CN104075936A - 无约束管段横向运动全过程监控测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无约束管段横向运动全过程监控测试系统，包括加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验管线；一根空心钢管或PVC管作为被测管线被填土掩埋或直接放置于试验槽内；在被测管线的一侧设有传力系统；传力系统包括传力板和固接在其下面的三个推板，推板与被测管线垂直，传力板与加载系统连接。本发明能够测定管线发生横向无约束运动时的管线位移与受到地基土体约束力的大小，能够模拟各种埋设条件下管线在地基土中运动的真实路径及土体的变形过程，以测定管线的运动轨迹，土体的变形形态及土体对管线约束力的大小，研究管线入土深度、土体物理力学性质、管线自重及管线运动速率、曲率等多种因素对土体抗力的影响。

Description

无约束管段横向运动全过程监控测试系统

技术领域

本发明涉及海底管线在运营过程中强度与稳定性的设计领域，特别是一种无约束管段横向运动全过程监控测试系统。

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。管线运输在原油、天然气的生产、精炼、储存及使用的全过程中都起到了重要的作用。为了避免在运输过程中石蜡分馏产生的固化影响并降低运输难度，海底油气的运输通常需要升温和加压，在温度和压力的联合作用下，管壁中会产生较大的附加应力，由于受到海底地基土体的约束，管线的自由变形受到限制，致使管壁中的附加应力不断累积最终导致整体屈曲的发生，从而对管线的稳定性造成威胁。

在温压联合作用下导致管线整体屈曲这一问题中，地基土体对管线的约束力至关重要。一方面，正是由于地基土体的阻力约束了管线的自由变形，导致管线内部的附加应力累积，当累积的附加应力大于管线材料的屈服应力时，管线由于屈服而破坏；另一方面较大的附加应力也会使海底管线产生类似于压杆稳定的整体屈曲，影响其在位稳定性，在管线整体屈曲的变形过程中，土体对管线横向变形产生约束，且约束力随着管线变位的情况而变化，这就决定了管线横向屈曲的变化过程与特征。由此可见，土体对管线约束力的研究是解释管线整体屈曲特性的根源。研究结果表明，地基土阻力的作用决定了管线内部附加应力的大小与分布，并控制着管线整体屈曲的形态与节奏。实际工程中，土体对管线的约束力受管线入土深度、土体特性、管线自重及管-土相互作用速率等多种因素的影响。

为了给管线的整体屈曲稳定性设计提供依据，建立多因素作用下土抗力的计算方法，当前非常需要一种无约束管段横向运动全过程监控测试系统，用于在室内模拟管线在实际工作中的无约束状态，通过室内模型试验模拟管线在土体中横向运动的过程。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种无约束管段横向运动全过程监控测试系统，该系统能够测定管线发生横向无约束运动时的管线位移与受到地基土体约束力的大小，能够模拟各种埋设条件下管线在地基土中运动的真实路径及土体的变形过程，以测定管线的运动轨迹，土体的变形形态及土体对管线约束力的大小，研究管线入土深度、土体物理力学性质、管线自重及管线运动速率、曲率等多种因素对土体抗力的影响，为管线整体屈曲的设计提供土体抗力的数据。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种无约束管段横向运动全过程监控测试系统，包括加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验管线；

所述试验管线包括多组空心钢管、PVC管及其配重钢筋，所述空心钢管及PVC管的两端设有堵头，所述配重钢筋被所述堵头封堵在相应的所述空心钢管及PVC管内；同组空心钢管及PVC管的直径相同，同组空心钢管及PVC管内所配的钢筋数量不同；

任意一根所述空心钢管或PVC管作为被测管线被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，被测管线两端的堵头与所述试验槽的内壁接触，所述被测管线的下部土体厚度大于1倍管径；

在所述被测管线的一侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板和固接在其下面的三个推板，所述推板与所述被测管线垂直，所述传力板连接在导轨上，所述导轨固定在所述试验槽的顶面上；

