CN104089810A - 不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，包括导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽和试验管线；一根试验管线作为被测管线被设置于试验槽内，试验槽的两端板上设有被测管线的竖向约束板，数据采集系统包括一台计算机、一台动静态应变仪、多个拉线式位移传感器、多个应变片和一台摄像机；多个拉线式位移传感器和多个应变片均匀布置在被测管线上。本发明能够模拟具有不同几何初始缺陷的薄壁管线在温度荷载作用下在不同埋设条件下发生整体屈曲的真实变形路径，测定管线的屈曲位移与轴向压力的大小，揭示管线几何初始缺陷、埋置深度及土体特性等因素对其整体屈曲的影响规律。

Description

不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置

技术领域

本发明涉及海底管线运营期间的在位稳定性设计领域，特别是一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置。

背景技术

深水海洋资源的开发是我国未来油气资源的主要增长点，在已探明的我国南海油气资源中，石油储量约230～300亿吨，天然气储量约16万亿立方米，其中70％蕴藏于水深大于300m的深海区域。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，海底油气管线在运营过程中通常被施加较高的温度和压力，且随着工作水深的增加及输送长度的增长，管线内部的输送温度和压力也随之增长。温度应力和泊松效应的共同作用使管线内部产生较大的附加应力，由于土体的约束作用管线无法自由变形释放附加应力，当其累积到一定程度时，管线会在竖直向或水平向发生类似于压杆稳定的瞬间大变形，又称整体屈曲。较大的整体屈曲一方面可能导致管线中的弯曲应力增长，接近或达到钢材的屈服强度，对管线的安全运营造成威胁；另一方面发生变形的管线容易受到渔业活动和船只航行的影响，增加安全隐患；此外，屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进水，影响管线的正常使用。管线内承载着大量油气，一旦发生屈曲甚至屈服破坏，就会导致油气泄露，不仅造成资源的浪费而且对海洋生物及人类的生存环境构成威胁。

温度荷载作用下管线整体屈曲过程的真实变形路径及受力状态是管线在位稳定性控制的关键因素。较高的输送温度及泊松效应是管壁内附加应力的直接来源，土体约束管线的变形导致了附加应力的累积，二者的共同作用导致管线发生整体屈曲。实际工程中受到温度荷载及土体约束作用的海底管线将不可避免地发生整体屈曲变形以释放累计于管线内壁上的附加应力，因此管线整体屈曲的研究重点主要为确定管线屈曲后的变形与应力分布，并通过各种方法将屈曲后的位移和应力大小控制在规范所允许的范围内以保障管线安全稳定运营。

为了给管线的在位稳定性研究提供数据依据，需要以含不同几何初始缺陷的管线为研究对象，通过室内模型试验模拟管线的不同埋设条件，通过施加温度荷载监测管线的整体屈曲变形过程，从而建立管线整体变形与应力的计算方法，研究管线的初始几何缺陷及埋深对其整体屈曲规律的影响。

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不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，该装置能够模拟具有不同几何初始缺陷的薄壁管线在温度荷载作用下在不同埋设条件下发生整体屈曲的真实变形路径，测定管线的屈曲位移与轴向压力的大小，揭示管线几何初始缺陷、埋置深度及土体特性等因素对其整体屈曲的影响规律，为控制管线整体屈曲变形保证其安全运行提供重要的数据依据。

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：一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，包括导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽和试验管线；

所述试验管线由多组空心铝管组成，每组空心铝管的几何初始缺陷幅值v_om与波长L_o的比值相同，同组的空心铝管直径不同；

任意一根所述试验管线作为被测管线被填土掩埋或直接放置于所述试验槽内，被测管线的下部土体厚度大于1倍管径，所述被测管线穿越所述试验槽的两端板，所述试验槽的两端板上设有被测管线的竖向约束板；

在所述被测管线的两端各设有一所述管线约束系统，所述管线约束系统包括支架、安装框架、连接短节和刹车；在所述支架上设有水平径向移动平台，所述水平径向移动平台的移动方向与被测管线的设计中心线垂直，在所述水平径向移动平台上设有轴向移动平台，在所述轴向移动平台上固定有所述安装框架，所述安装框架内设有与其通过竖向铰链轴连接的所述连接短节，在所述连接短节上设有所述刹车，所述刹车安装在所述安装框架上；

