CN103353370A - 油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置 - Google Patents

Abstract

一种油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，在试验槽内设置有埋在土体内水平移动的实验管线，实验管线的两端通过钢丝绳连接位于试验槽外部一侧的驱动装置，实验管线的中部连接设置于试验槽外部远离驱动装置一侧的拉线式位移传感器，驱动装置包括有拉力驱动机构和通过连接线与拉力驱动机构相连的拉力传动机构，连接线上设置有拉压力传感器，还设置有动静态应变分析仪、与静态应变分析仪输出端相连接的计算机和用于摄取实验管线移动图像的摄像机，拉压力传感器和拉线式位移传感器分别通过电缆与动静态应变分析仪的输入端相连。本发明可以模拟油气管线在海床上发生横向大变形时管线运动的真实路径，并研究多种因素作用下管线所受到的土体抗力大小。

Description

油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置

技术领域

本发明涉及一种海底油气管线的在位稳定性测定装置。特别是涉及一种通过室内试验模拟管线在海床上发生横向大变形时管线运动的真实路径和管线所受到土体抗力发挥过程的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置。

背景技术

海洋资源的开发是我国未来油气资源的主要增长点。海底管线是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分。为了满足生产工艺的要求，海底油气管线内部通常具有较高的输送压力和温度，随着工作水深的增加及管线长度的增长，管线内部的输送压力和温度也随之增长。在温压联合作用下，海底管线将发生整体屈曲以释放管壁中累积的应力。其中对于无掩埋的管线，整体屈曲以水平向屈曲为主。

在整体屈曲分析中，地基土体对管线的约束力起到了至关重要的作用，土体的阻力在一定程度上约束了管线的自由变形，导致管线中由于温差和压差产生的应力不能完全释放，从而使管线出现了不同方向的运动。地基土体与管线的相互作用决定了管线整体屈曲的类型，并在管线发生整体屈曲的过程中控制着其变形的形态和节奏。实际工况下油气管线发生横向大变形时并非严格按水平向运动，在确定土体抗力时，单系数的模型不再精确，且约束力受管线入土深度、土体特性、变形速率等多种因素的影响，通过室内试验的研究，模拟管线横向大变形时的真实路径和管土间动态的相互作用过程，建立多因素作用下的土体抗力计算方法，准确确定管线运动过程中受到的土体阻力，为管线的在位稳定性设计提供重要依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种以模拟各种掩埋条件下管线横向大变形发生的真实路径及管线与土体之间的动态摩擦，测定土体对管线的约束力大小，探讨多种因素对约束力的影响，能够为管线防控整体屈曲设计，保证油气管线的安全运行提供重要的土体约束力数据油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置。

本发明所采用的技术方案是：一种油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，包括用于存放土体的试验槽，所述的试验槽内设置有埋在土体内水平移动的实验管线，所述的实验管线的两端通过钢丝绳连接位于试验槽外部一侧的用于拉动实验管线水平移动的驱动装置，所述实验管线的中部连接设置于试验槽外部远离驱动装置一侧的拉线式位移传感器，所述的驱动装置包括有拉力驱动机构和通过连接线与所述的拉力驱动机构相连并将拉力驱动机构的驱动力传送给所述钢丝绳的拉力传动机构，所述的连接在拉力传动机构与拉力驱动机构之间的连接线上设置有拉压力传感器，还设置有动静态应变分析仪、与静态应变分析仪输出端相连接的计算机和用于摄取实验管线移动图像的摄像机，所述的拉压力传感器和拉线式位移传感器分别通过电缆与所述的动静态应变分析仪的输入端相连。

所述的所述的试验槽是由透明的有机玻璃制成，前侧面上标有用于观察和测量管线前方土坝的高度的刻度，所述的试验槽在与所述的拉线式位移传感器相邻的侧面上开有一个通孔，所述的拉线式位移传感器的拉线端贯所述的通孔与所述的实验管线的中部连接，所述的试验槽位于拉力传动机构一侧的侧壁内侧固定设置有用于支撑连接实验管线两端的钢丝绳的两个第一滑轮。

