海底管段循环加载监控测试系统

摘要

本发明公开了一种海底管段循环加载监控测试系统，包括试验槽、动力传输装置、数据采集系统、竖向变位装置和实验配件；所述实验配件包括多根直径各不相同的钢管段和铁砂；一根所述钢管段作为被测管段被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置；在所述被测管段上方设有所述竖向变位装置，所述竖向变位装置与所述动力传输装置连接；所述数据采集系统包括拉压力传感器、深度传感器或千分表、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头。本发明能够模拟海底管线发生水平向大位移往复运动时，管线运动轨迹与受到地基土体约束力之间相互关系。

权利要求

1.一种海底管段循环加载监控测试系统，其特征在于，包括试验槽、动力传输装置、数据采集系统、竖向变位装置和实验配件；

所述实验配件包括多根直径各不相同的钢管段和铁砂，所述钢管段的长度小于所述试验槽的内腔宽度，在所述钢管段的两端设有堵头，在所述钢管段的侧壁上设有填砂口，在所述填砂口上设有门扇，所述门扇通过合页与所述钢管段的外壁连接，在所述钢管段内形成有容纳所述铁砂的腔室；

试验时，一根所述钢管段作为被测管段被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置；

在所述被测管段上方设有所述竖向变位装置，所述竖向变位装置包括固接在所述被测管段上方的连接板，在所述连接板的四个角部各设有一与其垂直的竖向导轨，在所述竖向导轨上设有滑块Ⅰ，所述滑块Ⅰ与传力板固接，在所述传力板的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块Ⅱ，所述滑块Ⅱ装配在水平纵向导轨上，所述水平纵向导轨沿所述试验槽的长度方向固定在所述试验槽的顶面上，在所述传力板和所述连接板之间连接有深度传感器或千分表，在所述连接板上设有中部减重长孔；

所述传力板与所述动力传输装置连接，所述动力传输装置包括加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述丝杠由伺服电机减速器驱动，所述伺服电机减速器由控制器控制；所述加力板通过滑块Ⅲ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述传力板通过拉压力传感器连接；

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、所述深度传感器或所述千分表、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，所述拉压力传感器和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头固定在支撑杆上并获取所述被测管段运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板上。

2.根据权利要求1所述的海底管段循环加载监控测试系统，其特征在于，所述试验槽的四周是密封的，所述试验槽的侧壁是采用钢化玻璃制成的，在所述试验槽的侧壁上设有沿高度方向设置的刻度。

3.根据权利要求1所述的海底管段循环加载监控测试系统，其特征在于，所述堵头是由封闭板形成的。

说明书

海底管段循环加载监控测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种海底管线在运营过程中稳定性的设计领域，特别是一种海底管段循环加载监控测试系统。

背景技术

[0002] 我国每年的石油需求已经超过4亿吨，然而我们每年能生产的却只有1.9亿吨左右，对于进口原油的依赖十分严重。然而我国周边海域富含丰富的油气资源，却尚未开发，为了进一步减少对进口原油的依赖程度，需要大力开展海洋油气资源的开发。

[0003] 管线运输在原油、天然气的生产、精炼、储存及使用的全过程中都起到了重要的作用。为了避免在运输过程中石蜡分馏产生的固化影响降低运输难度，海底油气的运输通常需要在温度和压力的联合作用下进行，由于温差和压差的作用，管壁中会产生较大的附加应力，由于受到海底地基土体的约束，管线的自由变形受到限制，致使管壁中的附加应力不断累积最终导致整体屈曲的发生，从而对管线的稳定性造成威胁，为了研究管线的稳定性问题，诸多学者对相关问题进行了针对性的研究，提出具有代表性的管线与土体的相互作用模型，但是这些管-土相互作用模型针对的只是管线发生小位移情况，土体抗力与管线水平向位移间的相互关系，管线的最大水平向位移往往不超过两倍管径。在实际情况中，管线的水平向位移能够达到5到20倍管径。此时小位移管-土相互作用模型就不再适用了，与此同时，在海底管线的服役过程中需要进行数百次的开关过程，由于温差和压差的变化，管线会在水平方向上进行往复运动，海底管线的稳定性设计中必须考虑这些问题。因此对于管线水平向大位移往复运动的研究就具有十分重要的意义。

