CN103353517A

CN103353517A - 一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置

Info

Publication number: CN103353517A
Application number: CN2013102641890A
Authority: CN
Inventors: 刘润; 郭绍曾
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-10-16

Abstract

一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，有用于装泥沙的试验槽，还包括有贯穿所述试验槽并能够沿轴向、水平向和竖直向运动的试验管线，一侧与试验管线的位于试验槽体外侧的两个端部相连接、另一端通过钢丝绳连接驱动装置的加荷架，所述的试验管线的两个端部分别设置有电阻式位移百分表，所述的电阻式位移百分表通过电缆连接动态数据采集仪器的输入端，所述的动态数据采集仪器的输出端连接计算机，所述的连接在加荷架与所述的驱动装置之间的钢丝绳上还设置有与所述的动态数据采集仪器的输入端相连的拉压力传感器。本发明可以方便观察土体在试验过程中的运动和变化规律，可以完整精确的记录试验过程和所需的试验数据，了解土体抗力的变化趋势。

Description

一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置

技术领域

本发明涉及一种土体抗力的试验装置。特别是涉及一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置。

背景技术

深水海洋资源是未来油气资源的主要增长点。海底管线由于运输量大、迅速、连续、经济、平稳、安全、可靠以及占地少、投资少、费用低等特点，已成为石油、天然气等流体输送的最重要方式。

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。海底管线在较大的内外温差和压差作用下，由于受到地基土体的约束作用，无法自由变形，在管线内部产生并逐渐积累极大的附加应力，可能使管线发生竖向或水平向的整体屈曲，严重影响海底管线的安全运行与使用。当管线内的温度高于环境温度时，首先发生轴向膨胀，在周围土体轴向阻力的影响下，管线轴向变形受限，产生轴向压应力；随着压力的不断累积，当土体对管线阻力不足以阻止管线发生屈曲时，管线就会向土体约束力较小方向产生变形。对于埋设较深的管线，由于土体竖直向抗力小于水平向土抗力，管线发生竖向屈曲；对于埋设较浅或不埋的管线，极易发生水平向屈曲。由此可见准确评估土体对管线各个方向运动的阻力是判断管线是否发生整体屈曲及确定管线整体屈曲形态的最重要的依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够测量具有一定埋深的海底管线沿竖直向、水平向和轴向运动时所受土体阻力的测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置。

本发明所采用的技术方案是：一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，有用于装泥沙的试验槽，还包括有贯穿所述试验槽并能够沿轴向、水平向和竖直向运动的试验管线，一侧与试验管线的位于试验槽体外侧的两个端部相连接、另一端通过钢丝绳连接驱动装置的加荷架，所述的试验管线的两个端部分别设置有电阻式位移百分表，所述的电阻式位移百分表通过电缆连接动态数据采集仪器的输入端，所述的动态数据采集仪器的输出端连接计算机，所述的连接在加荷架与所述的驱动装置之间的钢丝绳上还设置有与所述的动态数据采集仪器的输入端相连的拉压力传感器。

所述的驱动装置包括有减速箱和与减速箱相连的变频电动机，所述减速箱的驱动端通过钢丝绳连接加荷架。

所述的试验槽的前侧板的中间部分采用透明的有机玻璃板构成，在有机玻璃板上开有用于试验管线在试验槽内沿轴向、水平向和竖直向运动的L型孔道，在试验槽的后侧板上与所述的有机玻璃板上所开的L型孔道相对应位置处也开有L型孔道。

所述的试验槽内位于所述的前侧板和后侧板上的L型孔道部位紧贴所述L型孔道设置有用于遮挡L型孔道防止泥沙从所述的L型孔道流出的透明的有机玻璃挡板，所述该有机玻璃挡板上开有用于贯穿试验管线的通孔。

所述的加荷架包括有主架体和对称的位于主架体同一侧两端的两个连杆，所述两个连杆的端部均设置有用于套在试验管线的两个端部的套环，所述主架体远离两个连杆的那一侧通过钢丝绳连接驱动装置。

