海底管線水平向管土相互作用測試系統的製作方法

2023-09-19 05:18:16

本實用新型涉及一種研究管土水平向相互作用理論的室內模型試驗裝置，特別是涉及一種海底管線水平向管土相互作用測試系統。

背景技術：

油氣資源是國家最重要的戰略資源之一，隨著大陸油氣資源的日漸枯竭及開採難度增大，海洋油氣資源逐漸成為了我國未來能源的希望。我國海洋石油資源量為246億噸，天然氣資源量為14萬億立方米，但其中70％蘊藏在開採難度較大的深海區域。因此，為大力開展深海油氣資源的開發，就首先需要完善深海的石油開採設施。海底管線在原油、天然氣的生產、精煉、儲存及使用的全過程中都起到了重要的作用，是油氣運輸中最快捷、經濟、可靠的方式之一。在油氣資源的運輸過程中，為了避免石蠟分餾的固化影響並降低難度，通常會使管道在100℃以上的設計溫度以及10Mpa的設計壓力下工作。而在這種高溫高壓的聯合作用下，管道內部會產生巨大的軸向應力，在海床的約束下管道無法自由變形，因此誘發管道的整體屈曲，導致管道失穩、開裂，甚至破壞。另一方面，在地質條件複雜的淺層海床上或穿越潮間帶鋪設的管線，容易受到不平坦海床作用、波浪或潮汐等動水荷載，以及船錨漁網的撞擊拉拽等作用，發生水平向的位移，從而發生失穩乃至破壞。因此，對於管線在位穩定性問題，國內外眾多學者進行了深入的研究，開展了不同比尺與結構形式的管道水平向運動的室內模型試驗，並通過模型試驗結果與理論公式的結合，提出了具有代表性的管土相互作用模型。但是所得到的模型與試驗時的加載模式有關，就目前來看，很少有大位移的水平向管土相互作用試驗，即要求管道的水平向位移能夠達到5～20倍管徑。在管道發生較大位移時，由於運動方向上土體的堆積而產生的「動土拱」和「靜土拱」，會使管道所受的抗力以及運動軌跡發生較大程度的改變。另外，管道在運行期間時所受到的荷載往往是循環荷載，比如管道因檢修開閉而引起的「升溫-降溫」循環荷載，會引起管道的往復運動。因此，進一步研究管道在循環荷載作用下的大位移往復運動是目前海底管線水平向管土作用的一個研究方向。在以往的管道水平向運動的室內模型試驗中，往往採用剛性連接、鉸接或齒輪齒條傳動的方式來將管段與加載設備固定在一起，這些方法能夠保證管段在水平向的自由運動，但難以保證豎直向運動的自由度，從而對試驗結果的準確性有一定影響。

技術實現要素：

本實用新型為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種海底管線水平向管土相互作用測試系統，該系統在豎直方向上對管段的運動沒有任何約束，從而可將加載系統對管道運動的幹擾降到最低。

本實用新型為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是：一種海底管線水平向管土相互作用測試系統，包括試驗槽、加載系統、傳力系統、數據採集系統和試驗配件；在所述試驗槽的頂面上固定有兩根沿其長度方向設置的水平縱嚮導軌；所述加載系統包括加力板和絲槓，所述絲槓通過支架支撐在所述試驗槽的頂面上，在所述加力板上固接有螺母，所述螺母通過螺紋連接在所述絲槓上，所述絲槓由伺服電機減速器驅動，所述伺服電機減速器由控制器控制；所述加力板通過設置在其兩側的滑塊Ⅰ連接在所述水平縱嚮導軌上；所述傳力系統包括與所述加力板連接的傳力板，在所述傳力板上設有左右對稱的兩根豎直設置的推板，所述推板通過直線導軌與所述傳力板滑動連接，在所述推板的下端設有前後布置的兩個撥板，所述傳力板通過設置在其兩側的滑塊Ⅱ連接在所述水平縱嚮導軌上，所述加力板與所述傳力板通過拉壓力傳感器連接；所述試驗配件包括被測管段，在所述被測管段內設有與其固接的心軸，在所述心軸上安裝有左右對稱的兩個滾輪，在所述滾輪中部設有凹槽，在所述被測管段上部與滾輪凹槽對應的部位開設有撥板插槽；所述被測管段沿所述試驗槽的寬度方向設置，所述撥板插入在所述撥板插槽和所述滾輪凹槽內，任意一個所述推板下端的兩個所述撥板分別設置在一個所述滾輪的兩側，傳力時，所述撥板與所述滾輪形成線接觸滾動摩擦連接；所述數據採集系統包括所述拉壓力傳感器、一臺動靜態應變採集儀、一臺計算機和一個攝像頭，所述拉壓力傳感器與所述動靜態應變採集儀連接，所述動靜態應變採集儀和所述攝像頭分別與所述計算機連接；所述攝像頭用於獲取所述被測管段與其周圍土體的影像。