所述导热油传输系统包括钢丝编织胶管Ⅰ和钢丝编织胶管Ⅱ，所述钢丝编织胶管Ⅰ和所述钢丝编织胶管Ⅱ各通过一相应的所述连接短节与所述被测管线连接，在所述钢丝编织胶管Ⅰ和所述钢丝编织胶管Ⅱ之间设有所述导热油加热冷却系统；

所述导热油加热冷却系统包括沿输油方向依次连接的冷却机、过滤器、循环油泵、加热器和高位槽；所述高位槽上设有出油管，所述冷却机上连接有进油管；所述出油管与所述钢丝编织胶管Ⅰ连接，所述进油管与所述钢丝编织胶管Ⅱ连接；

所述数据采集系统包括一台计算机、一台动静态应变仪、多个拉线式位移传感器、多个应变片和一台摄像机；多个所述拉线式位移传感器和多个所述应变片均匀布置在所述被测管线上，所述拉线式位移传感器和所述应变片均与动静态应变仪连接，所述动静态应变仪与计算机连接；所述摄像机设置在所述被测管线的上方。

所述刹车为电磁刹车。

在连接所述循环油泵和所述加热器的管路上设有截止阀。

所述加热器设有控制柜。

所述试验槽是由有机玻璃制成的四周密封槽。

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的埋设条件与几何缺陷，通过导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽及试验管线六个组成部分的相互配合，可以有效模拟与不同埋设条件下受到土体约束的薄壁管线在温度应力下发生整体屈曲的过程，并研究管线曲率、几何初始缺陷幅值与波长的比值、埋置深度及土体特性等多种因素对整体屈曲的影响。

具体地说，导热油加热冷却系统为直接通过控制柜设定加载温度的大小，保证了复杂条件下管线所受的加载温度不变，亦可通过改变加载温度的大小，探究温度应力对管线水平向整体屈曲的影响。导热油传输系统具有较好的柔性及耐热耐压性，加热后的导热油对其强度和稳定性影响不大，保证了导热油传输过程的安全顺畅。约束系统可以在轴向、水平向移动，且与试验管线连接的部分可以产生较小的转动变形，试验管线安装过程中，约束系统可以通过轴向、水平径向的移动，与试验管线更好地连接，当管线发生整体屈曲时，约束系统可以通过水平转动协调管线发生的屈曲变形，减小边界效应对试验结果的影响。数据采集系统可以即时、精确的记录管线屈曲过程的位移及应变大小，了解与土相互作用的薄壁管线发生整体屈曲的过程中位移与应力的变化过程。试验槽由有机玻璃制成，便于观察管线水平向整体屈曲的全过程及研究管线曲率、几何初始缺陷幅值与波长的比值、埋置深度及土体特性等多种因素对整体屈曲位移与应力的影响，两端设有竖向约束板，保证管线发生水平向变形；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。试验管线为不同管径的空心铝管，热膨胀系数较大，在温度荷载作用下产生较大的轴向压力便于整体屈曲的发生，以研究曲率、几何初始缺陷幅值与波长的比值、埋置深度及等多种因素对整体屈曲位移与应力的影响。

综上所述，本发明是针对具有几何初始缺陷的海底不埋或浅埋薄壁管线设计的室内小比例试验模型，能够模拟管线在温度应力的影响下发生整体屈曲的真实变形路径、变形形态和受力状态及埋设条件对其整体屈曲的影响，为实际工程中海底管线在高温高压联合作用下发生整体屈曲的研究提供数据支持。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的导热油加热冷却系统结构示意图；

