模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法及裝置。其中，該方法包括以下步驟：（1）選一模型管道，根據(jù)需要給模型管道配重，然后在模型管道內(nèi)安裝測量其軸向滑動阻力的拉力傳感器；（2）選一水槽，在水槽內(nèi)制造出所需坡度的模擬海床；（3）給模型管道安裝導向約束裝置，使模型管道只能在其軸向及垂直模擬海床床面方向平動，同時在導向約束裝置上安裝測量模型管道在其軸向及垂直模擬海床床面方向位移的位移測量裝置，然后將模型管道置于模擬海床上；（4）對模型管道軸向加載，使模型管道軸向滑動，同時，用數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)同步采集各測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明為實現(xiàn)對海底管道和海床間軸向相互作用的研究提供了一種較為理想的手段。
【專利說明】模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法及裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋油氣工程、海洋土力學、海底管道工程等【技術(shù)領域】，特別涉及模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]海底管道和海底光纜等管系結(jié)構(gòu)已被廣泛用于海洋油氣輸運及通訊信號傳輸。如何確保海底管系結(jié)構(gòu)的在位穩(wěn)定性是海洋工程設計和安全運營面臨的關鍵問題。對于在水平海床上鋪設的海底管道而言，側(cè)向和垂向管土相互作用是管道在位穩(wěn)定性的主要內(nèi)涵，國際上已進行了較為系統(tǒng)深入的研究。然而，海床地形地貌復雜多變，我國南海海域分布著大陸坡斜坡海床及深水盆地。海床地表坡度的存在對海底管系結(jié)構(gòu)的在位穩(wěn)定性分析設計提出了更高要求。順坡鋪設的海底管道當受到水下重力作用時，可引起軸向整體屈曲等結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。
[0003]對于斜坡鋪設的海底管系結(jié)構(gòu)而言，海床土體提供的軸向抗滑力是保證管道軸向穩(wěn)定的關鍵因素。當軸向抗滑力不足以平衡管道軸向外力時，長距離鋪設的海底管道的結(jié)構(gòu)內(nèi)力將沿管軸進行傳遞并累積，最終導致管道因軸向壓力過大而發(fā)生整體屈曲，甚至發(fā)生斷裂而造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。
[0004]抗滑力的大小與多種因素有關:根據(jù)經(jīng)典摩擦理論，抗滑力的大小與管道的水下重量、管道嵌入床面的深度以及表面的粗糙系數(shù)正相關。而對于低滲透系數(shù)的海床，當管道沿軸向快速運動時，產(chǎn)生的孔隙水壓力消散不及，將減小管道與土顆粒之間的有效接觸應力，從而降低管道的抗滑能力。
[0005]可見，針對海底管道和海床間軸向相互作用的研究對于管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為實現(xiàn)對海底管道和海床間軸向相互作用的研究，本發(fā)明提供一種模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法及裝置。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法，其包括以下步驟:(I)選一模型管道，根據(jù)需要給模型管道配重，然后在模型管道上安裝測量其軸向滑動阻力的拉力傳感器，并在模型管道表面固定所需粗糙度的防水砂紙；(2)選一水槽，然后在水槽內(nèi)制造出所需坡度的模擬海床；(3)給模型管道安裝導向約束裝置，使模型管道只能在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向平動，同時在導向約束裝置上安裝測量模型管道沿其軸向及垂直模擬海床床面方向位移的位移測量裝置，然后將模型管道置于水槽內(nèi)的模擬海床上；(4)沿模型管道軸向?qū)δＰ凸艿兰虞d，使模型管道軸向滑動，同時，用數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)同步采集模型管道的軸向位移值、模型管道在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。