CN104677540A - 一种测量管道侧向土抗力的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量管道侧向土抗力的试验装置，包括：土槽(1)，两条水平直线导轨(2)，水平小车(3)，竖向直线导轨(4)，两个竖直杆(9)，测力系统，测位移系统，调节管道重量系统，动力系统几个部分，其中，沿着土槽(1)长度方向放置有水平直线导轨(2)；其上设置有用于固定水平小车(3)的滑块(14)；在水平小车(3)上固定有两条各布置有两个滑块的竖向直线导轨(4)，在每个滑块(20)处布置一个拉压力传感器(10)，拉压力传感器(10)与竖直杆(9)固定连接；两个竖直杆(9)的底端分别与试验管道(11)的两端固定连接。本发明能够测量的土壤抗力更加接近海底管道在真实状态下的受力。

Description

一种测量管道侧向土抗力的试验装置

所属技术领域

本发明属于海底管道测试技术领域，涉及一种是一种管道-土壤相互作用试验装置。

背景技术

近年来，海洋油气工程逐渐向深海发展。海底管道的正常工作是深海油气开发的重要保障，而深海海底管道一般裸置于海床表面或部分埋置。在管内高温高压作用下，裸置在海床表面的管道会发生侧向屈曲，过大的侧向移动会导致局部应力超过屈服极限，从而导致管道结构发生破坏，造成重大工程事故。

目前，在海底管道侧向屈曲的理论研究和数值模拟中，管道受到的土壤抗力采用库伦摩擦模型。此方法在海底管道的概念设计阶段可行，但是，如果在详细设计阶段仍然采用库伦摩擦模型就不能准确预估海底管道的侧向屈曲。因此，进行海底管道侧向土抗力试验研究，更加准确的模拟管道在侧向移动过程中受到的土抗力对于海底管道整体屈曲的预报非常的关键。

基于此，唐友刚提出了一种海底管道侧向往复移动载荷试验装置[201410438850.X]。该装置可以测量裸置管道在砂土表面往复运动过程中受到的土壤作用力。但是该装置尚存在以下问题：(1)该装置中的试验管道在侧向移动过程中无法自由升降，因为该专利中采用轴承座实现试验管道的升降，但是轴承座的轴向摩擦比较大，对试验管道的升降产生较大影响；(2)该装置无法调节试验管道的重量，使用一根试验管道只能够模拟一种情况；(3)该装置无法测量试验管道在侧向移动过程中的垂向位移；(4)该装置的测力系统不具有重复性，当更换一次试验管道，就要重新粘贴应变片，操作比较复杂。针对以上问题，本发明专利在专利[201410438850.X]的基础上提出了一种测量管道侧向土抗力的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种测量管道侧向土抗力的试验装置，用于测量试验管道在侧向移动过程中受到的土壤抗力。本装置能够防止试验管道滚动、允许试验管道自由升降，且本装置可以调节管道重量，能够正确模拟真实海底管道的侧向运动状态，测量的土壤抗力更加接近海底管道在真实状态下的受力。本发明的方案如下：

一种测量管道侧向土抗力的试验装置，包括：土槽(1)，两条水平直线导轨(2)，水平小车(3)，竖向直线导轨(4)，两个竖直杆(9)，测力系统，测位移系统，调节管道重量系统，动力系统几个部分，其中，

沿着土槽(1)长度方向放置有两条相互平行的水平直线导轨(2)，土槽(1)内预置一定深度的土体，在土体表面铺设有试验管道(11)，试验管道(11)直接放置在土体表面(12)或者嵌入到土体中一定深度；

在两条水平直线导轨(2)上分别设置有滑块(14)，水平小车(3)固定在滑块(14)上，可以通过滑块(14)沿着土槽上的水平直线导轨(2)往复运动；

在水平小车(3)上固定有两条竖向直线导轨(4)，两条竖向直线导轨(4)的间距大于试验管道(11)的长度，在每条竖向直线导轨(4)上各布置有两个滑块(20)，4个滑块(20)相互固定连接；

所述的测力系统包括四个拉压力传感器(10)，在竖向直线导轨(4)的每个滑块(20)处布置一个拉压力传感器(10)，拉压力传感器(10)的一端与竖直杆(9)固定连接，另一端与相应的竖向直线导轨上的一个滑块(20)固定连接；

所述的测位移系统用于测量用于测量水平小车(3)的水平位移及试验管道(11)的垂向位移；

所述的调节管道重量系统包括定滑轮(8)、牵引绳(19)和配重(16)，定滑轮(8)固定在水平小车(3)上，牵引绳(19)的一端与试验管道(11)连接，另一端与配重(16)连接；通过改变配重(16)的重量，调节试验管道(11)对土体的压力，以模拟相同直径、不同壁厚的试验管道(11)。