所述的通孔上设置有密封环。

所述的驱动机构包括有减速箱和与减速箱相连接的变频电机，所述的减速箱的输出端通连接线连接拉力传动机构。

所述的拉力传动机构包括有通过支撑架设置在试验槽外侧的传动轴、位于所述传动轴邻近试验槽一侧的两个第二滑轮、位于所述传动轴另一侧的一个第三滑轮以及位于驱动机构中减速箱输出端的一个第四滑轮，所述的连接实验管线两端的钢丝绳通过设置在试验槽内的两个第一滑轮后又通过所述的两个第二滑轮与所述的传动轴相连接，连接在传动轴中部的连接线依次通过第三滑轮和第四滑轮的支撑与减速箱的输出端相连接。

所述的实验管线包括有两端开口的管体、插入在管体内的配重钢筋和分别设置在管体两端用于封堵管体两端的可伸缩堵头。

本发明的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，可以模拟油气管线在海床上发生横向大变形时管线运动的真实路径，并研究多种因素作用下管线所受到的土体抗力大小。具有如下特点：

电力驱动的动力系统可以输出可控的动力，能够保证管线按一定的速率运动，且通过改变不同组试验中管线运动速率的大小，可以研究运动速率对土体抗力的影响。

传力系统采用的拉力式，避免了推进式系统由于推进距离过长而导致的推杆屈曲或为消除推杆屈曲采用更大截面推杆引起推杆重量对试验干扰，消除了对运动距离的限制，使得研究较长运动距离的横向大变形成为可能；钢索与管线的柔性连接可以保证管线运动时运动路线不受装置的附加约束，管线将沿最可能的路径横向移动，为模拟管线真实运动路径提供了可能，同时，足够细的钢索也最大程度的降低了对管线前方土坝干扰。

试验槽由带刻度的有机玻璃制成，可以通过刻度严格控制土体高度，研究不同埋深下土体对管线的阻力，并能够观察管线前方土坝形成发展的全过程；四周密封的试验槽也可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。

数据采集系统可以即时、精确的记录管线所受的土体阻力大小、管线位移和管线前方土坝的形成全过程，了解前方土坝与阻力间的内在联系。

试验管线为不同管径的空心钢管，便于加配重钢筋改变管线重量，以研究不同管径、不同自重管线所受土体阻力的大小；管线两端配以可伸缩的堵头与试验槽两侧内壁接触，既消除了管线端部对前方土坝的端部效应，也最大化的减少了管线两端与试验槽内壁的摩擦，降低实验误差。

附图说明

图1是本发明油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置整体构成示意图；

图2是试验管线局部剖视图；

图3是50mm直径的管线配重0.838kg半埋条件试验数据曲线图。

图中

1：试验槽                      2：变频电机

3：减速箱                      4：拉压力传感器

5：拉线式位移传感器            6：实验管线

7：动静态应变分析仪            8：计算机

9：摄像机                      10：管体

11：配重钢筋                   12：钢丝绳

13：拉力传动机构               14：刻度

15：通孔                       16：第一滑轮

17：传动杆                     18：第二滑轮

19：第三滑轮                   20：第四滑轮

21：可伸缩堵头

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置做出详细说明。

如图1所示，本发明的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，包括用于存放土体的试验槽1，所述的试验槽1内设置有埋在土体内水平移动的实验管线6，所述的实验管线6的两端通过钢丝绳12连接位于试验槽1外部一侧的用于拉动实验管线6水平移动的驱动装置，所述实验管线6的中部连接设置于试验槽1外部远离驱动装置一侧的拉线式位移传感器5，所述的驱动装置包括有拉力驱动机构和通过连接线与所述的拉力驱动机构相连并将拉力驱动机构的驱动力传送给所述钢丝绳12的拉力传动机构13，所述的连接在拉力传动机构13与拉力驱动机构之间的连接线上设置有拉压力传感器4，所述的连接线也为钢丝绳。还设置有动静态应变分析仪7、与静态应变分析仪输出端相连接的计算机8和用于摄取实验管线6移动图像的摄像机9，所述的拉压力传感器4和拉线式位移传感器5分别通过电缆与所述的动静态应变分析仪7的输入端相连。可以即时、精确的记录试验管线所受的土体阻力大小、试验管线位移和试验管线前方土坝的形成全过程，了解前方土坝与阻力间的内在联系。