本发明的测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，由试验槽、传动施力系统和测量系统三部分组成。试验槽主体采用A级PVC板具有优良的抗拉和抗弯性能，加工方便，耐腐蚀，抗老化，性价比高等诸多优点，保证了试验槽在搬运和试验过程中不出问题。有机玻璃板可以方便观察土体在试验过程中的运动和变化规律，拍摄记录相关影像资料。L型孔道设计不仅可以消除管线运动的端部效应而且可使三个方向的运动和测量成为可能。插槽抽拉式挡板设计可有效防止试验过程中泥沙外泄。变频电动机与减速箱的有机组合，可准确控制运动速率，减少偶然因素对试验的影响。压力传感器、位移传感器和动态数据采集仪的应用，可以完整精确的记录试验过程和所需的试验数据，了解土体抗力的变化趋势。将砂子用墨汁染成黑色，在试验槽有机玻璃板一侧按一定厚度间隔均匀布置上若干道黒砂，作为观察土体随管线运动时的标记线，方便观察土体的运动情况。

附图说明

图1是本发明测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置的整体结构示意图；

图2是本发明中试验槽结构示意图；

图3是本发明中加荷架结构示意图；

图4是试验管线水平向和竖直向运动时本发明试验装置示意图；

图5是试验管线轴向运动时本发明试验装置示意图；

图6是不同管径的水平向砂土抗力与试验管线位移的关系曲线；

图7是不同管径的竖直向砂土抗力与试验管线位移的关系曲线；

图8是不同管径的轴向砂土抗力与试验管线位移的关系曲线。

图中

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，包括有用于装泥沙的试验槽1，贯穿所述试验槽1并能够沿轴向、水平向和竖直向运动的试验管线5，一侧与试验管线5的位于试验槽1体外侧的两个端部相连接、另一端通过钢丝绳11连接驱动装置7的加荷架2，所述的试验管线5的两个端部分别设置有电阻式位移百分表6，所述的电阻式位移百分表6通过电缆12连接动态数据采集仪器9的输入端，所述的动态数据采集仪器9的输出端连接计算机10，所述的连接在加荷架2与所述的驱动装置7之间的钢丝绳11上还设置有与所述的动态数据采集仪器9的输入端相连的拉压力传感器8。

所述的驱动装置7包括有减速箱和与减速箱相连的变频电动机，所述减速箱的驱动端通过钢丝绳11连接加荷架2。牵引动力由变频电动机提供，减速箱控制输出转数，使试验管线5能够匀速缓慢得运动。通过变频控制器来控制变频电机的频率为25Hz，将试验管线5移动速度控制为0.06mm/s。减速箱通过钢丝绳牵拉试验管线5，使试验管线5沿着各个方向运动。

如图1、图2所示，所述的试验槽1的主体可以采用15mm厚的A级PVC板拼接而成，大小为1m×1m×3m。为方便观察土体在试验过程中的运动和变化规律，拍摄记录相关影像资料，将试验槽1的前侧板14的中间部分采用透明的有机玻璃板3构成，有机玻璃板3的大小可以为1200mm×970mm。为使试验管线5能够沿轴向、水平向和竖直向运动，并消除端部效应的影响，在有机玻璃板3上开有用于试验管线5在试验槽1内沿轴向、水平向和竖直向运动的L型孔道13，在试验槽1的后侧板15（PVC板）上与所述的有机玻璃板3上所开的L型孔道13相对应位置处也开有L型孔道13。为防止试验过程中泥沙外泄，在所述的试验槽1内位于所述的前侧板14和后侧板15上的L型孔道13部位采用插槽抽拉式设计，即紧贴所述L型孔道13设置有用于遮挡L型孔道13防止泥沙从所述的L型孔道13流出的透明的矩形有机玻璃挡板（图中未示出），所述该有机玻璃挡板上开有用于贯穿试验管线5的通孔，将有机玻璃挡板套在试验管线5上，在试验管线5运动时可以随之一起滑动，有效的阻止了泥沙外漏。

如图1、图3所示，所述的加荷架2包括有主架体21和对称的位于主架体21同一侧两端的两个连杆22，所述两个连杆22的端部均设置有用于套在试验管线5位于试验槽1体外侧的两个端部的套环23，所述主架体21远离两个连杆22的那一侧通过钢丝绳11连接驱动装置7。

本发明的一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置的目的是研究海底管线运动过程中管线位移和所受土体抗力的关系，由拉压力传感器8、电阻式位移百分表6、动态数据采集仪9和计算机10构成整体的测量系统。采用电阻式位移百分表6采集试验管线的位移，采用电测拉压力传感器8采集土抗力。选用KYOWA-PCD300A型动态数据采集仪9进行数据采集。该动态数据采集仪有四个通道，可以同时采集试验管线位移和土体抗力，采集精度高，可以直接将采集到的力和位移通过计算机软件输出出来。