在所述試驗槽的四周設置有鋼化玻璃。

在所述試驗槽的鋼化玻璃上沿高度方向設有刻度。

本實用新型具有的優點和積極效果是：

一)採用絲槓傳遞動力，相比於傳統的用鋼絲繩拉動或皮帶傳輸的方式更加平穩，傳力上限也更大。通過計算機控制動力輸出，可以有效地設置載荷的施加與卸除，以及設定加載時間、加載距離等，確保了被測管段可按試驗預設進行起止運動、定速或變速運動等等，大大增加了試驗的可控性。同時，絲槓傳動也確保了傳力系統的工作穩定性，增強了試驗數據的可靠性。

二)還原了實際情況中管線在豎直方向完全無約束的運動狀態。在被測管段內設置對稱的可自由轉動的同心滾輪，前後兩個撥板通過管壁上的撥板插槽插入管段內並使其位於滾輪兩側，系統運行時，滾輪與一側的撥板組成線接觸滾動摩擦副，從而帶動管段運動。這種設計可以滿足循環荷載的施加要求，並且由於撥板與滾輪只有線接觸，使得管段在豎直方向上的運動不受任何約束。

三)以兩側撥板推動滾輪進而帶動管段運動的形式，加之計算機對加載系統的控制，使得管段可以做不同位移的往復運動，以實現對於循環荷載下管道運動狀態的模擬。

四)水平力施加在管段內部，因此加載系統與土完全沒有接觸，有效地降低了摩擦。另外，試驗管段的長度接近試驗槽的寬度，故管段兩端與試驗槽內壁的間隙非常小，從而管段兩端與土之間產生的摩擦力也可忽略不計。這種設計最大化地降低了摩擦力的幹擾，很好的還原了管道的實際運動狀態。

五)為便於觀察試驗現象，槽壁採用鋼化玻璃材質，這為以後試驗槽通水模擬水下的管道水平向運動情況提供了可能，並且鋼質的試驗管段表面允許安置土壓力盒或孔壓傳感器，獲取管段進行單一方向或往復運動時的土的應力或孔壓的產生與變化，從而為大位移管土相互作用研究提供了試驗可能。

綜上所述，本實用新型採用一種線接觸滾動摩擦機構來實現加載，相比於以往模型試驗系統中管線與加載機構的剛性連接或鉸接等連接方式，完全釋放了被測管段在豎直方向上的約束，從而使試驗中的各種幹擾降到了最低。同時，雙推板和長導軌的設計也使得循環荷載下管道的大位移往復運動試驗得以實現。利用本實用新型進行試驗，可以得到管道運動軌跡以及相應土抗力的變化，通過對試驗現象規律性的分析研究，可以進一步提出循環荷載下管土水平向相互作用模型，為管道的在位穩定性提供設計參考。本實用新型還可用於多種加載形式下管道的運動軌跡及土抗力變化規律的試驗研究。尤其是循環荷載作用下管道的大位移往復運動，研究不同土性、管道嵌入深度、加載頻率與幅值以及飽和度條件等等因素影響下，管道的運動軌跡、土破壞模式及土抗力變化規律，從而進一步完善水平向管土相互作用理論。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為圖1的側視圖；

圖3為本實用新型的被測管段結構示意圖；

圖4為本實用新型的傳力系統結構示意圖。

圖中：1、絲槓，2、加力板，3、傳力板，4、拉壓力傳感器，5、支架，6、推板，7、伺服電機減速器，8、控制器，9、被測管段，10、動靜態應變採集儀，11、計算機，12、攝像頭，13、試驗槽，14、滾輪，15、心軸，16、滾輪凹槽，17、撥板插槽，18、直線導軌，19、撥板。