[0009]一種模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其包括水槽、模擬海床、模型管道、導向約束裝置、管道軸向加載裝置、管道軸向位移測量裝置、管道沉降測量裝置、管道軸向滑動阻力測量裝置和數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，所述模擬海床位于水槽內(nèi)，所述模型管道置于模擬海床上，所述導向約束裝置用于將模型管道的運動約束在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向，所述管道軸向加載裝置用于對模型管道軸向牽引，管道軸向位移測量裝置、管道沉降測量裝置和管道軸向滑動阻力測量裝置均與數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)用于同步采集模型管道的軸向位移值、模型管道在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。
[0010]優(yōu)選地，所述模型管道由彼此分離的牽引管頭和管道測試段活動拼接而成，所述管道軸向滑動阻力測量裝置為拉力傳感器，所述拉力傳感器置于模型管道內(nèi)，且位于牽引管頭和管道測試段之間，拉力傳感器的兩端分別與牽引管頭和管道測試段連接。
[0011]優(yōu)選地，所述導向約束裝置包括安裝平臺，水平導軌、水平滑塊、豎直導軌、豎直滑塊和固定連接件，所述安裝平臺固定設置且其傾角可調(diào)，所述水平導軌固定在安裝平臺上，所述水平滑塊滑動地設置在水平導軌上，所述豎直導軌固定在水平滑塊上，所述豎直滑塊滑動地設置在豎直導軌上，且豎直滑塊通過固定連接件與模型管道固定連接。
[0012]優(yōu)選地，所述管道軸向加載裝置包括鋼索、定滑輪組和可調(diào)速步進電機，所述鋼索繞過定滑輪組，鋼索的一端與可調(diào)速步進電機的動力輸出部分連接，鋼索的另一端與模型管道的牽引管頭連接。
[0013]優(yōu)選地，所述管道軸向位移測量裝置包括第一激光位移傳感器和第一反射板，所述第一激光位移傳感器固定在安裝平臺上，所述第一反射板固定在水平滑塊上，第一激光位移傳感器和第一反射板正對。
[0014]優(yōu)選地，所述管道沉降測量裝置包括第二激光位移傳感器和第二反射板，所述第二激光位移傳感器固定在豎直導軌上，第二反射板固定在豎直滑塊上，第二激光位移傳感器和第二反射板正對。
[0015]優(yōu)選地，所述管道測試段的中心設置有管軸，所述管軸為不銹鋼螺桿，所述管軸上旋合有盤形配重。
[0016]優(yōu)選地，所述盤形配重上設有供棒形配重穿過的孔，管軸上固定有用于限制棒形配重位置的隔板。
[0017]優(yōu)選地，所述模型管道由有機玻璃制成。
[0018]優(yōu)選地，所述水槽的側(cè)壁上設有觀察窗。
[0019]優(yōu)選地，所述盤形配重和隔板的邊緣均設置有貫通各自兩側(cè)的凹槽。
[0020]可選地，所述模型管道的表面固定有防水砂紙。
[0021]本發(fā)明為實現(xiàn)對海底管道和海床間軸向相互作用的研究提供了一種手段，利用導向約束裝置將模型管道的運動約束在其軸向及垂直模擬海床床面方向，可避免模型管道側(cè)向滾動或平動對測量過程和結(jié)果造成不利影響；利用數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)對各參數(shù)同步采集，可有效建立所采集數(shù)據(jù)的對應性，為準確分析各參數(shù)間的關系提供了保障。進一步地，采用由彼此分離的牽引管頭和管道測試段活動拼接成的模型管道，可有效避免端部效應對模型管道軸向滑動阻力測量值的干擾；通過在導向約束裝置上安裝非接觸式的管道軸向位移測量裝置和管道沉降測量裝置，不僅可以準確地測量模型管道在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向的位移，而且最大限度降低了測量對運動過程的干擾；通過調(diào)節(jié)配重，可方便地調(diào)節(jié)模型管道的重量和重心，為模擬實驗提供了便利；通過在模型管道外表面固定不同粒度的防水砂紙，即可方便地改變模型管道的表面粗糙度，為模擬實驗提供了便利；通過在盤形配重和隔板的邊緣設置貫通各自兩側(cè)的凹槽，使模型管道在入水和出水時可以迅速進水和排水，便于模擬實驗的進行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實施例的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置的整體布置示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明實施例采用的模型管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是圖2在A-A處的剖視示意圖；