所述传力板与所述加载系统连接，所述加载系统包括加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述丝杠由伺服电机减速器驱动，所述加力板连接在所述导轨上，所述加力板与所述传力板通过三个并联的拉压力传感器连接；

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一台摄像机，所述拉压力传感器与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪与所述计算机连接；所述摄像机和所述传力系统分置在所述被测管线的两侧。

在所述试验槽上沿高度方向设有刻度。

所述试验槽是由有机玻璃制成的四周密封槽。

所述堵头是由PVC制成的。

本发明具有的优点和积极效果是：能够模拟管线在实际使用中竖向及水平向完全无约束的运动状态，通过加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验管线五个组成部分的相互配合，可以有效模拟管线在地基土体中横向运动的过程，并研究管线入土深度、土体物理力学性质、管线自重及管线运动速率、曲率等多种因素条件下土体抗力的大小。

具体地说，加载系统能够直接通过控制界面设定加载速率与位移的大小，能够保证复杂条件下管线与地基土体的相互作用速率保持不变，亦可通过改变管线运动速率的大小，研究运动速率变化对土体抗力的影响。传力系统主要由推板和传力板组成，其中推板直接作用于被测管线，使被测管线在竖向与水平径向处于无约束的运动状态，从而模拟了工程中管线的真实工作状态；传力板上平行设有三个压力传感器，加载过程中使各传感器的输出压力相等，可以保证推板对管线施加均布推力；加载系统主要由伺服电机减速器驱动螺旋传动机构，螺旋传动机构带动加力板，加力板通过三个并联的拉压力传感器推动传力板前行。丝杠与导轨贯穿整个试验槽保证了整个系统加荷与运动的稳定性。试验槽由带刻度的有机玻璃制成，便于观察管线与地基土体的作用过程及记录前方土坝的形成高度，研究不同埋深、不同加载速率下土体对管线的阻力；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和管线前方土坝的形成全过程，了解管线横向运动过程中土阻力的发挥过程。试验管线为不同管径的空心钢管及PVC管，便于加配重钢筋改变管线重量，以研究不同管径、不同自重与不同曲率管线所受土体阻力的大小；管线两端配有棱台型堵头与试验槽两侧内壁接触，既消除了试验管线的端部效应，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。

综上所述，本发明通过室内试验模型，模拟管线发生横向运动过程中受到的土体抗力，并测试管土相互作用过程中管线的真实运动路径与地基土体的变形过程，为海底管线在高温高压联合作用下整体屈曲的研究提供土体抗力的模型。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明被测管线的结构示意图。

图中：1、试验槽；2、伺服电机减速器；3、支架；4、拉压力传感器；5、传力板；6、推板；7、丝杠；8、导轨；9、加力板；10、计算机；11、动静态应变采集仪；12、摄像机；13、配重钢筋；14、堵头；15、被测管线。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种无约束管段横向运动全过程监控测试系统，包括加载系统、传力系统、试验槽1、数据采集系统和试验管线。

所述试验管线包括多组空心钢管、PVC管及其配重钢筋，所述空心钢管及PVC管的两端设有堵头，所述配重钢筋被所述堵头封堵在相应的所述空心钢管及PVC管内；同组空心钢管及PVC管的直径相同，同组空心钢管及PVC管内所配的钢筋数量不同；任意一根所述空心钢管或PVC管作为被测管线15被填土掩埋在所述试验槽1内，被测管线15内装有配重钢筋13，被测管线15内也可不装配重钢筋，两端的堵头14与所述试验槽1的内壁接触，所述被测管线15的下部土体厚度大于1倍管径。

在所述被测管线15的一侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板5和固接在其下面的至少两个推板6，所述推板6与所述被测管线15垂直，所述传力板5连接在导轨8上，所述导轨8固定在所述试验槽1的顶面上。

