CN104374656B - 一种海底管道侧向移动载荷试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种海底管道侧向往复移动载荷试验装置，包括砂槽、试验管道、滚筒、牵引机构和测力***，砂槽的上部边框为矩形，在上部边框的两条短边之间固定有设置有滑块的两道滑轨，滑块间利用桁架结构相互连接；在试验管道上垂直固定有两根钢杆；在靠近砂槽前端的滚筒上缠绕有两根适当长度的钢丝绳；在砂槽上部边框的不同部位固定有用于支撑、导向或转向钢丝绳的多个定滑轮；测力***用于获取试验管道受到的侧向水平循环载荷。本发明可在研究管‑土相互作用机理时使用，可以降低测量装置产生的误差，降低试验的操作难度，提高常规重力场下的试验精度。

Description

一种海底管道侧向移动载荷试验装置

所属技术领域

本发明属于海底管道试验技术领域，是一种海底管道侧向往复移动载荷测试装置。

背景技术

近年来，海洋油气工程逐渐向深海发展。海底管道的正常工作是深海油气开发的重要保障，而深海海底管道一般裸置(不开沟埋设)于海床表面，或部分埋置。在管内高温高压作用下，裸置在海床表面的管道会发生侧向屈曲，产生侧向移动，海底管道路由发生迁移，适量的侧向屈曲可减小轴向压力，有利于管道的安全，过大的侧向移动会导致局部应力超过屈服极限，从而导致管道结构发生破坏，造成重大工程事故。为了研究管道的侧向移动，需要深入了解管-土相互作用机理，确定海底管道侧向移动过程受到的侧向载荷，这是目前研究管道侧向移动的关键理论与技术问题。由于深海水深达1000米以上，无法进入实际海底测试管道的侧向移动载荷，因此需要在实验室内设计合理的测试装置和测试技术，测试裸置海底管道的侧向移动载荷，揭示海底管道与土壤之间的相互作用机理。

管-土相互作用试验一般分为常规重力场下的试验和离心试验。其中常规重力场下的试验可以确定裸置管道、部分埋置管道或完全埋置管道和土壤的作用关系，但是常规重力场试验不能完全满足土壤的动力相似关系，导致测量装置引入的阻尼力数量级较大，甚至在某些工况下接近土壤对管道的作用力，严重影响了试验的误差控制，而且在常规重力试验所采用的一般机械加载方式中，约束管道滚动的装置比较复杂，并且会引入新的阻尼力，增大误差。在使用应变片或压力传感器的试验中，人员操作的质量和熟练水平对于试验结果有十分大的影响。离心试验通过增加模型场的加速度，在保证原型与模型几何相似的前提下，可保持土体的力学特性相似，模拟出与原模型相等或相近的载荷水平，但是离心试验前期设备投入较高，经济效益底，对于解决工程实际问题有一定的局限性。此外，目前国内对于裸置海底管道在砂土表面运动的研究成果多集中于管道单向运动，对于管道往复运动的研究很少。

本发明开发了一种新型常规重力场下的机械加载-测量装置，可以测量裸置管道在砂土表面往复运动过程中受到的土壤作用力。测量装置不与土壤接触，设置在土壤和滑动***之间，不会引入额外阻尼力，减少了误差项、试验总误差减小；此外还有多种有益效果，解决了若干试验难题(详见(六))。该装置机构简单，功能完全，测量效率高，制造成本较低，有较高的经济效益和工程实用价值。

发明内容

本发明的目的在于开发一种深海海底管道侧向移动载荷测试试验装置，用于在实验室内测试海底管道侧向往复移动过程的载荷，该装置可在研究管-土相互作用机理时使用，可以大大降低测量装置产生的误差，降低试验的操作难度，提高常规重力场下的试验精度，为管-土相互作用试验提供一个可靠、高效的力学装置。本发明的技术方案如下：

一种海底管道侧向往复移动载荷试验装置，包括铺有砂土的砂槽(1)、试验管道(4)、滚筒(2)、牵引机构和测力***(19)，试验管道(4)裸置于砂土表面，其中，

砂槽(1)的上部边框(13)为矩形，在上部边框(13)的两条短边之间固定有两道相互平行的滑轨(9)，在每道滑轨(9)上均设置有两个滑块(8)，四个滑块(8)之间利用一个主体与所述的两条边平行的工字型桁架结构(7)相互连接，桁架结构(7)通过滑块(8)在滑轨(9)上进行水平方向的前后移动；

