CN103364124A

CN103364124A - 海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置

Info

Publication number: CN103364124A
Application number: CN2013102641903A
Authority: CN
Inventors: 刘润; 洪兆徽; 刘文彬; 王乐
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，试验槽内设置有在驱动装置的推动下在土体里水平移动的实验管线，驱动装置位于试验槽的外部，包括有一侧贯穿试验槽的侧壁连接位于试验槽内的实验管线的拉力架，以及通过刚性杆连接在拉力架另一侧的驱动机构，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，刚性杆上设置有通过电缆与动静态应变分析仪的输入端相连的拉压力传感器，拉力架上连接有通过电缆与动静态应变分析仪的输入端相连的拉线式位移传感器。本发明可以精确模拟多种因素对于土体抗力的影响，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及原因。

Description

海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置

技术领域

本发明涉及一种海底油气管线的在位稳定性测试装置。特别是涉及一种通过室内试验测定管线水平向运动时所受到的土体抗力发挥过程的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置。

背景技术

由于人类对油气的需求日益增长，使得海洋油气开采量显著增加，且呈现向深海领域快速发展的趋势。海底管线作为一种安全、经济、高效的油气运输手段，已经成为海洋油气开发生产系统的主要组成部分，在海洋油气资源的开发利用中发挥着至关重要的作用。

由于生产工艺的要求，油气在输送过程中需要施加一定的温度和压力，海底管线在温压联合作用下的整体稳定性是管线设计的重要环节。通常，温压的联合作用导致管线内产生较大的轴向应力，当地基土对管线的约束力小于管线发生整体屈曲的临界约束力时，就会造成管线整体屈曲。对于不埋的海底管线，水平向屈曲是其主要的整体屈曲形式。管线的整体屈曲会影响管线的正常运行，甚至导致管线破坏，带来严重的经济损失，在管线的设计中应加以控制。在管线防控整体屈曲设计中，精确地确定地基土体对于管线的约束力大小是设计的关键因素，传统的线性土阻力模型无法描述管线运动过程中土体阻力的变化，因此通过室内试验测定管土间的动态相互作用力对管线设计有着重要意义。本发明提供了测量海底油气管线水平向运动时所受土体抗力的室内试验装置，能够充分模拟多种工况组合下地基土体对管线的约束作用，为科研和工程实际提供重要的土体抗力资料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种以建立动态的管土相互作用模型，为管线的在位稳定性设计提供依据的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置。

本发明所采用的技术方案是：一种海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，包括用于存放土体的试验槽，所述的试验槽内设置有在驱动装置的推动下在土体里水平移动的实验管线，所述的驱动装置位于试验槽的外部，包括有一侧贯穿试验槽的侧壁连接位于试验槽内的实验管线的拉力架，以及通过刚性杆连接在所述的拉力架另一侧的驱动机构，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，所述的刚性杆上设置有通过电缆与所述的动静态应变分析仪的输入端相连的拉压力传感器，所述的拉力架上连接有通过电缆与所述的动静态应变分析仪的输入端相连的拉线式位移传感器。

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实验管线轴向相平行的一个侧面上开有两个通孔，所述的拉力架的一侧贯穿两个通孔与位于试验槽内的实验管线相连接。

所述的两个通孔上分别设置有密封环。

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过刚性杆连接拉力架。

所述的拉力架包括有支撑架和推架，所述的支撑架上固定支撑有PVC夹板，所述的PVC夹板是由上下两个PVC板水平平行设置，所述的推架贯穿所述的两个PVC板之间的间隙内，所述的推架为U型结构，所述U型结构推架的开口端的两个端部分别对应连接所述的实验管线的两个端部，所述U型结构推架的封闭端通过刚性杆连接驱动机构中的减速箱的输出端。

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。

本发明的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，由试验槽、动力系统、拉力架、测量系统和试验配件五大部分组成，可以精确模拟多种因素对于土体抗力的影响。透明带刻度的试验槽可以清晰完整的观察管线水平向运动过程中前方土坝的形成和土坝高度，可通过改变试验槽内土体性质和试验管线埋深研究不同性质土体和埋深对于水平向抗力的影响，且完全密封的槽式试验器材能够进行水下试验，模拟不同含水率下土体抗力的增长趋势；用推架和PVC夹板的组合可以保证管线严格按水平向前进，同时，安置在管线前进方向背面的推架可以避免对前方的土坝形成干扰；试验管线采取不同管径的空心钢管并配合配重钢筋，可以研究不同管径、重量对于土体抗力大小的影响，并且试验管线两侧的可伸缩的堵头既可以消除对管线端部对土坝的影响，同时也消除了管线与试验槽侧壁摩擦造成的试验误差；压力传感器、拉线式位移传感器、动态应变仪和摄像机的应用，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及原因。

附图说明

图1是本发明的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置整体示意图；

图2是推力架的结构示意图；

图3是内置配重钢筋的试验管线局部剖视图；

图4是30mm直径的管线配重1.803kg全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：推力架

7：动静态应变分析仪 8：摄像机

9：计算机 10：实验管线

11：刚性杆 12：刻度

13：通孔 14：推架

15：PVC夹板 16：支撑架

17：管体 18：配重钢筋

19：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海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置做出详细说明。