所述的驱动机构包括有减速箱3和与减速箱3相连接的变频电机2，所述的减速箱3的输出端通连接线连接拉力传动机构13，从而输出可控的动力，保证试验管线按一定的速率运动，且通过改变不同组试验中管线运动速率的大小。

所述的试验槽1是由透明的有机玻璃制成，前侧面上标有用于观察和测量管线前方土坝的高度的刻度14，可以通过刻度严格控制土体高度，研究不同埋深下土体对管线的阻力。所述的试验槽1在与所述的拉线式位移传感器5相邻的侧面上开有一个通孔15，所述的拉线式位移传感器5的拉线端贯所述的通孔15与所述的实验管线6的中部连接，所述的通孔15上设置有密封环。所述的试验槽1位于拉力传动机构13一侧的侧壁内侧固定设置有用于支撑连接实验管线6两端的钢丝绳12的两个第一滑轮16。透明有机玻璃制成的试验槽1能够观察管线前方土坝形成发展的全过程；四周密封的试验槽也可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。

如图2所示，所述的实验管线6包括有两端开口的管体10、插入在管体10内的配重钢筋11和分别设置在管体10两端用于封堵管体10两端的可伸缩堵头21。试验管线可以采用不同管径的空心钢管，便于加配重钢筋改变管线重量，以研究不同管径、不同自重管线所受土体阻力的大小；管线两端配以可伸缩的堵头与试验槽两侧内壁接触，既消除了管线端部对前方土坝的端部效应，也最大化的减少了管线两端与试验槽内壁的摩擦，降低实验误差。

所述的拉力传动机构13包括有通过支撑架（图中未示）设置在试验槽1外侧的传动轴17、位于所述传动轴17邻近试验槽1一侧的两个第二滑轮18、位于所述传动轴17另一侧的一个第三滑轮19以及位于驱动机构中减速箱3输出端的一个第四滑轮20，所述的连接实验管线6两端的钢丝绳12通过设置在试验槽1内的两个第一滑轮16后又通过所述的两个第二滑轮18与所述的传动轴17相连接，连接在传动轴17中部的连接线依次通过第三滑轮19和第四滑轮20的支撑与减速箱3的输出端相连接。

本发明的的拉力传动机构13，避免了推进式系统由于推进距离过长而导致的推杆屈曲或为消除推杆屈曲采用更大截面推杆引起推杆重量对试验干扰，消除了对运动距离的限制，使得研究较长运动距离的横向大变形成为可能；钢丝绳与试验管线的柔性连接可以保证试验管线运动时运动路线不受装置的附加约束，试验管线将沿最可能的路径横向移动，为模拟管线真实运动路径提供了可能，同时，足够细的钢丝绳也最大程度的降低了对试验管线前方土坝干扰。

由上所述，本发明的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，由变频电机和减速箱组成动力系统，用于提供可控制输出大小的动力并可以调整试验管线运动速度；由钢丝绳、滑轮、传动轴组成的传力系统，用以将动力系统与试验管线连接起来，带动试验管线前进；试验槽由标上刻度的有机玻璃制成，便于观察和测量试验管线前方土坝的高度；由计算机、动静态应变分析仪、拉力传感器、拉线式位移传感器和摄像机组成的数据采集系统，用以记录试验管线前进过程中，所受抗力大小、试验管线水平位移大小和前方土坝的形成过程。