在试验管道(4)靠近中部的位置垂直固定有两根钢杆(5)，在两个钢杆(5)的上部同样的高度利用顶丝各固定有一个轴承座(6)，轴承座(6)固定在桁架结构(7)上；轴承座(6)通过顶丝的松开或拧紧使得钢杆(5)和试验管道(4)在竖直方向自由移动或固定；

在靠近砂槽(1)前端的位置固定有与砂槽(1)的上部边框(13)的所述的两条边平行平行的滚筒轴(14)，在滚筒轴(14)上设置有圆柱滚筒(2)，在圆柱滚筒(2)上缠绕有两根适当长度的钢丝绳；滚筒轴(14)由牵引机构驱动；

在砂槽(1)上部边框(13)的前部固定有四个起支撑和导向作用的定滑轮，两个位于前部的一侧，另外两个位于前部的另一侧；在桁架结构(7)的前部和后部各固定两个起转向作用的定滑轮(11)；在上部边框(13)的后部固定有两个起转向作用的定滑轮(12)，分别位于后部的两侧；从圆柱滚筒(2)引出的第一根钢丝，经由上部边框(13)前部的一侧固定的一个定滑轮(16)的导向后到达桁架结构(7)前部，再依次经由桁架结构(7)前部的两个定滑轮(11)转向180°，最后经由上部边框(13)前部的另一侧固定的一个定滑轮(17)的导向后回到圆柱滚筒(2)；在上部边框(13)的后部固定有两个起转向作用的定滑轮，分别位于后部的两侧；从圆柱滚筒(2)引出的第二根钢丝，经由上部边框(13)前部的一侧固定的一个定滑轮(15)的导向后从桁架结构(7)下方穿过到达上部边框(13)的后部，再经由位于上部边框后部的一个定滑轮(12)转向180°，到达桁架结构(7)后部，再依次经由桁架结构(7)后部的两个定滑轮(11)转向180°，之后再经由上部边框(13)后部的另一个定滑轮(12)转向180°，最后再次从桁架结构(7)下方穿过经固定在上部边框前部的另一侧的一个定滑轮(18)的导向后回到圆柱滚筒(2)。

所述的测力***(19)包括设置在两根钢杆(5)上测力传感器，用于获取试验管道受到的侧向水平循环载荷。

其中，牵引机构包括依次连接的变频器、电机、变速箱和联轴器，联轴器另一端与滚筒轴(14)相连。

所述的测力传感器为应变片，在每根钢杆的适当高度处前后各贴一个应变片，接成全桥，通过导线连接到电阻应变仪。

本发明的突出优点和解决难题：

1、测力***(垂直钢杆及其上的应变片等)不与土壤接触，不会引入额外的阻尼力，可减小误差(直接减少误差项)，提高试验精度；

2、测力***(垂直钢杆及其上的应变片等)设置在管道和滑轨之间，使得滑轨的摩擦阻力不会对试验结果产生影响，可减小误差(直接减少误差项)，提高试验精度；

3、垂直杆件上端用轴承座固定。当轴承座上设有顶丝。在只研究土壤侧向阻力的试验中，拧紧顶丝，保持固定端约束；在研究管道侧向移动时伴随的升高或沉陷的试验中，松开顶丝，使垂直钢杆在竖直方向***。装置可靠，灵活，在进行不同组别的试验时，可以高效切换。

4、垂直钢杆与试验管道垂直焊接，侧向设肘板支撑，使管道侧向移动时不会发生滚动，排除了试验过程中因管道滚动而产生的测量值减小或突变，提高了试验的精确度和稳定性。

5、通过试验装置中的滑轮***，电动机正转—反转可以实现管道在砂土表面的往复运动，通过试验装置，可以测量试验管道往复运动时受到的循环载荷，操作简单，运行高效。在管道往复运动过程中，测力***输出的信号通过正负符号反映管道运动方向。

6、试验利用定滑轮改变钢丝绳的牵引方向，不论试验管道及其上端连接的桁架结构前进还是后退，从定滑轮两端分别引出的同一根钢丝绳上的力是相等的，使得试验管道行进过程中受到的牵引力左右均衡，管道的水平侧向移动不会发生偏斜。