[0025]圖4是圖2在B-B處的剖視示意圖；
[0026]圖5是本發(fā)明實施例采用的模型管道在牽引管頭與管道測試段拼接處的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖6是本發(fā)明實施例采用的模型管道、導向約束裝置及位移傳感器在安裝后的主視不意圖；
[0028]圖7是圖6所示結(jié)構(gòu)的右視示意圖；
[0029]圖中:1、水槽；2、模擬海床；3、模型管道；31、牽引管頭；32、管道測試段；33、管軸；34、盤形配重；35、棒形配重；36、隔板；4、導向約束裝置；41、滑軌；42、安裝平臺；43、水平導軌；44、水平滑塊；45、豎直導軌；46、豎直滑塊；47、固定連接件；5、拉力傳感器；6、管道軸向位移測量裝置；61、第一激光位移傳感器；62、第一反射板；7、管道沉降測量裝置；71、第二激光位移傳感器；72、第二反射板；8、數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)；91、鋼索；92、可調(diào)速步進電機；93、定滑輪；94、螺桿。
【具體實施方式】
[0030]下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。
[0031]參照圖1?7，本實施例的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法，其包括以下步驟:(I)用彼此分離的牽引管頭31和管道測試段32活動拼接成模型管道3，根據(jù)需要給模型管道3配重，然后在模型管道3內(nèi)安裝測量其軸向滑動阻力的拉力傳感器5，并在模型管道3表面固定所需粗糙度的防水砂紙；(2)在透明或側(cè)壁具有觀察窗的水槽I內(nèi)制造出模擬海床2 ; (3)給模型管道3安裝導向約束裝置4，使模型管道3只能在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向平動，同時在導向約束裝置4上安裝測量模型管道在其軸向位移的管道軸向位移測量裝置6和在垂直模擬海床床面方向位移的管道沉降測量裝置7，然后將模型管道3置于水槽內(nèi)的模擬海床2上；(4)沿模型管道3軸向?qū)δＰ凸艿?加載，使模型管道3軸向滑動，同時，用數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)8同步采集模型管道3的軸向位移值、模型管道3在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。
[0032]優(yōu)選地，在步驟(4)開始前，旋緊牽引管頭31，以增大牽引管頭31與管道測試段32之間的壓力，使拉力傳感器5的示數(shù)略大于零。[0033]進一步地，在步驟(4)進行的同時，還可從水槽側(cè)壁外拍攝模型管道的運動過程。
[0034]進一步地，在模型管道3滑動需要的距離后，停止加載，此時即完成一次加載、測量；然后，使模型管道3回到原位，接著重復步驟(4)，如此反復，直至測得的模型管道軸向滑動阻力值與管道沉降深度值的關系隨加載次數(shù)不發(fā)生顯著變化為止。
[0035]為實現(xiàn)上述方法，對應地，一種模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置包括水槽1、模擬海床2、模型管道3、導向約束裝置4、管道軸向加載裝置(即拉力傳感器5)、管道軸向位移測量裝置6、管道沉降測量裝置7、管道軸向滑動阻力測量裝置和數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)8，模擬海床2位于水槽內(nèi)，模型管道3置于模擬海床2上，導向約束裝置4用于將模型管道3的運動約束在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向，管道軸向加載裝置用于對模型管道3軸向牽引，管道軸向位移測量裝置6、管道沉降測量裝置7和管道軸向滑動阻力測量裝置均與數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)8連接，數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)8用于同步采集模型管道3的軸向位移值、模型管道3在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。
