CN103969068A - 模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置。其中，该方法包括以下步骤：（1）选一模型管道，根据需要给模型管道配重，然后在模型管道内安装测量其轴向滑动阻力的拉力传感器；（2）选一水槽，在水槽内制造出所需坡度的模拟海床；（3）给模型管道安装导向约束装置，使模型管道只能在其轴向及垂直模拟海床床面方向平动，同时在导向约束装置上安装测量模型管道在其轴向及垂直模拟海床床面方向位移的位移测量装置，然后将模型管道置于模拟海床上；（4）对模型管道轴向加载，使模型管道轴向滑动，同时，用数据同步采集系统同步采集各测量数据。本发明为实现对海底管道和海床间轴向相互作用的研究提供了一种较为理想的手段。

Description

模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置

技术领域

本发明涉及海洋油气工程、海洋土力学、海底管道工程等技术领域，特别涉及模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置。

背景技术

海底管道和海底光缆等管系结构已被广泛用于海洋油气输运及通讯信号传输。如何确保海底管系结构的在位稳定性是海洋工程设计和安全运营面临的关键问题。对于在水平海床上铺设的海底管道而言，侧向和垂向管土相互作用是管道在位稳定性的主要内涵，国际上已进行了较为系统深入的研究。然而，海床地形地貌复杂多变，我国南海海域分布着大陆坡斜坡海床及深水盆地。海床地表坡度的存在对海底管系结构的在位稳定性分析设计提出了更高要求。顺坡铺设的海底管道当受到水下重力作用时，可引起轴向整体屈曲等结构失稳问题。

对于斜坡铺设的海底管系结构而言，海床土体提供的轴向抗滑力是保证管道轴向稳定的关键因素。当轴向抗滑力不足以平衡管道轴向外力时，长距离铺设的海底管道的结构内力将沿管轴进行传递并累积，最终导致管道因轴向压力过大而发生整体屈曲，甚至发生断裂而造成经济损失和环境污染。

抗滑力的大小与多种因素有关：根据经典摩擦理论，抗滑力的大小与管道的水下重量、管道嵌入床面的深度以及表面的粗糙系数正相关。而对于低渗透系数的海床，当管道沿轴向快速运动时，产生的孔隙水压力消散不及，将减小管道与土颗粒之间的有效接触应力，从而降低管道的抗滑能力。

可见，针对海底管道和海床间轴向相互作用的研究对于管道结构稳定性具有重要意义。

发明内容

为实现对海底管道和海床间轴向相互作用的研究，本发明提供一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法，其包括以下步骤：（1）选一模型管道，根据需要给模型管道配重，然后在模型管道上安装测量其轴向滑动阻力的拉力传感器，并在模型管道表面固定所需粗糙度的防水砂纸；（2）选一水槽，然后在水槽内制造出所需坡度的模拟海床；（3）给模型管道安装导向约束装置，使模型管道只能在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向平动，同时在导向约束装置上安装测量模型管道沿其轴向及垂直模拟海床床面方向位移的位移测量装置，然后将模型管道置于水槽内的模拟海床上；（4）沿模型管道轴向对模型管道加载，使模型管道轴向滑动，同时，用数据同步采集系统同步采集模型管道的轴向位移值、模型管道在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其包括水槽、模拟海床、模型管道、导向约束装置、管道轴向加载装置、管道轴向位移测量装置、管道沉降测量装置、管道轴向滑动阻力测量装置和数据同步采集系统，所述模拟海床位于水槽内，所述模型管道置于模拟海床上，所述导向约束装置用于将模型管道的运动约束在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向，所述管道轴向加载装置用于对模型管道轴向牵引，管道轴向位移测量装置、管道沉降测量装置和管道轴向滑动阻力测量装置均与数据同步采集系统连接，数据同步采集系统用于同步采集模型管道的轴向位移值、模型管道在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

优选地，所述模型管道由彼此分离的牵引管头和管道测试段活动拼接而成，所述管道轴向滑动阻力测量装置为拉力传感器，所述拉力传感器置于模型管道内，且位于牵引管头和管道测试段之间，拉力传感器的两端分别与牵引管头和管道测试段连接。

优选地，所述导向约束装置包括安装平台，水平导轨、水平滑块、竖直导轨、竖直滑块和固定连接件，所述安装平台固定设置且其倾角可调，所述水平导轨固定在安装平台上，所述水平滑块滑动地设置在水平导轨上，所述竖直导轨固定在水平滑块上，所述竖直滑块滑动地设置在竖直导轨上，且竖直滑块通过固定连接件与模型管道固定连接。