发明内容

[0004] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种海底管段循环加载监控测试系统，该系统能够模拟海底管线发生水平向大位移往复运动时，管线运动轨迹与受到地基土体约束力之间相互关系。

[0005] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种海底管段循环加载监控测试系统，包括试验槽、动力传输装置、数据采集系统、竖向变位装置和实验配件；所述实验配件包括多根直径各不相同的钢管段和铁砂，所述钢管段的长度小于所述试验槽的内腔宽度，在所述钢管段的两端设有堵头，在所述钢管段的侧壁上设有填砂口，在所述填砂口上设有门扇，所述门扇通过合页与所述钢管段的外壁连接，在所述钢管段内形成有容纳所述铁砂的腔室；试验时，一根所述钢管段作为被测管段被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置；在所述被测管段上方设有所述竖向变位装置，所述竖向变位装置包括固接在所述被测管段上方的连接板，在所述连接板的四个角部各设有一与其垂直的竖向导轨，在所述竖向导轨上设有滑块Ⅰ，所述滑块Ⅰ与传力板固接，在所述传力板的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块Ⅱ，所述滑块Ⅱ装配在水平纵向导轨上，所述水平纵向导轨沿所述试验槽的长度方向固定在所述试验槽的顶面上，在所述传力板和所述连接板之间连接有深度传感器或千分表，在所述连接板上设有中部减重长孔；所述传力板与所述动力传输装置连接，所述动力传输装置包括加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述丝杠由伺服电机减速器驱动，所述伺服电机减速器由控制器控制；所述加力板通过滑块Ⅲ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述传力板通过拉压力传感器连接；所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、所述深度传感器或所述千分表、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，所述拉压力传感器和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头固定在支撑杆上并获取所述被测管段运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板上。

[0006] 所述试验槽的四周是密封的，所述试验槽的侧壁是采用钢化玻璃制成的，在所述试验槽的侧壁上设有沿高度方向设置的刻度。

[0007] 所述堵头是由封闭板形成的。

[0008] 本发明具有的优点和积极效果是：通过将被测管段固定在竖向变位装置下方，并采用丝杠螺母机构带动竖向变位装置，使被测管段能够模拟海底管线水平向大位移往复运动，进而完成该运动时管线运动轨迹与受到地基土体约束力之间相互关系的测定。本发明将被测管段同动力传输装置和竖向变位装置相连接，通过与数据采集系统以及相关试验配件的相互配合，能够有效地模拟管段在土体中的水平向循环往复运动过程。通过改变试验条件，能够分析研究被测管段外径、单位长度管段重量、管段水平方向的移动速率、管段的初始埋置深度、管段单向运动的距离、管段循环往复运动的次数以及土体物理性质对于管段运动轨迹以及管段所受水平抗力的变化情况。其中竖向变位装置使得被测管段在水平向移动的过程中可以上下移动，尽可能地模拟了海底管线的真实运动轨迹。通过动力传输装置不仅可以设置被测管段的运动距离的大小还可确保被测管段运动速率按照试验要求变化，可以定速移动也可以在试验过程中分段变速运动，大大增大了试验的可控性，能够细化分析研究过程。与此同时，钢制连接板、丝杠以及水平纵向导轨能够确保整个传力系统沿着水平方向移动，能够保证试验过程的稳定性，增强试验数据的可靠性。

[0009] 在试验过程中，数据采集系统记录下每一时刻被测管段水平向位移、竖直向位移以及受到的水平向抗力的变化情况，并将每一时刻的数据变化情况通过计算机及时而又直观地显示在试验操作人员面前，能够方便及时调整试验过程。同时，摄像头记录下了被测管段与地基土体的作用过程以及被测管段运动方向前部土坝的形成过程，能够用于研究不同试验条件下土阻力以及被测管段的运动情况。