下面给出一个最佳实施方式：

以80mm直径的试验管线在砂土中沿轴向、水平向和轴向三个方向土体抗力试验过程为例。试验过程可分为三个阶段，分述如下：

1、试验准备

砂土三个方向抗力试验的准备工作可分为填砂夯实，挖沟埋管，连接试验装置和仪器三步。

（a）填砂压实。按每10cm一层将砂土填入试验槽中，每次填完，用滚筒将砂土碾压密实，并用环刀法测定该层密实度，将砂土的密实度控制在50%左右，如此反复填筑，直到达到预定标高。

（b）开挖铺管。将填好的砂土按1：3放坡开挖到试验槽L形孔道处，再将试验管线水平放置在预定埋深，使用水平仪找平，而后回填。在回填过程中，每回填5cm左右，在试验槽有机玻璃板侧均匀布置上一道黒砂，作为观察砂土随试验管线运动时的标记线，方便观察砂土的变形情况。

（c）连接试验装置和试验仪器。按图4、图5所示，将钢丝绳一端连接拉压力传感器，一端通过加荷架连接试验管线，安装过程中不得扰动试验管线。在试验管线两端放置电阻式位移百分表，使用水平仪将表身调平，并使测头与试验管线稍有接触。将各电阻式位移百分表数据线和拉压力传感器数据线与动态数据采集仪器、计算机连接好，将试验软件调整到试验状态。

2牵引与记录

分三次进行分别进行三个方向的试验，每次重复第一步的准备工作。打开变频调制器电源，减速箱牵拉钢丝绳使试验管线产生匀速运动。计算机可直接采集并在显示屏输出出土的水平抗力与位移的特性指标，观察数据变化，直到土体抗力不再随位移的增长而变化，停止试验。在此过程中，实时的对砂土运动标记线采集图像数据，观察砂土变形特征，做好试验记录。

3试验数据处理和绘图

将计算机采集的电信号转换成相应的试验管线位移和抗力值，绘制试验管线三个方向土体抗力与管线位移曲线，如附图6～图8所示。图中F（kN/m）表示单位长度试验管线所受到的抗力，δ/D表示试验管线的水平向位移与直径之比，S_v表示试验管线的竖直向位移，S_A表示试验管线的轴向位移，D为试验管线直径。

Claims

1.一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，有用于装泥沙的试验槽（1），其特征在于，还包括有贯穿所述试验槽（1）并能够沿轴向、水平向和竖直向运动的试验管线（5），一侧与试验管线（5）的位于试验槽（1）体外侧的两个端部相连接、另一端通过钢丝绳（11）连接驱动装置（7）的加荷架（2），所述的试验管线（5）的两个端部分别设置有电阻式位移百分表（6），所述的电阻式位移百分表（6）通过电缆（12）连接动态数据采集仪器（9）的输入端，所述的动态数据采集仪器（9）的输出端连接计算机（10），所述的连接在加荷架（2）与所述的驱动装置（7）之间的钢丝绳（11）上还设置有与所述的动态数据采集仪器（9）的输入端相连的拉压力传感器（8）。

2.根据权利要求1所述的一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，其特征在于，所述的驱动装置（7）包括有减速箱和与减速箱相连的变频电动机，所述减速箱的驱动端通过钢丝绳（11）连接加荷架（2）。

3.根据权利要求1所述的一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，其特征在于，所述的试验槽（1）的前侧板（14）的中间部分采用透明的有机玻璃板（3）构成，在有机玻璃板（3）上开有用于试验管线（5）在试验槽（1）内沿轴向、水平向和竖直向运动的L型孔道（13），在试验槽（1）的后侧板（15）上与所述的有机玻璃板（3）上所开的L型孔道（13）相对应位置处也开有L型孔道（13）。

4.根据权利要求3所述的一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，其特征在于，所述的试验槽（1）内位于所述的前侧板（14）和后侧板（15）上的L型孔道（13）部位紧贴所述L型孔道（13）设置有用于遮挡L型孔道（13）防止泥沙从所述的L型孔道（13）流出的透明的有机玻璃挡板，所述该有机玻璃挡板上开有用于贯穿试验管线（5）的通孔。

5.根据权利要求1所述的一种测量埋设海底管线运动过程中土体抗力的试验装置，其特征在于，所述的加荷架（2）包括有主架体（21）和对称的位于主架体（21）同一侧两端的两个连杆（22），所述两个连杆（22）的端部均设置有用于套在试验管线（5）的两个端部的套环（23），所述主架体（21）远离两个连杆（22）的那一侧通过钢丝绳（11）连接驱动装置（7）。