7、电阻应变片贴在垂直钢杆上，在每根垂直钢杆的适当高度处前后各贴一个应变片(两根杆共4个应变片)，接成全桥。试验前在试验管道上施加若干单位水平力，标定测力***采集的输出信号。有益效果：1)当应变片位置确定之后，信号采集点到试验管道的距离继而确定，改变垂直钢杆上端的固定位置，测量值不会发生改变，提高了试验精度；2)由于输入信号与输出信号的关系通过标定来确定，且试验均在线弹性范围内，所以应变片黏贴的对齐程度、竖直程度等对试验结果不产生影响，排除了因试验人员的贴片操作引入的试验误差，大大提高了试验精度(直接减少误差项)。3)由于这种测量方式的优越性，本试验无需采用高精度测量仪，精度高，成本底，灵活高效，可在工程中得以广泛应用。

附图说明

图1为本发明的管道侧向移动试验装置整体示意图；

图2为本发明的砂槽—滑轨—牵引机构示意图；

图3为本发明的滑动***示意图；

图4为本发明的桁架结构示意图；

图5为本发明的试验管道—测力***示意图。

图中：1、砂槽，2、圆柱滚筒，3、砂土，4、试验管道，5、垂直钢杆，6、轴承座，7、桁架结构，8、滑块，9、滑轨，10、第一组定滑轮(由定滑轮15、定滑轮16、定滑轮17、定滑轮18组成)，11、第二组定滑轮，12、第三组定滑轮，13、砂槽上部边框，14、滚筒轴,19、测力***。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进行详细描述。

海底管道侧向往复移动载荷试验装置，包括铺有砂土3的砂槽1、牵引机构(图中未画出)和圆柱滚筒2，架设在砂槽上部边框13上的滑动***，裸置在砂土3上的试验管道4，垂直钢杆5以及桁架结构7等其他装置。

砂槽1为长方体，边框用角钢焊接，底、前、后、右面铺设一定厚度的木板，左面为一定强度的玻璃钢板。砂槽1的上部边框13为矩形，在上部边框13的两条短边之间固定有两道滑轨9，在两道滑轨9上左右各设置有两个滑块8，四个滑块8之间利用一个与所述的两条短边平行的桁架结构7相互连接。桁架结构7可以通过滑块8在滑轨9上进行水平方向的前后移动。在靠近砂槽1前端的位置设有与所述的两条短边相互平行的滚筒轴14，在滚筒轴14上固定圆柱滚筒2，圆柱滚筒2上缠绕两根适当长度的钢丝绳。

砂槽1中铺有适量砂土3，试验管道4裸置在砂土3上。在试验管道4靠近中部的位置垂直固定有两根相互平行的钢杆5，钢杆5下端与试验管道4固定处加肘板支撑，且钢杆5不与土壤接触。在两根钢杆5的上部相同高度处利用顶丝分别固定在一个轴承座6上，轴承座6固定在桁架结构7上。当轴承座6上的顶丝拧紧时，钢杆5的上端约束形式成为固定端，与桁架结构固定；当轴承座6上的顶丝松开时，钢杆5的上端垂向自由度放开，水平自由度仍然约束，试验管道4和垂直钢杆5在侧向移动过程中可以自由上升或下降。

砂槽上部边框13前端固定四个起支撑和导向作用的定滑轮10，后端固定两个起转向作用的定滑轮12，桁架结构7前后各固定两个起转向作用的定滑轮11。滚筒2引出的第一根钢丝绳从滚筒2中间靠右出发，穿过第一组定滑轮中的定滑轮16，到达桁架结构7前端，依次穿过桁架结构7前端的两个定滑轮11，方向改变180°，穿过第一组定滑轮中的定滑轮17，回到滚筒2的中间靠左部分。滚筒2引出的第二根钢丝绳从滚筒2的右边出发，穿过第一组定滑轮中的定滑轮15，从桁架结构7下方经过，直到砂槽上部边框13后端，穿过第三组定滑轮12，方向改变180°，回到桁架结构7后端时，依次穿过桁架结构7后端的两个定滑轮11，方向改变180°，再次到达砂槽上部边框13后端，穿过第三组定滑轮12，方向改变180°，从桁架结构7下方经过，穿过第一组定滑轮中的定滑轮18，最终回到滚筒2左边。不论桁架结构7前进还是后退，只有一跟钢丝绳拉紧，另一根松弛，并且从定滑轮两端分别引出的同一根钢丝绳上的力是相等的，使得在桁架结构7行进过程中左右受力均衡，试验管道4在水平侧向移动过程中不会发生偏斜。

