檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法及其模擬裝置的製作方法

2023-11-06 04:31:57 1

專利名稱：檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法及其模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及近海工程、海洋土力學、海底管道工程領域，尤其是一種 檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法及其模擬裝i背景技術海底管道是海洋石油開發過程中輸送油氣的有效工具。在海流載荷下，海底管道將受到水平拖曳力和垂向升力的水動力作用；同時，管道 還受到自身重力，其下方土體提供的豎直支持力和側向阻力的綜合作用。 當土體所提供側向阻力不足以平衡海流引起的拖曳力時，管道將產生水 平位移，而失去穩定性，當管道各段發生的水平位移量不相同時，管道 將受力彎曲，嚴重時可引起管道線路斷裂事故。可見，在海洋環境載荷 下，直接鋪設在海床上的海底管道的側向穩定性直接關係到管道系統能 否正常運營。從而，在一定的管道初始沉降量下，能有效的測量管道所 能承受的最大水平土阻力，進而確定管道的穩定性條件成為海底管道工 程中的關鍵問題。發明內容針對現有技術存在的問題,太發明的首要目的是提供一種檢測海底直 鋪管道側向穩定性的模擬方法，利用該方法可有效模擬海底直鋪管道鋪 設的環境，從而有效檢測海底直鋪管道側向穩定性。本發明的進一步目 的是提供一種實施上述方法的模擬裝置。為實現上述目的，本發明檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法， 具體為1) 製備土樣，模擬海床；2) 安裝試驗管道當管道與海床剛剛接觸時，釋放管道使其在自身 重力作用下產生初始沉降，同時採用雷射位移傳感器測量管道在土體中 的初始沉降量。3)通過步進電機對所述管道施加斜向拉力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時測量所述步進電機的拉力、管道側 向失穩過程中的水平位移和附加沉降量、以及管道側向失穩過程中下方 土體的位移場，通過所測量的數據可分析出海底直鋪管道側向穩定性情 況。一種實施上述方法的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置,該模 擬裝置包括土槽及土樣製備系統、機械加載系統、參數測量系統，土樣 製備系統用於在所述土槽內製備海底土樣，以便模擬管道的承壓土體； 機械加載系統用於模擬單向海流對管道的水平拖戈力和垂向升力作用； 參數測量系統用於對實驗中的數據測量。進一步，所述土槽採用透明的鋼化玻璃製成，以便測量中觀察管道側 向失穩的動力過程；所述土樣製備系統採用砂雨法製備砂土土樣。進一步，所述機械加載系統包括步進電機、自動微調裝置、拉繩、才莫 型管道，自動微調裝置上設置有定滑輪，拉繩一端固定連接在步進電機 的傳動軸上，拉繩另一端繞過所述定滑輪後與模型管道固定連接，所述 自動微調裝置可調整所述定滑輪在豎直方向上運動，從而保證在管道側 向失穩過程中使得所述拉繩與土體水平面的夾角不t進一步，所述拉繩與土體水平面的夾角範圍為40' ~ 60°之間。進一步，所述模型管道上設置有中心軸並且管道兩端自由，所述拉繩 固定連接在所述中心軸上，從而使得管道可同時發生轉動和平行移動。進一 步，所述模型管道上固定設置有防止管道轉動的雙平行四邊形枳i 構，所述拉繩與模型管道固定連接後，使得模型管道只能發生平行移動。進一步，所述參數測量系統包括雷射位移傳感器、拉力傳感器、雷射 粒子圖像測速儀和土壓力傳感器，拉力傳感器設置在所述拉繩上，用於 測量所述步進電機施加的拉力值；雷射位移傳感器用於測量所述模型管 道在土體中的初始沉降量；雷射粒子圖像測速儀用於測量所述模型管道 側向失穩過程中下方土體的位移場；土壓力傳感器設置在所述模型管道 下外邊緣上，並用於測量所述才莫型管道所承受的土壓力。利用本發明檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法及其模擬裝置， 可有效模擬海底直鋪管道的承壓土體、單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力等，並可實時測量穩定性參數，從而可模擬分析海底直鋪管道的側向穩定性。