本发明的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置的具体实现过程如下：

试验开始前，将试验所需研究的土体装入试验槽内，选取试验所需管径的试验管线和配重钢筋，按一定的埋深要求埋置试验管线，并根据含水率要求，控制好土体含水率，将变频电机、减速箱、钢丝绳、拉力传感器、拉线式位移传感器、动静态应变分析仪、摄像机和计算机按图1所示连接完毕，并启动计算机、KYOWA-PCD300A型动静态应变分析仪，对动静态应变分析仪进行平衡、清零。试验开始时，依次启动摄像机、减速箱、变频电机，使得钢丝绳以一定速率稳定拉动试验管线前进，动静态应变分析仪采集相应的试验数据，摄像机记录前方土坝的产生和发展。试验结束时，依次停止动静态应变分析仪、摄像机、变频电机、减速箱，取出试验管线，打开堵头，取回配重钢筋。进行下组试验时，改变工况组合，依上述试验顺序，进行其他条件下的试验。

Claims (6)

1.一种油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，包括用于存放土体的试验槽（1），其特征在于，所述的试验槽（1）内设置有埋在土体内水平移动的实验管线（6），所述的实验管线（6）的两端通过钢丝绳（12）连接位于试验槽（1）外部一侧的用于拉动实验管线（6）水平移动的驱动装置，所述实验管线（6）的中部连接设置于试验槽（1）外部远离驱动装置一侧的拉线式位移传感器（5），所述的驱动装置包括有拉力驱动机构和通过连接线与所述的拉力驱动机构相连并将拉力驱动机构的驱动力传送给所述钢丝绳（12）的拉力传动机构（13），所述的连接在拉力传动机构（13）与拉力驱动机构之间的连接线上设置有拉压力传感器（4），还设置有动静态应变分析仪（7）、与静态应变分析仪输出端相连接的计算机（8）和用于摄取实验管线（6）移动图像的摄像机（9），所述的拉压力传感器（4）和拉线式位移传感器（5）分别通过电缆与所述的动静态应变分析仪（7）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，其特征在于，所述的所述的试验槽（1）是由透明的有机玻璃制成，前侧面上标有用于观察和测量管线前方土坝的高度的刻度（14），所述的试验槽（1）在与所述的拉线式位移传感器（5）相邻的侧面上开有一个通孔（15），所述的拉线式位移传感器（5）的拉线端贯所述的通孔（15）与所述的实验管线（6）的中部连接，所述的试验槽（1）位于拉力传动机构（13）一侧的侧壁内侧固定设置有用于支撑连接实验管线（6）两端的钢丝绳（12）的两个第一滑轮（16）。

3.根据权利要求2所述的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，其特征在于，所述的通孔（15）上设置有密封环。

4.根据权利要求2所述的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，其特征在于，所述的驱动机构包括有减速箱（3）和与减速箱（3）相连接的变频电机（2），所述的减速箱（3）的输出端通连接线连接拉力传动机构（13）。

5.根据权利要求1或2所述的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，其特征在于，所述的拉力传动机构（13）包括有通过支撑架设置在试验槽（1）外侧的传动轴（17）、位于所述传动轴（17）邻近试验槽（1）一侧的两个第二滑轮（18）、位于所述传动轴（17）另一侧的一个第三滑轮（19）以及位于驱动机构中减速箱（3）输出端的一个第四滑轮（20），所述的连接实验管线（6）两端的钢丝绳（12）通过设置在试验槽（1）内的两个第一滑轮（16）后又通过所述的两个第二滑轮（18）与所述的传动轴（17）相连接，连接在传动轴（17）中部的连接线依次通过第三滑轮（19）和第四滑轮（20）的支撑与减速箱（3）的输出端相连接。

6.根据权利要求1或2所述的油气管线在海床上横向大变形时所受土体抗力测定装置，其特征在于，所述的实验管线（6）包括有两端开口的管体（10）、插入在管体（10）内的配重钢筋（11）和分别设置在管体（10）两端用于封堵管体（10）两端的可伸缩堵头（21）。

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