CN105067237B - 无约束管段水平向循环加载测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无约束管段水平向循环加载测试系统，包括加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验配件；试验配件包括多根直径各不相同的钢管段及其配重钢筋，每根钢管段的两端均设有堵头，配重钢筋被堵头封堵固定在相应的钢管段内，在堵头的外侧中部设有外凸的轴头，在轴头上安装有轴承；在轴承的两侧设有传力系统；传力系统包括传力板，在传力板的两侧各设有两个可升降推板，两个可升降推板分设在对应所述轴承的两侧，可升降推板设有升降驱动装置。本发明还原了实际情况下管线水平向往复运动过程中其前部berm的产生、变化情况，能够为分析管线前部berm的产生、变化规律以及其所提供的抗力大小提供实验数据。

Description

无约束管段水平向循环加载测试系统

技术领域

本发明涉及一种模拟海底管线在地基土体中水平向循环运动过程的室内试验领域，特别是一种无约束管段水平向循环加载测试系统。

背景技术

能源是人类社会发展和进步的必需品，而油气资源是能源构成中的重要组成部分。我国对于油气资源的开发力度也十分显著，然而经过长期的勘探开发，我国陆地和浅海的探明程度已接近饱和，重大的油气发现越来越少，规模也是越来越小。这时，探明程度还很低的深海就成为各大油气公司所关注的焦点，在深海原油、天然气的生产、精炼、储存及使用的全过程中，海底管线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在温度和压力的联合作用下进行，由于温差和压差的作用，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。不仅如此，在海底管线的服役过程中，由于运输计划的改变、计划检修或者事故会造成停输的情况。在海底管线的服役过程中需要进行数百次的开关过程，在停输和重新开始输送原油的反复过程中，管线受到循环荷载的作用，在水平方向上进行往复运动，运动过程中管线在水平方向的位移能够达到5～20倍管径，在管线往复运动的过程中，管线前部的土体被管线所破坏，逐渐形成所谓的berm，管线往复运动的次数越多，其运动方向前部累积的berm的体积就越大，berm对于管线的水平向运动具有限制约束作用，在实际工程中管线的重量、外部直径以及管线的运动速度对于管线前部的berm的产生、变化有着显著的影响。

综上所述，海底管线在高温高压环境下输送油气，多次开关会造成其水平向往复运动，其中最为业界关注的问题为管线与土体的相互作用、管线往复运动过程中其运动方向前部的土体变形问题以及管线的运动轨迹变化问题。因此，需要一种模型实验系统，模拟管线的水平向往复运动过程，分析研究管线往复运动过程中所受到的土体所提供的水平抗力的变化和管线运动轨迹的变化，从而分析研究管线前部土体的破坏情况，以便进一步分析由于土体大变形而产生的berm的产生、变化规律以及berm对于管线所受土体抗力的影响。为进一步研究管段服役过程中循环荷载作用下管段前部土体的破坏模式、土体抗力变化情况以及berm的相关问题提供实验依据。

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水平向循环加载测试系统，该系统还原了实际情况下管线水平向往复运动过程中其前部berm的产生、变化情况，能够为分析管线前部berm的产生、变化规律以及其所提供的抗力大小提供实验数据。

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：一种无约束管段水平向循环加载测试系统，包括加载系统、传力系统、试验槽、数据采集系统和试验配件；所述试验配件包括多根直径各不相同的钢管段及其配重钢筋，每根所述钢管段的两端均设有堵头，所述配重钢筋被所述堵头封堵固定在相应的所述钢管段内，在所述堵头的外侧中部设有外凸的轴头，在所述轴头上安装有轴承，所述轴承的内圈固装在所述轴头上；试验时，一根装配有所述堵头和所述轴承的所述钢管段作为被测管段被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置；在所述轴承的两侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板，在所述传力板的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块Ⅱ，所述滑块Ⅱ装配在水平纵向导轨上，所述水平纵向导轨沿所述试验槽的长度方向固定在所述试验槽的顶面上；在所述传力板的左右两侧各设有两个分设在对应所述轴承两侧的可升降推板，所述可升降推板安装在竖直导向滑框内，所述竖直导向滑框固定在所述传力板上；所述可升降推板设有升降驱动装置；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，所述伺服电机减速器由控制器控制；所述加力板通过滑块Ⅰ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述传力板通过拉压力传感器连接；所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、深度传感器或所述千分表、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，所述深度传感器或所述千分表安装在所述传力板上，用于获取被测管段的深度数据，所述拉压力传感器和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头固定在支撑杆上并获取所述被测管段运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板上。

所述升降驱动装置包括安装在所述可升降推板上的竖向设置的齿条，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮安装在升降减速器的输出轴上，在所述升降减速器的输入轴上安装有手轮。