两个竖直杆(9)的底端分别与试验管道(11)的两端固定连接。

作为优选实施方式，所述的测位移系统包括两个直线位移传感器(6)，一个直线位移传感器(6)固定在土槽(1)一端，其测量端口与水平小车(3)连接，用于测量水平小车(3)的水平位移；另一个直线位移传感器(6)布置在水平小车(3)上，其测量端口与试验管道(11)连接，用于测量试验管道(11)的垂向位移。

所述的动力系统包括分别布置在土槽(1)两端的两套电动机和滚筒(7)，电动机用于驱动滚筒转动，在滚筒(7)上缠绕有绳索(5)，绳索(5)的一端固定在滚筒(7)上，另一端固定在水平小车(3)上，通过水平小车(3)带动试验管道(11)水平运动；试验管道(11)受到的水平方向的合力与四个拉压力传感器(10)收到的合力相等。

本发明的有益效果如下：

1、本试验装置可以实现试验管道在侧向运动过程中的可以自由上升和下降。本装置在竖直方向布置两条沿竖直方向的平行直线导轨，试验管道可以沿着竖向直线导轨自由升降。在试验过程中，本试验装置可以防止试验管道在侧向运动过程中发生滚动。在直接铺设到海床上的海底管道侧向运动过程中，海底管道受到的外力为管道自身的重力和土壤阻力；管道可能垂直方向的上升或者下降，但是没有转动。因此，本装置可以正确模拟真实海底管道的侧向运动状态。

2、本试验装置可以改变试验管道重量。本试验装置采用一套滑轮系统调节相同直径试验管道的重量，即相当于改变试验管道壁厚，从而可以使用一根试验管道模拟相同外径、不同壁厚的试验管道，节约试验材料。

3、本试验装置可以模拟平坦的海床，也可以模拟不平坦的海床。本试验装置在预置土体时，土体表面可以预置为水平、倾斜或凹凸不平。

4、本试验装置可以测量试验管道在侧向运动过程中的水平运动位移和垂向运动位移。本试验装置采用两个直线位移传感器测量管道的水平位移和垂向位移，试验过程中记录试验管道的运动轨迹。

5、本试验装置操作简便，在更换试验管道时，只需将管道与竖直杆连接即可，无需做其它改动。

6、本试验装置的测力系统测量试验管道的水平受力不会引入摩擦阻力等因素，测量结果比较准确。

附图说明

图1：试验装置俯视图；

图2：试验装置侧视图；

图3：拉压力传感器连接图；

图4：管道端部连接图；

图5：改变管道重量的装置图。

图中：1、土槽，2、水平直线导轨，3、水平小车，4、竖向直线导轨，5、绳索，6、直线位移传感器，7、滚筒，8、定滑轮，9、竖直杆，10、拉压力传感器，11、试验管道，12、土体表面，13、竖直杆端部连接板，14、滑块，15、试验管道端部连接板，16、配重，17、电动机，18、减速机，19、牵引绳，20、滑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进行详细描述。

1、本发明的管道土壤相互作用试验装置，主要包括：土槽1，水平小车3，竖向小车，测力系统，测位移系统，调节管道重量系统，试验管道11与竖直杆9连接系统，动力系统几个部分。

2、土槽1为四周封闭、顶部敞开的长方体空心结构。土槽四周侧壁铺设一定厚度的木板，土槽1顶部敞开。沿着土槽1长度方向布置两条平行的水平直线导轨2，每条水平直线导轨2上布置两个滑块14。土槽1内预置一定深度的表面水平的土体，用于模拟平坦的海床，或者预置一定深度表面不平坦的土体，用于模拟不平坦的海床。土体表面12铺设有试验管道11，试验管道11直接放置在土体表面12或者嵌入到土体中一定深度。

3、水平小车3为桁架结构。水平小车1与水平直线导轨2上的四个滑块14相连。水平小车3可以通过滑块14沿着土槽上的水平直线导轨2往复运动。

4、在水平小车3上布置两条竖向直线导轨4，两条竖向直线导轨4的间距要求大于试验管道11的长度，这样可以保证竖向直线导轨4不会阻碍试验管道11垂直方向的运动。每条竖向直线导轨4上布置两个滑块20，使用扁钢或者角钢等细长结构将两条直线导轨4上的四个滑块20连接起来，使其成为一个整体，简称为竖向小车，此竖向小车可以沿着竖直方向自由运动。

5、测力系统由四个拉压力传感器10组成。在竖向直线导轨4的每个滑块20处布置一个拉压力传感器10。拉压力传感器10的一端与竖直杆9连接，另一端与滑块20上的扁钢连接。具体连接方式如下：在竖直杆9上打通孔，拉压力传感器10一端的螺丝穿过竖直杆9上的通孔，端部用螺母固定；在滑块20的扁钢上焊接螺母，将拉压力传感器10另一端的螺丝直接连接在此螺母上。试验管道11受到的水平方向的合力为四个拉压力传感器10上的合力。

