一种深水生产立管多相流振动实验装置及方法技术领域
本发明涉及一种深水生产立管多相流振动实验装置及方法。
背景技术
海洋立管是连接海洋油气生产平台与水下井口或海底管道的生命线，承担着海洋
油气正常采输的重任。海底管道建设成本高，多采用油气混输方式，管内流体属于气液两相
流，最常见的流型为段塞流。段塞流进入立管后，不仅会使管内压力和出口流量呈现周期性
剧烈波动，还会诱导管线振动，缩短立管的使用寿命，甚至会引发立管的疲劳破坏，严重影
响安全生产。为了减轻和抑制振动对海洋立管造成的损害，需要更深入地了解管内段塞流
的流动规律以及段塞流诱导海洋立管振动的机理。然而，现有的实验装置只能研究段塞流
振动对立管的影响，而不能研究泡状流、环状流以及雾状流振动对立管的影响，而且现有的
实验装置中的立管只能对处于一种状态下的立管进行研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、采集数据精度高、立
管可在不同位置状态下进行不同多相流振动实验、操作简单的深水生产立管多相流振动实
验装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种深水生产立管多相流振动实验装
置，它包括透明水箱、透明软管、设置于透明水箱内的竖直运动轨道系统、设置于透明水箱
顶部的水平运动轨道系统，所述的竖直运动轨道系统和水平运动轨道系统的结构相同，竖
直运动轨道系统包括伺服电机、底座A、底座B、皮带轮A、皮带轮B、移动座以及固定于底座A
和底座B之间的导轨，底座A上固定有伺服电机，伺服电机的输出端连接有皮带轮A，底座B上
旋转安装有皮带轮B，皮带轮A与皮带轮B之间安装有皮带，移动座滑动安装于导轨上且固定
于皮带上，移动座上设置有三通管，所述的竖直运动轨道系统的底座B固定于透明水箱的底
部，所述的水平运动轨道系统的底座A和底座B分别固定于透明水箱前后侧，两个三通管之
间连接有透明软管，透明软管上且沿其长度方向间隔布置有多个泡沫块，透明软管上设置
有加速度传感器；
它还包括控制箱、计算机、空压机、调压阀、储水箱、流量计和水泵，所述的水泵的吸水
口与透明水箱连通，空压机的输出端与竖直运动轨道系统的三通管之间连接有调压阀，储
水箱的入口端与水平运动轨道系统的三通管之间连接有流量计；所述的控制箱与计算机、
调压阀、流量计、减速度传感器和伺服电机连接。
所述的移动座上设置有皮带通道、固定板和用于安装导轨的轨道孔，皮带贯穿皮
带通道且与固定板经销钉固定。
所述的移动座与三通管之间设置有支撑杆。
所述的水泵设置于透明水箱底部。
所述的调压阀、流量计和伺服电机均通过信号线连接。
所述的空压机通过气管与竖直运动轨道系统的三通管连接。
所述的底座B内开设有凹槽，皮带轮B旋转安装于凹槽内。
所述的装置进行深水生产立管多相流振动的实验方法，它包括以下步骤：
S1、利用透明软管模拟生产立管，设计实验中生产立管的尺寸以及内部流体流态以及
所模拟生产立管的生产工况；利用泡沫块模拟浮力块；
S2、计算机经控制箱控制竖直运动轨道系统和水平运动轨道系统的伺服电机做正反
转，将生产立管底部和顶部分别移动至实验所需位置；
S3、将流量计、调压阀以及生产立管上的加速度传感器的数据进行归零处理；
S4、启动水泵和空压机，在生产立管内部形成泡状流，通过调节水泵功率和调压阀节流
大小以形成稳定的流态；
S5、待泡状流稳定后，加速度传感器测定生产立管的振动参数，同时利用流量计测定气
体流量和液体流量以计算泡状流参数，加速度传感器和流量计将各自采集的数据经控制箱
传递给计算机；
S6、逐渐增大气体流量，依次形成段塞流、环状流以及雾状流，待每种流态稳定之后，通
过加速度传感器测定每种稳定流态下生产立管的振动参数，同时利用流量计测定气体流量
和液体流量以计算相应多相流参数，加速度传感器和流量计将各自在相应多相流状态下采
集的数据经控制箱传递给计算机；
S7、通过模态分析，进行数据处理，获得不同多相流状态下的生产立管的振动特性，从
而实现了深水生产立管多相流振动的实验。
本发明具有以下优点：本发明结构紧凑、采集数据精度高、立管可在不同位置状态
下进行不同多相流振动实验、操作简单。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为竖直运动轨道系统的结构示意图；
图3 为移动座与三通管的安装示意图；
图4 为底座B与皮带轮B的安装示意图；
图5 为图1的I部局部放大视图；
图中，1-透明水箱，2-透明软管，3-竖直运动轨道系统，4-水平运动轨道系统，5-伺服电
机，6-底座A，7-底座B，8-皮带轮A，9-皮带轮B，10-移动座，11-导轨，12-皮带，13-三通管，
14-泡沫块，15-控制箱，16-计算机，17-空压机，18-调压阀，19-储水箱，20-流量计，21-水
