应变花（11）得到的数据，可以通过模态分析法得到各个点的位移、振幅、频率等，最后得到测试管柱（13）的精确变形，同时也可以通过激光测速传感器（12）采集各时刻的变形图像，进而分析波型以及气量对测试管柱(13)变形的影响。

Claims (8)

1.本发明涉及一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：包括氮气气瓶（1），氮气减压阀（2），流量计（3），连接管线（4），连接管接头（5），机械流速仪（6），声学多普勒流速剖面仪（7），微型压力传感器（8），挠性接头（9），隔水管柱（10），应变花（11），激光测速传感器（12），测试管柱（13），固定板（14），管柱支架（15），海洋波流同造实验水槽（16），数据采集电缆（17），显示器（18）；所述海洋波流同造实验水槽（16）制造与海洋环境相似的波，气流由氮气气瓶（1）产生，经过氮气减压阀（2）减小到所需要的压力后气体输送到流量计（3）和连接管线（4）中，最后通入到测试管柱（13）中，具有一定流速的气流经过测试管柱（13）时将会引起管自身的剧烈振动，甚至产生变形，测试管柱（13）外壁粘贴有一定数量的应变花（11），应变花（11）能够采集到测试管柱（13）变形数据，通过数据采集电缆（17）显示在显示器（18）上面，然后对数据进行分析可以得出振幅、频率等，以便对测试管柱（13）进行深入研究。

2.根据权利要求1所述一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：测试管柱（13）外壁粘贴有应变花（11），可以准确得到测试管柱（13）在径向和轴向方向的微观变形量，进而得到振幅、频率等数据。

3.根据权利要求1所述一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：在海洋波流同造实验水槽（16）外面平行于测试管柱（13）轴向方向安装有激光测速传感器（12），可以测量测试管柱（13）的变形，记录它的变形特征。

4.根据权利要求1所述一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：在测试管柱（13）下端安装有微型压力传感器（8），以便可以采集轴向力的数据及力大小变化。

5.根据权利要求1所述一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：通过氮气减压阀（2）可以调节从氮气气瓶（1）放出气体的压力，压力调节为无级调节，调节范围广泛精确，其次氮气气瓶（1）也可以调节气体的气量，可以实现多种工况。

6.根据权利要求1所述一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：海洋波流同造实验水槽（16）能够通过配套的软件控制产生规则波（线性波）和不规则波（斯托克斯二阶波、三阶波、五阶波、椭圆余弦波、孤立波等），用来模拟多种海洋环境情况，还原真实的工况。

7.根据权利要求1所述一种深水测试管柱动力学行为的实验装置，其特征在于：隔水管柱（10）上下端使用挠性接头（9）连接，还原真实隔水管的连接工况。

8.根据权利要求1-7所述一种深水测试管柱动力学行为的实验装置的具体使用过程包括以下几个实验步骤：

S1、安装通气装置：选择合适量程的氮气减压阀（2）、流量计（3），将氮气气瓶（1）、氮气减压阀（2）、流量计（3）依次连接，连接处均使用标准螺纹连接；

S2、安装应变花（11）：在测试管柱（13）上粘贴六组应变花（11），每一组相隔同样的长度，并且每一层贴上两个应变花（11）；

S3、安装并固定隔水管柱（10）、测试管柱（13）：使用固定板（14）将测试管柱（13）固定在隔水管柱（10）内，然后使用挠性接头（9）将隔水管柱（10）夹在管柱支架（15）上，下端也使用挠性接头（9）连接；

S4、安装收集数据装置：将激光测速传感器（12）安装在海洋波流同造实验水槽（16）外面合适位置，以便可以采集到测试管柱（13）的变形，然后将激光测速传感器（12）和显示器（18）、应变花（11）和显示器（18）用数据采集电缆（17）连接，收集数据；

S5、检查整套装置，无错误就开机调试，使装置能够正常的工作；

S6、启动显示器（18）进行初始状态下的数据采集，待采集到的数据稳定后，打开氮气气瓶（1）的阀门，调节氮气减压阀（2）的调节阀改变气压，待流速稳定后，收集应变花（11）及激光测速传感器（12）传给显示器（18）的数据；

S7、处理实验数据：通过应变花（11）得到的数据，可以通过模态分析法得到各个点的位移、振幅、频率等，最后得到测试管柱（13）的精确变形，同时也可以通过激光测速传感器（12）采集各时刻的变形图像，进而分析波型以及气量对测试管柱(13)变形的影响。