圖1為本發明實施例1的結構示意圖； 圖2為本發明實施例2的結構示意圖。
具體實施方式
實施例1如圖1所示，本發明檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置包括土 槽及土樣製備系統l、機械加載系統2、參數測量系統3，其中土槽及土 樣製備系統l包括土槽ll、 土體12, 土槽11採用透明的鋼化玻璃製成， 以便測量中觀察管道的狀態；土體12為採用>&少雨法製備的^^土土樣製成， 從而更好的模擬了砂土海泉機械加載系統2包括步進電機21、自動微 調裝置25、拉繩22、模型管道23，本實施例中模擬管道23為兩端自由， 管道中心設置有中心軸24，這種管道在失穩時既發生平動又發生滾動； 自動微調裝置25上設置有定滑輪251，拉繩22 —端固定連接在步進電機 21的傳動軸上，拉繩22另一端經由定滑輪251後與中心軸24固定連接， 從而使得管道可同時發生轉動和平行移動，自動微調裝置25可調整定滑 輪251在豎直方向上運動，從而保證拉繩22與土體水平面的夾角不變， 這樣使得當步進電機輸出的拉力一定時，通過拉繩22作用在模型管道23 上的水平拖拽力和垂直拉力保持一定的比值，從而更好的反映單向海流 作用下管道所受水動力載荷的特點。參數測量系統3包括雷射位移傳感 器32和34、拉力傳感器31、雷射粒子圖像測速儀33和土壓力傳感器35, 拉力傳感器31設置在拉繩22上，用於測量步進電才幾n施加的拉力值， 雷射位移傳感器34用於測量模型管道23在土體12中的初始沉降量，激 光位移傳感器32用於測量模型管道23在失穩過程中的水平位移量，激 光粒子圖像測速儀33用於測量模型管道23側向失穩過程中下方土體的 位移場，土壓力傳感器35設置在模型管道23下外邊緣上，並用於測量 模型管道23所承受的土壓力。工作時，首先製備海底土樣，在土槽11內填充土體12來模擬海床； 安裝模型管道23:當管道與海床剛剛接觸時，釋放模型管道23使其在自身重力作用下產生初始沉降，同時採用雷射位移傳感器34測量模型管道 23在土體中的初始沉降量；通過步進電機21對模型管道23施加斜向拉 力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時通過拉 力傳感器31測量步進電機21的拉力、通過雷射位移傳感器32、 34測量 模型管道23側向失穩過程中的水平位移和附加沉降量、以及通過雷射粒 子圖像測速儀33測量管道側向失穩過程中下方土體的位移場，其中對於 模型管道23側向失穩過程中的水平位移和附加沉降量，也可通過設置數 字攝像系統來記錄，這樣可更加直觀的表現管道在失穩過程中的狀態。 通過所測量的所有數據即可分析出海底直鋪管道側向穩定性情況。 實施例2本實施例中模擬管道23上設置有雙平行四邊形機構26的防滾裝置， 在雙平行四邊形機構26的約束下，模擬管道23隻能發生移動。本實施 例中其他模擬裝置和方法與實施例l中相同。對於本發明檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法及其模擬裝置， 通過步進電機21、拉繩22施加的拉力來模擬海流的水動力,可通過改變 電機的輸出扭力或改變拉繩22與土體水平面的夾角來改變拉力值，通常 拉繩22與土體水平面的夾角改變範圍為40。 60'之間。模擬管道23重量 (單位長度)通過增減配重來實現，可通過在管道表面粘貼不同目的砂 紙來改變其表面粗糙度。
權利要求
1、檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法，具體為1)製備土樣，模擬海床；2)安裝試驗管道當管道與海床剛剛接觸時，釋放管道使其在自身重力作用下產生初始沉降，同時採用雷射位移傳感器測量管道在土體中的初始沉降量。3)通過步進電機對所述管道施加斜向拉力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時測量所述步進電機的拉力、管道側向失穩過程中的水平位移和附加沉降量、以及管道側向失穩過程中下方土體的位移場，通過所測量的數據可分析出海底直鋪管道側向穩定性情況。
2、 一種實施權利要求1所述方法的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬 裝置，其特徵在於，該模擬裝置包括土槽及土樣製備系統、機械加載 系統、參數測量系統，土樣製備系統用於在所述土槽內製備海底土樣， 以便模擬管道的承壓土體；機械加載系統用於模擬單向海流對管道的 水平拖曳力和垂向升力作用；參數測量系統用於對實驗中的數據測 量。
3、 如權利要求2所述的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置，其特 徵在於，所述土槽採用透明的鋼化玻璃製成，以^更測量中》見察管道側 向失穩的動力過程；所述土樣製備系統採用砂雨法製備砂土土樣。
4、 如權利要求2所達的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置，其特 徵在於，所述機械加載系統包括步進電機、自動微調裝置、拉繩、模 型管道，自動微調裝置上設置有定滑輪，拉繩一端固定連接在步進電 機的傳動軸上，拉繩另一端繞過所述定滑輪後與模型管道固定連接， 所述自動微調裝置可調整所述定滑輪在豎直方向上運動，從而保證在 管道側向失穩過程中使得所述拉繩與土體水平面的夾角不t
5、 如權利要求4所述的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置，其特 徵在於，所述拉繩與土體水平面的夾角範圍為40° 60°之間。
6、 如權利要求4所述的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置，其特 徵在於，所述模型管道上設置有中心軸並且管道兩端自由，所述拉繩固定連接在所述中心軸上，從而使得管道可同時發生轉動和平行移 動。
7、 如權利要求4所述的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置，其特 徵在於，所述模型管道上還可固定設置有防止管道轉動的雙平行四邊 形機構，當所述拉繩與模型管道固定連接後，使得模型管道只能發生 平4亍移動。
8、 如權利要求2所述的檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬裝置，其特 徵在於，所述參數測量系統包括雷射位移傳感器、拉力傳感器、雷射 粒子圖像測速儀和土壓力傳感器，拉力傳感器設置在所述拉繩上，用 於測量所述步進電機施加的拉力值；雷射位移傳感器用於測量所述模 型管道在土體中的初始沉降量；雷射粒子圖像測速儀用於測量所述才莫 型管道側向失穩過程中下方土體的位移場；土壓力傳感器設置在所述 模型管道下外邊緣上，並用於測量所述模型管道所承受的土壓力。
全文摘要
本發明公開了一種檢測海底直鋪管道側向穩定性的模擬方法及其模擬裝置，首先製備土樣，模擬海床；安裝試驗管道當管道與海床剛剛接觸時，釋放管道使其在自身重力作用下產生初始沉降，同時採用雷射位移傳感器測量管道在土體中的初始沉降量。通過步進電機對管道施加斜向拉力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時測量步進電機的拉力、管道側向失穩過程中的水平位移和附加沉降量、管道側向失穩過程中下方土體的位移場以及側向土壓力。利用本發明的模擬方法及其模擬裝置可有效模擬海底直鋪管道的承壓土體、單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力等，並可實時測量管道地基極限側向土阻力等穩定性參數，從而可模擬分析海底直鋪管道的側向穩定性。
文檔編號G01M99/00GK101221097SQ20081005664
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月23日 優先權日2008年1月23日
發明者吳應湘, 波 趙, 閆術明, 雒承才, 高福平 申請人:中國科學院力學研究所