泵，22-皮带通道，23-固定板，24-轨道孔，25-支撑杆，26-信号线，27-气管，28-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~5所示，一种深水生产立管多相流振动实验装置，它包括透明水箱1、透明软管2、
设置于透明水箱1内的竖直运动轨道系统3、设置于透明水箱1顶部的水平运动轨道系统4，
透明水箱1中装一定深度的水用于模拟海洋环境，透明水箱1主要是为了方便观察管内的流
态且方便观察透明软管2振动情况；所述的透明软管1是通过相似理论计算，能产生与柔性
生产立管一致的变形。所述的竖直运动轨道系统3和水平运动轨道系统4的结构相同，竖直
运动轨道系统3包括伺服电机5、底座A6、底座B7、皮带轮A8、皮带轮B9、移动座10以及固定于
底座A6和底座B7之间的导轨11，底座A6上固定有伺服电机5，伺服电机5的输出端连接有皮
带轮A8，底座B7上旋转安装有皮带轮B9，皮带轮A8与皮带轮B9之间安装有皮带12，移动座10
滑动安装于导轨11上且固定于皮带12上，本实施例中移动座10上设置有皮带通道22、固定
板23和用于安装导轨11的轨道孔24，皮带12贯穿皮带通道22且与固定板23经销钉固定。
如图1和图2所示，移动座10上设置有三通管13，移动座10与三通管13之间设置有
支撑杆25，所述的竖直运动轨道系统3的底座B7固定于透明水箱1的底部，所述的水平运动
轨道系统4的底座A6和底座B7分别固定于透明水箱1前后侧，两个三通管13之间连接有透明
软管2，透明软管2上且沿其长度方向间隔布置有多个泡沫块14，透明软管2上设置有加速度
传感器，加速度传感器能够采集透明软管2的振动参数。
如图1所示，它还包括控制箱15、计算机16、空压机17、调压阀18、储水箱19、流量计
20和水泵21，所述的水泵21设置于透明水箱1底部，水泵21的吸水口与透明水箱1连通，空压
机17的输出端与竖直运动轨道系统3的三通管13之间连接有调压阀18，储水箱19的入口端
与水平运动轨道系统4的三通管13之间连接有流量计20，流量计20能够实测出口的气体流
量和液体流量；所述的控制箱15与计算机16、调压阀18、流量计20、减速度传感器和伺服电
机5连接，计算机16通过控制伺服电机5转速来改变皮带12运动速度和运动距离，控制皮带
12位置。所述的水泵21启动后，可使透明水箱1中的水进入透明软管2内以模拟采油过程，通
过调节水泵21的功率，可以控制水流量大小。透明软管2内的水能够顺次经水平运动轨道系
统4的三通管13、流量计20进入储水箱19内收集。
所述的调压阀18、流量计20和伺服电机5均通过信号线26连接；所述的空压机17通
过气管27与竖直运动轨道系统3的三通管13连接；所述的底座B7内开设有凹槽28，皮带轮B9
旋转安装于凹槽28内。多相流的模拟：启动空压机17，空压机17产出的空气通过气管27进入
生产立管内，气体通过竖直运动轨道系统3的三通管13进入生产立管与立管内的液体混合，
进而形成多相流，再通过调节水泵21功率以及调压阀18的节流大小，最终形成不同流态的
多相流，如气泡流、段塞流、环状流、雾状流。
如图1所示，所述的装置进行深水生产立管多相流振动的实验方法，它包括以下步
骤：
S1、利用透明软管2模拟生产立管，设计实验中生产立管的尺寸以及内部流体流态以及
所模拟生产立管的生产工况；利用泡沫块14模拟浮力块；
S2、计算机16经控制箱15控制竖直运动轨道系统3和水平运动轨道系统4的伺服电机5
做正反转，伺服电机5带动皮带轮A8转动，皮带轮A8经皮带12带动皮带轮B9转动，皮带12带
动移动座10沿着导轨11移动，将生产立管底部和顶部分别移动至实验所需位置；因此可以
任意改变生产立管的位置；
S3、将流量计20、调压阀18以及生产立管上的加速度传感器的数据进行归零处理；
S4、启动水泵21和空压机17，在生产立管内部形成泡状流，通过调节水泵21功率和调压
阀18节流大小以形成稳定的流态；
S5、待泡状流稳定后，加速度传感器测定生产立管的振动参数，同时利用流量计20测定
气体流量和液体流量以计算泡状流参数，加速度传感器和流量计20将各自采集的数据经控
制箱15传递给计算机16；
S6、逐渐增大气体流量，依次形成段塞流、环状流以及雾状流，待每种流态稳定之后，通
过加速度传感器测定每种稳定流态下生产立管的振动参数，同时利用流量计20测定气体流
量和液体流量以计算相应多相流参数，加速度传感器和流量计20将各自在相应多相流状态
下采集的数据经控制箱15传递给计算机16；
S7、通过模态分析，进行数据处理，获得不同多相流状态下的生产立管的振动特性，从
而实现了深水生产立管多相流振动的实验。因此本实验装置立管可在不同位置状态下进行
不同多相流振动实验。