在两根垂直钢杆5上的适当位置处，前后各贴2个(共4个)应变片，应变片接成全桥，通过导线连接电阻应变仪—数据采集仪—计算机，构成测力***。

在试验进行前，要对测力***进行标定。将轴承座6从桁架结构7上取下，固定在稳定的试验台上，把顶丝拧紧，使垂直钢杆上端成固定端，于试验管道4的轴所在的水平面内，在试验管道4上施加垂直于管道的侧向水平作用力，逐渐增大作用力，同时标定测力***19的示数。标定结束后，将轴承座6连同垂直钢杆5和试验管道4重新固定在桁架结构7上。

在试验过程中，电动机通过变频器和减速箱降速，拉动滚筒2上的钢丝绳，带动滑轨9上的桁架结构7前行，桁架结构7通过轴承座6带动其下方的垂直钢杆5和试验管道4向前移动，并使试验管道4和砂土3产生相互作用。应用事先标定的测力***测量试验管道受到的砂土3的侧向水平作用力。电动机正转—反转，可实现试验管道4在砂土3上的往复运动，测力***可以输出试验管道4受到的侧向水平循环载荷。

Claims (3)

1.一种海底管道侧向往复移动载荷试验装置，包括铺有砂土的砂槽(1)、试验管道(4)、圆柱滚筒(2)、牵引机构和测力***(19)，试验管道(4)裸置于砂土表面，其中，

砂槽(1)的上部边框(13)为矩形，在上部边框(13)的两条短边之间固定有两道相互平行的滑轨(9)，在每道滑轨(9)上均设置有两个滑块(8)，四个滑块(8)之间利用一个主体与所述的两条短边平行的工字型桁架结构(7)相互连接，桁架结构(7)通过滑块(8)在滑轨(9)上进行水平方向的前后移动；

在试验管道(4)靠近中部的位置垂直固定有两根钢杆(5)，在两个钢杆(5)的上部同样的高度利用顶丝各固定有一个轴承座(6)，轴承座(6)固定在桁架结构(7)上；轴承座(6)通过顶丝的松开或拧紧使得钢杆(5)和试验管道(4)在竖直方向自由移动或固定；

在靠近砂槽(1)前端的位置固定有与砂槽(1)的上部边框(13)的所述的两条短边平行的滚筒轴(14)，在滚筒轴(14)上设置有圆柱滚筒(2)，在圆柱滚筒(2)上缠绕有两根适当长度的钢丝绳；滚筒轴(14)由牵引机构驱动；

在砂槽(1)上部边框(13)的前部固定有四个起支撑和导向作用的定滑轮，两个位于前部的一侧，另外两个位于前部的另一侧；在桁架结构(7)的前部和后部各固定两个起转向作用的定滑轮(11)；在上部边框(13)的后部固定有两个起转向作用的定滑轮(12)，分别位于后部的两侧；从圆柱滚筒(2)引出的第一根钢丝，经由上部边框(13)前部的一侧固定的第二定滑轮(16)的导向后到达桁架结构(7)前部，再依次经由桁架结构(7)前部的两个定滑轮(11)转向180°，最后经由上部边框(13)前部的另一侧固定的第三定滑轮(17)的导向后回到圆柱滚筒(2)；从圆柱滚筒(2)引出的第二根钢丝，经由上部边框(13)前部的一侧固定的第一定滑轮(15)的导向后从桁架结构(7)下方穿过到达上部边框(13)的后部，再经由位于上部边框后部的一个定滑轮(12)转向180°，到达桁架结构(7)后部，再依次经由桁架结构(7)后部的两个定滑轮(11)转向180°，之后再经由上部边框(13)后部的另一个定滑轮(12)转向180°，最后再次从桁架结构(7)下方穿过经固定在上部边框前部的另一侧的第四定滑轮(18)的导向后回到圆柱滚筒；所述的测力***包括设置在两根钢杆(5)上测力传感器，用于获取试验管道受到的侧向水平循环载荷。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，牵引机构包括依次连接的变频器、电机、变速箱和联轴器，联轴器另一端与滚筒轴(14)相连。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述的测力传感器为应变片，在每根钢杆的适当高度处前后各贴一个应变片，接成全桥，通过导线连接到电阻应变仪。