优选地，所述管道轴向加载装置包括钢索、定滑轮组和可调速步进电机，所述钢索绕过定滑轮组，钢索的一端与可调速步进电机的动力输出部分连接，钢索的另一端与模型管道的牵引管头连接。

优选地，所述管道轴向位移测量装置包括第一激光位移传感器和第一反射板，所述第一激光位移传感器固定在安装平台上，所述第一反射板固定在水平滑块上，第一激光位移传感器和第一反射板正对。

优选地，所述管道沉降测量装置包括第二激光位移传感器和第二反射板，所述第二激光位移传感器固定在竖直导轨上，第二反射板固定在竖直滑块上，第二激光位移传感器和第二反射板正对。

优选地，所述管道测试段的中心设置有管轴，所述管轴为不锈钢螺杆，所述管轴上旋合有盘形配重。

优选地，所述盘形配重上设有供棒形配重穿过的孔，管轴上固定有用于限制棒形配重位置的隔板。

优选地，所述模型管道由有机玻璃制成。

优选地，所述水槽的侧壁上设有观察窗。

优选地，所述盘形配重和隔板的边缘均设置有贯通各自两侧的凹槽。

可选地，所述模型管道的表面固定有防水砂纸。

本发明为实现对海底管道和海床间轴向相互作用的研究提供了一种手段，利用导向约束装置将模型管道的运动约束在其轴向及垂直模拟海床床面方向，可避免模型管道侧向滚动或平动对测量过程和结果造成不利影响；利用数据同步采集系统对各参数同步采集，可有效建立所采集数据的对应性，为准确分析各参数间的关系提供了保障。进一步地，采用由彼此分离的牵引管头和管道测试段活动拼接成的模型管道，可有效避免端部效应对模型管道轴向滑动阻力测量值的干扰；通过在导向约束装置上安装非接触式的管道轴向位移测量装置和管道沉降测量装置，不仅可以准确地测量模型管道在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向的位移，而且最大限度降低了测量对运动过程的干扰；通过调节配重，可方便地调节模型管道的重量和重心，为模拟实验提供了便利；通过在模型管道外表面固定不同粒度的防水砂纸，即可方便地改变模型管道的表面粗糙度，为模拟实验提供了便利；通过在盘形配重和隔板的边缘设置贯通各自两侧的凹槽，使模型管道在入水和出水时可以迅速进水和排水，便于模拟实验的进行。

附图说明

图1是本发明实施例的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置的整体布置示意图；

图2是本发明实施例采用的模型管道的内部结构示意图；

图3是图2在A-A处的剖视示意图；

图4是图2在B-B处的剖视示意图；

图5是本发明实施例采用的模型管道在牵引管头与管道测试段拼接处的结构示意图；

图6是本发明实施例采用的模型管道、导向约束装置及位移传感器在安装后的主视示意图；

图7是图6所示结构的右视示意图；

图中：1、水槽；2、模拟海床；3、模型管道；31、牵引管头；32、管道测试段；33、管轴；34、盘形配重；35、棒形配重；36、隔板；4、导向约束装置；41、滑轨；42、安装平台；43、水平导轨；44、水平滑块；45、竖直导轨；46、竖直滑块；47、固定连接件；5、拉力传感器；6、管道轴向位移测量装置；61、第一激光位移传感器；62、第一反射板；7、管道沉降测量装置；71、第二激光位移传感器；72、第二反射板；8、数据同步采集系统；91、钢索；92、可调速步进电机；93、定滑轮；94、螺杆。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

参照图1～7，本实施例的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法，其包括以下步骤：（1）用彼此分离的牵引管头31和管道测试段32活动拼接成模型管道3，根据需要给模型管道3配重，然后在模型管道3内安装测量其轴向滑动阻力的拉力传感器5，并在模型管道3表面固定所需粗糙度的防水砂纸；（2）在透明或侧壁具有观察窗的水槽1内制造出模拟海床2；（3）给模型管道3安装导向约束装置4，使模型管道3只能在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向平动，同时在导向约束装置4上安装测量模型管道在其轴向位移的管道轴向位移测量装置6和在垂直模拟海床床面方向位移的管道沉降测量装置7，然后将模型管道3置于水槽内的模拟海床2上；（4）沿模型管道3轴向对模型管道3加载，使模型管道3轴向滑动，同时，用数据同步采集系统8同步采集模型管道3的轴向位移值、模型管道3在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