图3-1为本发明的管线约束系统立体图；

图3-2为图3-1的俯视图；

图3-3为图3-1的主视图；

图3-4为图3-1的左视图；

图4-1为本发明的试验槽立体图；

图4-2为图4-1的左视图；

图5为本发明的被测管线详图。

图中：1、导热油加热冷却系统；1-1、进油管；1-2、冷却机；1-3、过滤器；1-4、循环油泵、1-5、加热器；1-6、高位槽；1-7、出油管；1-8、截止阀；

2、试验槽；2-1竖向约束板；

3、管线约束系统；3-1、支架；3-2、安装框架；3-3、连接短节；3-4、刹车；3-5、轴向移动平台；3-6、水平径向移动平台；

4、被测管线；

5-1、高压编织胶管Ⅰ；5-2、高压编织胶管Ⅱ；

6、摄像机；7、计算机；8、动静态应变仪；9、拉线式位移传感器；10、应变片。

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：

请参阅附图，一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，包括导热油加热冷却系统1、导热油传输系统、管线约束系统3、数据采集系统、试验槽2和试验管线；所述试验管线由多组空心铝管组成，每组空心铝管的几何初始缺陷幅值v_om与波长L_o的比值相同，同组的空心铝管直径不同；任意一根所述试验管线作为被测管线4被填土掩埋或直接放置于所述试验槽2内，被测管线4的下部土体厚度大于1倍管径，所述被测管线4穿越所述试验槽2的两端板，所述试验槽2的两端板上设有被测管线4的竖向约束板2-1。

在所述被测管线4的两端各设有一所述管线约束系统3，所述管线约束系统3包括支架3-1、安装框架3-2、连接短节3-3和刹车3-4；在所述支架3-1上设有水平径向移动平台3-6，所述水平径向移动平台3-6的移动方向与被测管线4的设计中心线垂直，在所述水平径向移动平台3-6上设有与其垂直的轴向移动平台3-5，在所述轴向移动平台3-5上固定有所述安装框架3-2，所述安装框架3-2内设有与其通过竖向铰链轴连接的所述连接短节3-3，在所述连接短节3-3上设有所述刹车3-4，所述刹车3-4安装在所述安装框架3-2上。

所述导热油传输系统包括钢丝编织胶管Ⅰ5-1和钢丝编织胶管Ⅱ5-2，所述钢丝编织胶管Ⅰ5-1和所述钢丝编织胶管Ⅱ各通过一相应的所述连接短节3-3与所述被测管线4连接，在所述钢丝编织胶管Ⅰ5-1和所述钢丝编织胶管Ⅱ5-2之间设有所述导热油加热冷却系统1。

所述导热油加热冷却系统1包括沿输油方向依次连接的冷却机1-2、过滤器1-3、循环油泵1-4、加热器1-5和高位槽1-6；所述高位槽1-6上设有出油管1-7，所述冷却机1-2上连接有进油管1-1；所述出油管1-7与所述钢丝编织胶管Ⅰ5-1连接，所述进油管1-1与所述钢丝编织胶管Ⅱ5-2连接。

所述数据采集系统包括一台计算机7、一台动静态应变仪8、多个拉线式位移传感器9、多个应变片10和一台摄像机6；多个所述拉线式位移传感器9和多个所述应变片10均匀布置在所述被测管线4上，所述拉线式位移传感器9和所述应变片10均与动静态应变仪8连接，所述动静态应变仪8与计算机7连接；所述摄像机6设置在所述被测管线4的上方。

在本实施例中，所述刹车3-4采用电磁刹车。在连接所述循环油泵1-4和所述加热器1-5的管路上以及所述加热器1-5和所述高位槽1-6的管路上均设有截止阀1-8。所述加热器1-5设有控制柜。所述试验槽2是由有机玻璃制成的四周密封槽。