具體實施方式

為能進一步了解本實用新型的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下：

海底管線的水平向管土相互作用的研究，即觀察、分析和總結管道的運動軌跡、土抗力的變化規律以及土體的變形和破壞模式，從而得到相應的管土作用理論模型，為管線的在位穩定性設計提供依據。其中室內模型試驗的關鍵點就在於如何有效地模擬包括循環荷載在內的多種加載形式，以及如何儘可能地減小因摩擦或外界約束而對試驗裝置的動力傳輸、管段運動產生的幹擾。本實用新型針對這些問題進行了一些改進。

請參閱圖1～圖4，一種海底管線水平向管土相互作用測試系統，包括試驗槽13、加載系統、傳力系統、數據採集系統和試驗配件。

在所述試驗槽13的頂面上固定有兩根沿其長度方向設置的水平縱嚮導軌。

所述加載系統包括加力板2和絲槓1，所述絲槓1通過支架5支撐在所述試驗槽13的頂面上，在所述加力板2上固接有螺母，所述螺母通過螺紋連接在所述絲槓1上，所述絲槓1由伺服電機減速器7驅動，所述伺服電機減速器7由控制器8控制；所述加力板2通過設置在其兩側的滑塊Ⅰ連接在所述水平縱嚮導軌上。

所述傳力系統包括與所述加力板2連接的傳力板3，在所述傳力板3上設有左右對稱的兩根豎直設置的推板6，所述推板6通過直線導軌18與所述傳力板3滑動連接，在所述推板18的下端設有前後布置的兩個撥板19，所述傳力板3通過設置在其兩側的滑塊Ⅱ連接在所述水平縱嚮導軌上，所述加力板2與所述傳力板3通過拉壓力傳感器4連接。

所述試驗配件包括被測管段9，在所述被測管段9內設有與其固接的心軸15，在所述心軸15上安裝有左右對稱的兩個滾輪14，在所述滾輪14中部設有凹槽，在所述被測管段9上部與滾輪凹槽16對應的部位開設有撥板插槽17。

所述被測管段9沿所述試驗槽13的寬度方向設置，所述撥板19插入在所述撥板插槽和所述滾輪凹槽內，任意一個所述推板6下端的兩個所述撥板19分別設置在一個所述滾輪14的兩側，傳力時，所述撥板19與所述滾輪14形成線接觸滾動摩擦連接。

所述數據採集系統包括所述拉壓力傳感器4、一臺動靜態應變採集儀10、一臺計算機11和一個攝像頭12，所述拉壓力傳感器4與所述動靜態應變採集儀10連接，所述動靜態應變採集儀10和所述攝像頭12分別與所述計算機11連接；所述攝像頭12用於獲取所述被測管段9與其周圍土體的影像。

在本實施例中，在所述試驗槽13的四周設置有鋼化玻璃。在所述試驗槽13的鋼化玻璃上沿高度方向設有刻度。

試驗開始前，首先要測試模擬海床土體的物理力學性質。對於砂性土，應測定土體容重、含水率、密實度及天然坡角等指標。然後向槽內按層填埋砂土，每填一層後擊實並用預定的擊實密度來控制，直至達到預定標高；對於粘性的填土，應測定土體容重、含水率、塑限、液限及抗剪強度等指標。然後同樣按層向槽內填土，每層都要夯實均勻並用環刀取土樣測土的密度和含水率，並控制在預定值，直到達到預定標高。粘土鋪設完成後，還需要固結24小時使其形成均勻整體。

填土以及置管完成後，將被測管段、加載系統、傳力系統和數據採集系統按圖1所示進行連接。

進行試驗時，依次啟動計算機、攝像頭、動靜態應變儀。其中動靜態應變儀使用前應進行平衡和清零，然後打開伺服電機減速器設定試驗加荷速率和被測管段水平方向的運動距離以及管線的循環運動次數。加荷速度可以在可1～10mm/s之間變化，水平向位移的最大值由試驗槽的大小所限制。試驗開始後，動靜態應變儀記錄水平向抗力的實時變化數據，而攝像頭則用來監控和記錄管線的運動軌跡和土體變形規律。所得數據都記錄在計算機中。

試驗完成後，依次關閉伺服電機、應變儀及攝像機，整理以及備份試驗數據。

儘管上面結合附圖對本實用新型的優選實施例進行了描述，但是本實用新型並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的範圍的情況下，還可以作出很多形式，這些均屬於本實用新型的保護範圍之內。