附图说明

[0010] 图1为本发明的结构示意图；

[0011] 图2为图1的侧视图；

[0012] 图3为本发明的竖向变位装置结构示意图；

[0013] 图4为本发明的钢管段示意图；

[0014] 图5采用本发明测定的不同重量管线在无初始埋置深度时的抗力位移曲线图；

[0015] 图6采用本发明测定的不同重量管线在无初始埋置深度时的运动轨迹曲线图。

[0016] 图中：1、伺服电机减速器；2、支架；3、拉压力传感器；4、加力板；5、竖向导轨；6、传力板；7、连接板；8、丝杠；9、水平纵向导轨；10、控制器；11、摄像头；12、计算机；13、动静态应变采集仪；14、试验槽；15、被测管段；16、门扇；17、合页；18、滑块Ⅰ；19、滑块Ⅱ；20、滑块Ⅲ。

具体实施方式

[0017] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

[0018] 请参阅图1～图4，一种海底管段循环加载监控测试系统，包括试验槽14、动力传输装置、数据采集系统、竖向变位装置和试验配件。

[0019] 所述试验配件包括多根直径各不相同的钢管段和铁砂，所述钢管段的长度小于所述试验槽14的内腔宽度，在所述钢管段的两端设有堵头，在所述钢管段的上部侧壁上设有填砂口，在所述填砂口上设有门扇16，所述门扇16通过合页17与所述钢管段的外壁连接，在所述钢管段内形成有容纳所述铁砂的腔室。

[0020] 铁砂是用来增加钢管段重量的。在本实施例中，钢管段的长度均为1m，在钢管段上部设置一个可以自由开关的门扇，能够方便试验过程中铁砂的添加，从而减小试验操作的难度，减少试验所用时间，通过添加铁砂可以使钢管段的重量从空心重量到完全实心重量的较大范围内变化，有利于模拟各种重量的被测管段运动情况。被测管段采用管径不同且两侧密封的空心钢管，被测管段上部开填砂口便于试验过程中添加铁砂，以便研究不同管径、不同自重与不同曲率被测管段所受土体阻力的大小；被测管段两端的堵头与试验槽两侧内壁不接触，既消除了被测管段端部对前方土坝的端部效应，也最大化地减少了被测管段两端与试验槽内壁的摩擦，能够降低试验误差。

[0021] 试验时，一根所述钢管段作为被测管段15被填土掩埋或直接放置在所述试验槽14内，所述被测管段15沿所述试验槽14的宽度方向设置。

[0022] 在所述被测管段15上方设有所述竖向变位装置，所述竖向变位装置包括固接在所述被测管段15上方的连接板7，在所述连接板7的四个角部各设有一与其垂直的竖向导轨5，在所述竖向导轨5上设有滑块Ⅰ18，所述滑块Ⅰ18与传力板6固接，在所述传力板6的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块Ⅱ19，所述滑块Ⅱ19装配在水平纵向导轨9上，所述水平纵向导轨9沿所述试验槽14的长度方向固定在所述试验槽14的顶面上，在所述传力板6和所述连接板7之间连接有深度传感器或千分表(图中未示出)，在所述连接板7上设有中部减重长孔。中部减重长孔的设置一方面能够减轻竖向变位装置的重量，进而减少对被测管段15竖向自由度的影响，一方面能够方便铁砂的添加。

[0023] 所述传力板6与所述动力传输装置连接，所述动力传输装置包括加力板4和丝杠8，所述丝杠8通过支架2支撑在所述试验槽14的顶面上，所述加力板4上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠8上，所述丝杠8由伺服电机减速器1驱动，所述伺服电机减速器1由控制器10控制；所述加力板4通过滑块Ⅲ20连接在所述水平纵向导轨9上，所述加力板4与所述传力板6通过拉压力传感器3连接。

[0024] 上述动力传输装置由控制器10控制伺服电机减速器1的输出转速，伺服电机减速器1通过丝杠螺母带动加力板4，加力板4带动传力板6，进而带动竖向变位装置和被测管段15，使被测管段15按照一定的水平向速度前进。