所述传力板5与所述加载系统连接，所述加载系统包括加力板9和丝杠7，所述丝杠7通过支架3支撑在所述试验槽1的顶面上，所述加力板9中心位置固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠7上，所述加力板9的两端连接在导轨8上，所述丝杠7由伺服电机减速器2驱动，所述加力板9连接在所述导轨8上，所述加力板9与所述传力板5通过三个并联的拉压力传感器4连接。

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器4、一台动静态应变采集仪11、一台计算机10和一台摄像机12，所述拉压力传感器4与所述动静态应变采集仪11连接，所述动静态应变采集仪11与所述计算机10连接；所述摄像机13和所述传力系统分置在所述被测管线15的两侧。

在本发明中，被测管线处于完全无约束状态，仅依靠加力板的推动作用使其与土体相互作用。

在本实施例中，在所述试验槽1上沿高度方向设有刻度。所述试验槽1是采用有机玻璃制成的四周密封槽。所述堵头14采用PVC制成。配重钢筋的长度为1m，每根配重钢筋的重量为1.803kg。

试验开始前，首先测定填土的物理力学特性，当填土为无粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、密实度及天然坡角。通过控制土体的密实度将其装入试验槽内，根据有限元的计算结果可知，管线横向运动产生的土体塑性区域在深度方向小于1倍管径，因此管线的下部土体厚度应大于1倍管径，然后安放试验管段，管段上覆土体厚度按照试验需要填入，可取为1/4倍、1/2倍、1倍管径；当填土为粘性土时，需测定的物理力学指标为土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度，通过控制土体的含水率和容重将其装入试验槽内，且下部土体厚度大于1倍管径，然后安放试验管段，上覆土体厚度按照试验需要分别取1/4倍、1/2倍、1倍管径。填土及试验管段安放完成后，将加载系统、传力系统、数据采集系统如图1进行连接。

试验开始后，依次启动计算机、动静态应变仪。首先对应变仪进行平衡、清零，而后打开伺服电机设定试验加荷速率，可按照1mm/s、2mm/s和10mm/s的运动速率推动管线做横向运动，打开摄像机准备记录管线运动过程。管线开始运动后，应变仪采集管线的位移与受到的土体抗力，摄像机监测管线运动全过程的运动轨迹及土体的变形规律。

试验结束后，依次关闭伺服电机、应变仪及摄像机，整理试验数据。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无约束管段横向运动全过程监控测试系统，其特征在于，包括加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验管线； 

所述试验管线包括多组空心钢管、PVC管及其配重钢筋，所述空心钢管及PVC管的两端设有堵头，所述配重钢筋被所述堵头封堵在相应的所述空心钢管及PVC管内；同组空心钢管及PVC管的直径相同，同组空心钢管及PVC管内所配的钢筋数量不同； 

任意一根所述空心钢管或PVC管作为被测管线被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，被测管线两端的堵头与所述试验槽的内壁接触，所述被测管线的下部土体厚度大于1倍管径； 

在所述被测管线的一侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板和固接在其下面的三个推板，所述推板与所述被测管线垂直，所述传力板连接在导轨上，所述导轨固定在所述试验槽的顶面上； 

所述传力板与所述加载系统连接，所述加载系统包括加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述丝杠由伺服电机减速器驱动，所述加力板连接在所述导轨上，所述加力板与所述传力板通过三个并联的拉压力传感器连接； 

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一台摄像机，所述拉压力传感器与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪与所述计算机连接；所述摄像机和所述传力系统分置在所述被测管线的两侧。 

2.根据权利要求1所述的无约束管段横向运动全过程监控测试系统，其特征在于，在所述试验槽上沿高度方向设有刻度。 

3.根据权利要求1所述的无约束管段横向运动全过程监控测试系统，其特征在于，所述试验槽是由有机玻璃制成的四周密封槽。 

4.根据权利要求1所述的无约束管段横向运动全过程监控测试系统，其特征在于，所述堵头是由PVC制成的。