优选地，在步骤（4）开始前，旋紧牵引管头31，以增大牵引管头31与管道测试段32之间的压力，使拉力传感器5的示数略大于零。

进一步地，在步骤（4）进行的同时，还可从水槽侧壁外拍摄模型管道的运动过程。

进一步地，在模型管道3滑动需要的距离后，停止加载，此时即完成一次加载、测量；然后，使模型管道3回到原位，接着重复步骤（4），如此反复，直至测得的模型管道轴向滑动阻力值与管道沉降深度值的关系随加载次数不发生显著变化为止。

为实现上述方法，对应地，一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置包括水槽1、模拟海床2、模型管道3、导向约束装置4、管道轴向加载装置（即拉力传感器5）、管道轴向位移测量装置6、管道沉降测量装置7、管道轴向滑动阻力测量装置和数据同步采集系统8，模拟海床2位于水槽内，模型管道3置于模拟海床2上，导向约束装置4用于将模型管道3的运动约束在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向，管道轴向加载装置用于对模型管道3轴向牵引，管道轴向位移测量装置6、管道沉降测量装置7和管道轴向滑动阻力测量装置均与数据同步采集系统8连接，数据同步采集系统8用于同步采集模型管道3的轴向位移值、模型管道3在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

为避免端部效应对模型管道轴向滑动阻力测量值的干扰，模型管道3由彼此分离的牵引管头31和管道测试段32活动拼接而成，所述管道轴向滑动阻力测量装置为拉力传感器5，拉力传感器5置于模型管道3内，且位于牵引管头31和管道测试段32之间，拉力传感器5的两端分别与牵引管头31和管道测试段32连接。

优选地，导向约束装置4包括安装平台42，水平导轨43、水平滑块44、竖直导轨45、竖直滑块46和固定连接件47，安装平台42固定设置且其倾角可调，水平导轨43固定在安装平台42上，水平滑块44滑动地设置在水平导轨43上，竖直导轨45固定在水平滑块44上，竖直滑块46滑动地设置在竖直导轨45上，且竖直滑块46通过固定连接件47与模型管道3固定连接。

可选地，安装平台42固定在倾角可调的滑轨41上，从而通过调节使安装平台42及水平导轨43始终与模拟海床2的床面平行；可选地，导向约束装置4不采用安装平台42，而直接采用倾角可调的水平导轨43，同时将第一激光位移传感器61固定在水平导轨43上。

优选地，所述管道轴向加载装置包括钢索91、定滑轮组和可调速步进电机92，钢索91绕过定滑轮组，钢索91的一端与可调速步进电机92的动力输出部分连接，钢索91的另一端与模型管道3的牵引管头31连接。本实例例中，滑轮组由两个定滑轮93组成，为便于调节两定滑轮93间的距离，使钢索91在拉紧时始终与管轴33共线，两定滑轮93的安装座通过丝杠94连接，转动丝杠，即可实现两定滑轮93间的距离的调节。

优选地，管道轴向位移测量装置6包括第一激光位移传感器61和第一反射板62，第一激光位移传感器61固定在安装平台42上，第一反射板62固定在水平滑块44上，第一激光位移传感器61和第一反射板62正对。

优选地，管道沉降测量装置7包括第二激光位移传感器71和第二反射板72，第二激光位移传感器71固定在竖直导轨45上，第二反射板72固定在竖直滑块46上，第二激光位移传感器71和第二反射板72正对。