[0025] 所述数据采集系统包括所述拉压力传感器3、所述深度传感器或所述千分表、一台动静态应变采集仪13、一台计算机12和一个摄像头11，所述拉压力传感器3和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪13连接，所述动静态应变采集仪13和所述摄像头11分别与所述计算机12连接；所述摄像头11固定在支撑杆上并获取所述被测管段15运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板6上。

[0026] 摄像头11所采集记录的管线运动方向前部土体的破坏情况通过数据线呈现在计算机12上。与此同时，管线的竖向位移通过所述深度传感器或者所述千分表测定，然后通过数据线传递到动静态应变采集仪13上，动静态应变采集仪13上的数据通过数据线传递到计算机12上，同时显示具体的数据图。所述拉压力传感器3及时检测出被测管段15受到的水平向土体抗力的大小，通过数据线传递给动静态应变采集仪13，随后传递给计算机12，并显示及时的抗力变化曲线。上述数据采集系统可以根据不同的试验要求记录管线水平向运动过程中的轨迹变化、所受水平向抗力的大小变化情况以及管线运动方向前部土体的破坏变形情况。

[0027] 本发明尽可能地减小了被测管段在竖直方向受到的附加阻力，从而还原了实际管线在竖直方向的无约束状态。并且本发明能够模拟管线的循环往复运动。

[0028] 采用本发明通过室内试验分析研究管线在土体中的循环往复运动，能够模拟不同试验条件下海底管线水平向运动过程中的运动轨迹，同时分析研究管线运动过程中地基土抗力的变化，进一步分析循环往复运动和单次单向运动的区别，分析土体的破坏模式，研究管线入土深度、土体物理力学性质、管线自重、管线的外部直径及管线运动速率、曲率等多种因素对土体抗力的影响，为水平向大位移管-土相互作用模型的建立提出有力的数据，进而分析管线运动轨迹与所受土体抗力间的相互关系，建立更为细致的管线相互作用模型，为管线的稳定性设计提供了更为细致的依据。

[0029] 在本实施例中，试验槽14为长、宽、高分别为3m、1.1m、1m的钢槽，为了方便对试验过程进行观察分析，其四周安置了钢化玻璃并在其沿上高度方向标有刻度。并且所述试验槽的四周是密封的，可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。所述堵头是由封闭板形成的。

[0030] 采用本发明进行试验开始前，首先测定填土的物理力学特性，当填土为无粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、密实度及天然坡角。按照预设的密实度，将土体装入试验槽内，根据有限元的计算结果可知，被测管段横向运动产生的土体塑性区域在深度方向小于1倍管径，因此被测管段的下部土体厚度应大于1倍管径，然后安放试验管段，根据不同的试验要求埋设被测管段，被测管段可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为地设定埋深，用填土将被测管段掩埋在所述试验槽内。当填土为粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度，按照预设的含水率和容重，将土体装入试验槽内，且下部土体厚度大于1倍管径，与无粘性土一样，根据不同的试验要求埋设被测管段，被测管段可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为的按照预设深度进行埋设。如果需要分析被测管段重量的影响则可在以上步骤完成后，打开被测管段上的门扇，通过连接板上的中部减重长孔添加铁砂，以达到预设的重量。

[0031] 试验开始后，依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪。首先对动静态应变仪进行平衡、清零，而后设定试验加荷速率和管线水平方向的运动距离以及管线的循环运动次数，启动伺服电机减速器，加荷速度可以在可1～10mm/s之间变化，水平向位移的最大值由试验槽的长度大小决定。管线开始运动后，动静态应变仪采集被测管段的位移与受到的土体抗力，摄像头监测被测管段运动全过程的运动轨迹及土体的变形规律。

[0032] 试验结束后，依次关闭伺服电机减速器、动静态应变采集仪及摄像头，整理试验数据，采用本发明测定的不同重量管线在无初始埋置深度时的抗力位移曲线和运动轨迹曲线如图5和图6所示。

[0033] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。