本发明的导热油加热冷却系统采用加热器加热，在控制柜中设定需要的加载温度，加热器就会将电能转化成热能，进而将导热油加热到设定温度，循环油泵通过高压装置将导热油输送到高位槽并使其在整个系统中强制循环，其中过滤器起着过滤杂物保证整个系统通畅的作用，冷却机将通过被测管线回流回来的导热油冷却，保证试验的安全。本发明的导热油传输系统主要由钢丝编织胶管组成，是由耐液体的内胶层、中胶层、Ⅰ或Ⅱ或Ⅲ层钢丝编织增强层及耐天候性能优良的合成橡胶组成，具有较好的柔性及耐热耐压性。本发明的管线约束系统主要用于约束受到温度荷载作用的试验管线两端，连接短节与被测管线连接，屈曲发生时管线两端可以随连接短节在安装框架的约束范围内水平转动，削减了端部效应对试验的影响，电磁刹车可设有10kg·m的阻尼，为连接短节的转动提供阻力保证了试验的安全性，连接短节及电磁刹车可以在水平面内自由移动，整个约束系统放置在1*1*1m的支架上；数据采集系统由计算机、动静态应变仪、拉线式位移传感器、应变片和摄像机组成，用以记录屈曲过程中管线位移、应变的大小及屈曲的变形过程；试验槽为1m×1m×9m的有机玻璃槽，为了保证管线发生水平向的变形，试验槽两端设置了竖向约束板，限制了管线两端的竖向变形；试验管线主要由不同几何初始缺陷的空心铝管组成，按照几何初始缺陷幅值v_om与波长L_o的之比v_om/L_o的大小不同将空心铝管分为5组，其中几何初始缺陷的波长设为1m，幅值与波长之比分别取v_om/L_o＝0.0015、v_om/L_o＝0.003、v_om/L_o＝0.007、v_om/L_o＝0.01、v_om/L_o＝0.02。

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，将导热油加热系统、导热油传输系统、管线约束系统、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，而后打开导热油加热系统设定试验加荷温度，可按40℃、60℃、80℃对试验管线进行加载，打开摄像机准备记录管线变形全过程。管线开始变形后，应变仪采集管线的位移，应变片测量管线受到应变，摄像机监测管线屈曲全过程的变形轨迹及土体的变形规律。

试验结束后，依次关闭导热油加热系统、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 (5)

1.一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，其特征在于，包括导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽和试验管线；

所述试验管线由多组空心铝管组成，每组空心铝管的几何初始缺陷幅值v_om与波长L_o的比值相同，同组的空心铝管直径不同；

任意一根所述试验管线作为被测管线被填土掩埋或直接放置于所述试验槽内，被测管线的下部土体厚度大于1倍管径，所述被测管线穿越所述试验槽的两端板，所述试验槽的两端板上设有被测管线的竖向约束板，

在所述被测管线的两端各设有一所述管线约束系统，所述管线约束系统包括支架、安装框架、连接短节和刹车；在所述支架上设有水平径向移动平台，所述水平径向移动平台的移动方向与被测管线的设计中心线垂直，在所述水平径向移动平台上设有轴向移动平台，在所述轴向移动平台上固定有所述安装框架，所述安装框架内设有与其通过竖向铰链轴连接的所述连接短节，在所述连接短节上设有所述刹车，所述刹车安装在所述安装框架上；

所述导热油传输系统包括钢丝编织胶管Ⅰ和钢丝编织胶管Ⅱ，所述钢丝编织胶管Ⅰ和所述钢丝编织胶管Ⅱ各通过一相应的所述连接短节与所述被测管线连接，在所述钢丝编织胶管Ⅰ和所述钢丝编织胶管Ⅱ之间设有导热油加热冷却系统；

所述导热油加热冷却系统包括沿输油方向依次连接的冷却机、过滤器、循环油泵、加热器和高位槽；所述高位槽上设有出油管，所述冷却机上连接有进油管；所述出油管与所述钢丝编织胶管Ⅰ连接，所述进油管与所述钢丝编织胶管Ⅱ连接；

所述数据采集系统包括一台计算机、一台动静态应变仪、多个拉线式位移传感器、多个应变片和一台摄像机；多个所述拉线式位移传感器和多个所述应变片均匀布置在所述被测管线上，所述拉线式位移传感器和所述应变片均与动静态应变仪连接，所述动静态应变仪与计算机连接；所述摄像机设置在所述被测试验管线的上方。

2.根据权利要求1所述的不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，其特征在于，所述刹车为电磁刹车。

3.根据权利要求1所述的不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，其特征在于，在连接所述循环油泵和所述加热器的管路上设有截止阀。

4.根据权利要求1所述的不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，其特征在于，所述加热器设有控制柜。

5.根据权利要求1所述的不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，其特征在于，所述试验槽是由有机玻璃制成的四周密封槽。