[0036]為避免端部效應對模型管道軸向滑動阻力測量值的干擾，模型管道3由彼此分離的牽引管頭31和管道測試段32活動拼接而成，所述管道軸向滑動阻力測量裝置為拉力傳感器5，拉力傳感器5置于模型管道3內(nèi)，且位于牽引管頭31和管道測試段32之間，拉力傳感器5的兩端分別與牽引管頭31和管道測試段32連接。
[0037]優(yōu)選地，導向約束裝置4包括安裝平臺42，水平導軌43、水平滑塊44、豎直導軌45、豎直滑塊46和固定連接件47，安裝平臺42固定設置且其傾角可調(diào)，水平導軌43固定在安裝平臺42上，水平滑塊44滑動地設置在水平導軌43上，豎直導軌45固定在水平滑塊44上，豎直滑塊46滑動地設置在豎直導軌45上，且豎直滑塊46通過固定連接件47與模型管道3固定連接。
[0038]可選地，安裝平臺42固定在傾角可調(diào)的滑軌41上，從而通過調(diào)節(jié)使安裝平臺42及水平導軌43始終與模擬海床2的床面平行；可選地，導向約束裝置4不采用安裝平臺42，而直接采用傾角可調(diào)的水平導軌43，同時將第一激光位移傳感器61固定在水平導軌43上。
[0039]優(yōu)選地，所述管道軸向加載裝置包括鋼索91、定滑輪組和可調(diào)速步進電機92，鋼索91繞過定滑輪組，鋼索91的一端與可調(diào)速步進電機92的動力輸出部分連接，鋼索91的另一端與模型管道3的牽引管頭31連接。本實例例中，滑輪組由兩個定滑輪93組成，為便于調(diào)節(jié)兩定滑輪93間的距離，使鋼索91在拉緊時始終與管軸33共線，兩定滑輪93的安裝座通過絲杠94連接，轉(zhuǎn)動絲杠，即可實現(xiàn)兩定滑輪93間的距離的調(diào)節(jié)。
[0040]優(yōu)選地,管道軸向位移測量裝置6包括第一激光位移傳感器61和第一反射板62,第一激光位移傳感器61固定在安裝平臺42上，第一反射板62固定在水平滑塊44上，第一激光位移傳感器61和第一反射板62正對。
[0041]優(yōu)選地，管道沉降測量裝置7包括第二激光位移傳感器71和第二反射板72，第二激光位移傳感器71固定在豎直導軌45上，第二反射板72固定在豎直滑塊46上，第二激光位移傳感器71和第二反射板72正對。
[0042]為便于調(diào)節(jié)模型管道的重量和重心，優(yōu)選地，管道測試段32的中心設置有管軸33，管軸33為不銹鋼螺桿，管軸33上旋合有盤形配重34。
[0043]進一步地，盤形配重34上設有供棒形配重35穿過的孔，管軸33上固定有用于限制棒形配重35位置的隔板36。
[0044]為便于安裝和觀察其內(nèi)部部件，優(yōu)選地，模型管道3由有機玻璃制成。
[0045]為便于觀察和拍攝模型管道3的運行過程，優(yōu)選地，水槽I的側(cè)壁上設有觀察窗。
[0046]為使模型管道3在入水和出水時能迅速進水和排水，便于模擬實驗的進行，優(yōu)選地，盤形配重34和隔板36的邊緣設置有貫通各自兩側(cè)的凹槽。
[0047]可選地，根據(jù)模擬實驗對模型管道表面粗糙度的要求，在模型管道3的表面固定相應粗糙度的防水砂紙。
[0048]由上可知，本發(fā)明為實現(xiàn)對海底管道和海床間軸向相互作用的研究提供了一種手段，利用導向約束裝置將模型管道的運動約束在其軸向及垂直模擬海床床面方向，可避免模型管道側(cè)向滾動或平動對測量過程和結(jié)果造成不利影響；利用數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)對各參數(shù)同步采集，可有效建立所采集數(shù)據(jù)的對應性，為準確分析各參數(shù)間的關系提供了保障。進一步地，采用由彼此分離的牽引管頭和管道測試段活動拼接成的模型管道，可有效避免端部效應對模型管道軸向滑動阻力測量值的干擾；通過在導向約束裝置上安裝非接觸式的管道軸向位移測量裝置和管道沉降測量裝置，不僅可以準確地測量模型管道在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向的位移，而且最大限度降低了測量對運動過程的干擾；通過調(diào)節(jié)配重，可方便地調(diào)節(jié)模型管道的重量和重心，為模擬實驗提供了便利；通過在模型管道外表面固定不同粒度的砂紙，即可方便地改變模型管道的表面粗糙度，為模擬實驗提供了便利；通過在盤形配重和隔板的邊緣均設置貫通各自兩側(cè)的凹槽，使模型管道在入水和出水時可以迅速進水和排水，便于模擬實驗的進行。
[0049]綜上，本發(fā)明具有測量準確、調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點，是研究海底管道和海床間軸向相互作用的一種較為理想的手段。