6、测位移系统由两个直线位移传感器6组成。其中直线位移传感器6布置在土槽1一端，此直线位移传感器6的测量端口与水平小车3连接，测量水平小车3的水平位移，即试验管道11的水平位移。直线位移传感器6布置在水平小车3上，此直线位移传感器6的测量端口与试验管道11连接，测量试验管道11的垂向位移。

7、调节管道重量系统由定滑轮8、牵引绳19、配重16组成。在水平小车3上布置定滑轮8。将牵引绳19的一端与试验管道11连接，牵引绳19的另一端与配重16连接，通过定滑轮8改变钢丝绳的方向。通过改变配重16的重量调节试验管道11的重量。此系统可以实现用一根试验管道11模拟相同直径、不同壁厚的试验管道11。

8、试验管道11与竖直杆9连接系统由竖直杆端部连接板13和试验管道端部连接板15组成。在预制竖直杆9时，在竖直杆9端部焊接一块连接板，并在板上预设螺栓孔。在预制试验管道11时，在试验管道端部焊接一块端部连接板，并在板上预设螺栓孔。试验开始时，使用螺栓将竖直杆端部连接板13与试验管道端部连接板15连接。

9、动力系统由电动机17、减速机18、滚筒7组成。电动机17为动力装置，减速机18降低电动机17的转速。在土槽1的两端各布置一套动力系统。电动机17的输出轴与减速机18的输入轴连接，减速机18的输出轴与滚筒7连接。将绳索5的一端固定在滚筒7上，绳索5的另一端固定在水平小车3上。当希望水平小车3向一侧运动时，打开该侧的电动机17，电动机17转动带动滚筒7转动，绳索5缠绕在滚筒7上，绳索5牵引小车水平3运动，水平小车3带动试验管道11水平运动。

Claims (3)

1.一种测量管道侧向土抗力的试验装置，包括：土槽(1)，两条水平直线导轨(2)，水平小车(3)，竖向直线导轨(4)，两个竖直杆(9)，测力系统，测位移系统，调节管道重量系统，动力系统几个部分，其中，

沿着土槽(1)长度方向放置有两条相互平行的水平直线导轨(2)，土槽(1)内预置一定深度的土体，在土体表面铺设有试验管道(11)，试验管道(11)直接放置在土体表面(12)或者嵌入到土体中一定深度；

在两条水平直线导轨(2)上分别设置有滑块(14)，水平小车(3)固定在滑块(14)上，可以通过滑块(14)沿着土槽上的水平直线导轨(2)往复运动；

在水平小车(3)上固定有两条竖向直线导轨(4)，两条竖向直线导轨(4)的间距大于试验管道(11)的长度，在每条竖向直线导轨(4)上各布置有两个滑块(20)，4个滑块(20)相互固定连接；

所述的测力系统包括四个拉压力传感器(10)，在竖向直线导轨(4)的每个滑块(20)处布置一个拉压力传感器(10)，拉压力传感器(10)的一端与竖直杆(9)固定连接，另一端与相应的竖向直线导轨上的一个滑块(20)固定连接；

所述的测位移系统用于测量水平小车(3)的水平位移及试验管道(11)的垂向位移；

所述的调节管道重量系统包括定滑轮(8)、牵引绳(19)和配重(16)，定滑轮(8)固定在水平小车(3)上，牵引绳(19)的一端与试验管道(11)连接，另一端与配重(16)连接；通过改变配重(16)的重量，调节试验管道(11)对土体的压力，以模拟相同直径、不同壁厚的试验管道(11)；

所述的动力系统用于驱动水平小车(3)沿水平直线导轨(2)往复移动。

两个竖直杆(9)的底端分别与试验管道(11)的两端固定连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的测位移系统包括两个直线位移传感器(6)，一个直线位移传感器(6)固定在土槽(1)一端，其测量端口与水平小车(3)连接，用于测量水平小车(3)的水平位移；另一个直线位移传感器(6)布置在水平小车(3)上，其测量端口与试验管道(11)连接，用于测量试验管道(11)的垂向位移。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的动力系统包括分别布置在土槽(1)两端的两套电动机和滚筒(7)，电动机用于驱动滚筒转动，在滚筒(7)上缠绕有绳索(5)，绳索(5)的一端固定在滚筒(7)上，另一端固定在水平小车(3)上，通过水平小车(3)带动试验管道(11)水平运动；试验管道(11)受到的水平方向的合力与四个拉压力传感器(10)收到的合力相等。