如图1所示，本发明的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，包括用于存放试验土体和试验管线的试验槽1，所述的试验槽1内设置有在驱动装置的推动下在土体里水平移动的实验管线10，所述的驱动装置位于试验槽1的外部，包括有一侧贯穿试验槽1的侧连接位于试验槽1内的实验管线10的推力架6，以及通过刚性杆11连接在所述的推力架6另一侧的驱动机构，还设置有动静态应变分析仪7、与动静态应变分析仪输出端相连接的计算机9和用于摄取实验管线10移动图像的摄像机8，所述的刚性杆11上设置有通过电缆与所述的动静态应变分析仪7的输入端相连的拉压力传感器4，所述的推力架6上连接有通过电缆与所述的动静态应变分析仪7的输入端相连的拉线式位移传感器5。

拉压力传感器、拉线式位移传感器配合动静态应变分析仪分别用于测定水平推进过程中实验管线所受土体阻力大小和实验管线位移，摄像机用以记录试验管线推进过程中，实验管线前方土坝的形成、发展全过程。

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横向刻度12，所述的试验槽1在与所述的实验管线10轴向相平行的一个侧面上开有两个通孔13，所述的推力架6的一侧贯穿两个通孔13与位于试验槽1内的实验管线10的两相连接。所述的两个通孔13上分别设置有密封环，防止漏沙漏水。

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，分别用于提供动力和控制推进速度。所述的减速箱3的输出端通过刚性杆11连接推力架6。

如图2所示，所述的推力架6包括有支撑架16和推架14，所述的支撑架16上固定支撑有PVC夹板15，所述的PVC夹板15是由上下两个PVC板水平平行设置，所述的推架14贯穿所述的两个PVC板之间的间隙内，使得推架14严格沿水平方向推动试验管线前进。推架14用以连接动力系统与试验管线，将动力转化为对管线的推力。具体的是所述的推架14为U型结构，所述U型结构推架14的开口端的两个端部分别对应连接所述的实验管线10的两个端部，所述U型结构推架14的封闭端通过刚性杆11连接驱动机构中的减速箱3的输出端。

如图3所示，所述的实验管线10包括有两端开口的管体17、插入在管体17内的配重钢筋18和分别设置在管体17两端用于封堵管体17两端的可伸缩堵头19。

本发明的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置的具体实现过程如下：

设置试验槽、动力系统、拉力架、测量系统和试验配件五部分。试验开始前将试验需要的采样土体装入试验槽内，选取试验所需管径的管体和配重钢筋，安装好试验管线，按一定的埋深要求控制试验槽内的土体高度，并根据试验要求选择是否对槽内土体加水，如图1将试验管线连接上推架、变频电机、减速箱、拉压力传感器、拉线式位移传感器、动静态应变分析仪，调整PVC夹板至适宜的位置使得处于水平的推架正好卡入两块夹板缝隙之中，并在推架伸入试验槽的通孔处安装密封环防止漏沙漏水。试验时，按顺序依次启动动静态应变分析仪、摄像机、变频电机、减速箱，使得拉力架系统能够按一定速率稳定地推动试验管线前进，选用KYOWA-PCD300A型动静态应变分析仪测得试验所需数据，摄像机同时记录管线前方土坝产生和发展的全过程。完成某一直径管线的试验后按照相应顺序关闭试验仪器，更换管径继续开展其他工况试验。

Claims

1.一种海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，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）内设置有在驱动装置的推动下在土体里水平移动的实验管线（10），所述的驱动装置位于试验槽（1）的外部，包括有一侧贯穿试验槽（1）的侧壁连接位于试验槽（1）内的实验管线（10）的拉力架（6），以及通过刚性杆（11）连接在所述的拉力架（6）另一侧的驱动机构，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（9）和用于摄取实验管线（10）移动图像的摄像机（8），所述的刚性杆（11）上设置有通过电缆与所述的动静态应变分析仪（7）的输入端相连的拉压力传感器（4），所述的拉力架（6）上连接有通过电缆与所述的动静态应变分析仪（7）的输入端相连的拉线式位移传感器（5）。

2.根据权利要求1所述的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，其特征在于，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（12），所述的试验槽（1）在与所述的实验管线（10）轴向相平行的一个侧面上开有两个通孔（13），所述的拉力架（6）的一侧贯穿两个通孔（13）与位于试验槽（1）内的实验管线（10）相连接。

3.根据权利要求1所述的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，其特征在于，所述的两个通孔（13）上分别设置有密封环。

4.根据权利要求1所述的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，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）的输出端通过刚性杆（11）连接拉力架（6）。

5.根据权利要求1所述的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，其特征在于，所述的拉力架（6）包括有支撑架（16）和推架（14），所述的支撑架（16）上固定支撑有PVC夹板（15），所述的PVC夹板（15）是由上下两个PVC板水平平行设置，所述的推架（14）贯穿所述的两个PVC板之间的间隙内，所述的推架（14）为U型结构，所述U型结构推架（14）的开口端的两个端部分别对应连接所述的实验管线（10）的两个端部，所述U型结构推架（14）的封闭端通过刚性杆（11）连接驱动机构中的减速箱（3）的输出端。

6.根据权利要求1或2或5所述的海底油气管线水平向运动时所受土体阻力测定装置，其特征在于，所述的实验管线（10）包括有两端开口的管体（17）、插入在管体（17）内的配重钢筋（18）和分别设置在管体（17）两端用于封堵管体（17）两端的可伸缩堵头（19）。