[0050]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的方法，其特征在于包括以下步驟:(I)選一模型管道，根據(jù)需要給模型管道配重，然后在模型管道內(nèi)安裝測量其軸向滑動阻力的拉力傳感器，并在模型管道表面固定所需粗糙度的防水砂紙；(2)選一水槽，然后在水槽內(nèi)制造出所需坡度的模擬海床；(3)給模型管道安裝導向約束裝置，使模型管道只能在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向平動，同時在導向約束裝置上安裝測量模型管道沿其軸向及垂直模擬海床床面方向位移的位移測量裝置，然后將模型管道置于水槽內(nèi)的模擬海床上；(4)沿模型管道軸向?qū)δＰ凸艿兰虞d，使模型管道軸向滑動，同時，用數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)同步采集模型管道的軸向位移值、模型管道在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。
2.一種模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:包括水槽、模擬海床、模型管道、導向約束裝置、管道軸向加載裝置、管道軸向位移測量裝置、管道沉降測量裝置、管道軸向滑動阻力測量裝置和數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，所述模擬海床位于水槽內(nèi)，所述模型管道置于模擬海床上，所述導向約束裝置用于將模型管道的運動約束在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向，所述管道軸向加載裝置用于對模型管道軸向牽引，管道軸向位移測量裝置、管道沉降測量裝置和管道軸向滑動阻力測量裝置均與數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)用于同步采集模型管道的軸向位移值、模型管道在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述模型管道由彼此分離的牽引管頭和管道測試段活動拼接而成，所述管道軸向滑動阻力測量裝置為拉力傳感器，所述拉力傳感器置于模型管道內(nèi)，且位于牽引管頭和管道測試段之間，拉力傳感器的兩端分別與牽引管頭和管道測試段連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述導向約束裝置包括安裝平臺，水平導軌、水平滑塊、豎直導軌、豎直滑塊和固定連接件，所述安裝平臺固定設置且其傾角可調(diào)，所述水平導軌固定在安裝平臺上，所述水平滑塊滑動地設置在水平導軌上，所述豎直導軌固定在水平滑塊上，所述豎直滑塊滑動地設置在豎直導軌上，且豎直滑塊通過固定連接件與模型管道固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述管道軸向加載裝置包括鋼索、定滑輪組和可調(diào)速步進電機，所述鋼索繞過定滑輪組，鋼索的一端與可調(diào)速步進電機的動力輸出部分連接，鋼索的另一端與模型管道的牽引管頭連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述管道軸向位移測量裝置包括第一激光位移傳感器和第一反射板，所述第一激光位移傳感器固定在安裝平臺上，所述第一反射板固定在水平滑塊上，第一激光位移傳感器和第一反射板正對。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述管道沉降測量裝置包括第二激光位移傳感器和第二反射板，所述第二激光位移傳感器固定在豎直導軌上，第二反射板固定在豎直滑塊上，第二激光位移傳感器和第二反射板正對。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述管道測試段的中心設置有管軸，所述管軸為不銹鋼螺桿，所述管軸上旋合有盤形配重。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述模型管道由有機玻璃制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬海底管系結(jié)構(gòu)與海床土體軸向相互作用的裝置，其特征在于:所述模型管道的表面固定有砂紙。
【文檔編號】G01M99/00GK103969068SQ201410145543
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】高福平, 汪寧, 胡存, 臧志鵬 申請人:中國科學院力學研究所