为便于调节模型管道的重量和重心，优选地，管道测试段32的中心设置有管轴33，管轴33为不锈钢螺杆，管轴33上旋合有盘形配重34。

进一步地，盘形配重34上设有供棒形配重35穿过的孔，管轴33上固定有用于限制棒形配重35位置的隔板36。

为便于安装和观察其内部部件，优选地，模型管道3由有机玻璃制成。

为便于观察和拍摄模型管道3的运行过程，优选地，水槽1的侧壁上设有观察窗。

为使模型管道3在入水和出水时能迅速进水和排水，便于模拟实验的进行，优选地，盘形配重34和隔板36的边缘设置有贯通各自两侧的凹槽。

可选地，根据模拟实验对模型管道表面粗糙度的要求，在模型管道3的表面固定相应粗糙度的防水砂纸。

由上可知，本发明为实现对海底管道和海床间轴向相互作用的研究提供了一种手段，利用导向约束装置将模型管道的运动约束在其轴向及垂直模拟海床床面方向，可避免模型管道侧向滚动或平动对测量过程和结果造成不利影响；利用数据同步采集系统对各参数同步采集，可有效建立所采集数据的对应性，为准确分析各参数间的关系提供了保障。进一步地，采用由彼此分离的牵引管头和管道测试段活动拼接成的模型管道，可有效避免端部效应对模型管道轴向滑动阻力测量值的干扰；通过在导向约束装置上安装非接触式的管道轴向位移测量装置和管道沉降测量装置，不仅可以准确地测量模型管道在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向的位移，而且最大限度降低了测量对运动过程的干扰；通过调节配重，可方便地调节模型管道的重量和重心，为模拟实验提供了便利；通过在模型管道外表面固定不同粒度的砂纸，即可方便地改变模型管道的表面粗糙度，为模拟实验提供了便利；通过在盘形配重和隔板的边缘均设置贯通各自两侧的凹槽，使模型管道在入水和出水时可以迅速进水和排水，便于模拟实验的进行。

综上，本发明具有测量准确、调节方便的优点，是研究海底管道和海床间轴向相互作用的一种较为理想的手段。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）选一模型管道，根据需要给模型管道配重，然后在模型管道内安装测量其轴向滑动阻力的拉力传感器，并在模型管道表面固定所需粗糙度的防水砂纸；（2）选一水槽，然后在水槽内制造出所需坡度的模拟海床；（3）给模型管道安装导向约束装置，使模型管道只能在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向平动，同时在导向约束装置上安装测量模型管道沿其轴向及垂直模拟海床床面方向位移的位移测量装置，然后将模型管道置于水槽内的模拟海床上；（4）沿模型管道轴向对模型管道加载，使模型管道轴向滑动，同时，用数据同步采集系统同步采集模型管道的轴向位移值、模型管道在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

2.一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：包括水槽、模拟海床、模型管道、导向约束装置、管道轴向加载装置、管道轴向位移测量装置、管道沉降测量装置、管道轴向滑动阻力测量装置和数据同步采集系统，所述模拟海床位于水槽内，所述模型管道置于模拟海床上，所述导向约束装置用于将模型管道的运动约束在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向，所述管道轴向加载装置用于对模型管道轴向牵引，管道轴向位移测量装置、管道沉降测量装置和管道轴向滑动阻力测量装置均与数据同步采集系统连接，数据同步采集系统用于同步采集模型管道的轴向位移值、模型管道在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

3.根据权利要求2所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述模型管道由彼此分离的牵引管头和管道测试段活动拼接而成，所述管道轴向滑动阻力测量装置为拉力传感器，所述拉力传感器置于模型管道内，且位于牵引管头和管道测试段之间，拉力传感器的两端分别与牵引管头和管道测试段连接。

4.根据权利要求2所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述导向约束装置包括安装平台，水平导轨、水平滑块、竖直导轨、竖直滑块和固定连接件，所述安装平台固定设置且其倾角可调，所述水平导轨固定在安装平台上，所述水平滑块滑动地设置在水平导轨上，所述竖直导轨固定在水平滑块上，所述竖直滑块滑动地设置在竖直导轨上，且竖直滑块通过固定连接件与模型管道固定连接。

5.根据权利要求2所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述管道轴向加载装置包括钢索、定滑轮组和可调速步进电机，所述钢索绕过定滑轮组，钢索的一端与可调速步进电机的动力输出部分连接，钢索的另一端与模型管道的牵引管头连接。

6.根据权利要求2所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述管道轴向位移测量装置包括第一激光位移传感器和第一反射板，所述第一激光位移传感器固定在安装平台上，所述第一反射板固定在水平滑块上，第一激光位移传感器和第一反射板正对。

7.根据权利要求2所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述管道沉降测量装置包括第二激光位移传感器和第二反射板，所述第二激光位移传感器固定在竖直导轨上，第二反射板固定在竖直滑块上，第二激光位移传感器和第二反射板正对。

8.根据权利要求3所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述管道测试段的中心设置有管轴，所述管轴为不锈钢螺杆，所述管轴上旋合有盘形配重。

9.根据权利要求2所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述模型管道由有机玻璃制成。

10.根据权利要求2所述的模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其特征在于：所述模型管道的表面固定有砂纸。