在所述试验槽的四周设置有钢化玻璃。

在所述试验槽的钢化玻璃上沿高度方向设有刻度。

本发明具有的优点和积极效果是：

一)推板与管线之间通过可以自由转动的轴承相互作用，两者之间的摩擦为滚动摩擦，最大限度地减小了管线在竖直方向上受到的阻力。与此同时，可升降推板紧临槽壁，减小了对周围土体的扰动，不仅如此，在工作状态下只有管线运动方向后方的可升降推板与管线相互接触，管线前部的可升降推板升起，使之不与管线以及管线前部的土体接触，进一步减小了对周围土体的扰动，更为真实地还原了管线水平向屈曲的整体变化过程。

二)通过加载系统、传力系统、试验槽、试验配件四个组成部分之间的相互配合，有效模拟管线在地基土体中的水平向循环运动的过程，在实验的整体过程中，通过数据采集系统采集管线的水平向位移、竖向位移、土体破坏模式的图片和水平向抗力的变化，通过采集得到的数据能够进行以下实验研究：1)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；2)管线外径、单位长度管线重量、管线水平方向的移动速率、管线的初始埋置深度、管线单向运动的距离、管线循环往复运动的次数以及土体物理性质对于管线运动轨迹以及管线所受水平抗力的变化情况；3)管线运动方向前部berm的产生、变化规律以及berm所提供抗力的大小。

三)通过加载系统不仅可以设置管线的运动距离的大小，还可确保管线运动速率按照试验要求变化，可以定速移动也可以在实验过程中分段变速运动，大大增大了试验的可控性，细化了分析研究过程。与此同时，传力板、丝杠以及水平导轨确保整个传力系统沿着水平方向移动，保证了试验过程的稳定性，增强了试验数据的可靠性。在整个传力系统中可升降推板起到了循环加载的作用，与此同时又减小了推板对于土体的扰动，在管线运动前，使其前部的推板上升到不扰动管线运动方向前部土体的高度，在需要改变运动方向时，将原先升起的推板降下，对应方向的推板升起，以此循环，就起到了循环往复运动的作用，同时又尽可能少地减小了对于管线前部土体的扰动。

四)在试验过程中数据采集系统记录下每一时刻管线水平向位移、竖直向位移以及受到的水平向抗力的变化情况，数据采集仪将各个传感器采集来的数据传输给计算机，将每一时刻的数据变化情况及时而又直观的显示在试验操作人员面前，方便及时调整试验过程。同时，影像采集系统能够记录下了管线与地基土体的作用过程以及管线运动方向前部土坝的形成过程，用于研究不同实验条件下土阻力以及管线的运动情况进而分析管线前部berm的产生变化规律以及其所提供的抗力大小。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。

综上所述，本发明还原了管线在实际使用中竖向及水平向无约束时的运动状态，能够测定管线在发生水平向大位移循环荷载下运动时的轨迹变化，同时测定管线移动过程中的受力变化情况，从而间接测得管线前部berm的产生、变化规律以及berm所产生的附加抗力的大小。便于进一步分析循环往复运动和单次单向运动的区别，分析土体的破坏模式，研究管线初始入土深度、土体物理力学性质、管线自重、管线的外部直径及管线运动速率、曲率等多种因素对berm产生变化规律的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明的传力系统结构示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为本发明的被测管段结构示意图；

图6为采用本发明测定的不同重量被测管段在不同埋置深度时被测管段前部berm的横断面面积变化曲线图。

图中：1、摄像头；2、计算机；3、动静态应变采集仪；4、试验槽；5、控制器；6、伺服电机减速器；7、支架；8、丝杠；9、水平纵向导轨；10、加力板；11、被测管段；12、拉压力传感器；13、传力板；14、滑块Ⅰ；15、滑块Ⅱ；16、可升降推板；17、竖直导向滑框；18、手轮；19、齿轮；20、升降减速器；21、齿条；22、钢管段；23、堵头；24、轴承。

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5，一种无约束管段水平向循环加载测试系统，包括加载系统、传力系统、试验槽4、数据采集系统和试验配件。

所述试验配件包括多根直径各不相同的钢管段22及其配重钢筋，每根所述钢管段22的两端均设有堵头23，所述配重钢筋被所述堵头23封堵固定在相应的所述钢管段22内，在所述堵头23的外侧中部设有外凸的轴头，在所述轴头上安装有轴承24，所述轴承24的内圈固装在所述轴头上。

配重钢筋是用来增加钢管段重量的。在本实施例中，被测管段11的长度均为1m，为了防止实验过程中管线重心的偏移，选用配重钢筋的长度均为88cm，堵头23和轴承24的厚度均为3cm，被测管线11两端的轴承可以沿一固定轴线旋转，使得可升降推板16与轴承24之间的摩擦为滚动摩擦，最大限度地降低管线在竖直方向上受到的阻力，更为真实地模拟管线的运动轨迹。

试验时，一根装配有所述堵头23和所述轴承24的所述钢管段22作为被测管段11被填土掩埋或直接放置在所述试验槽4内，所述被测管段11沿所述试验槽的宽度方向设置。被测管段两端的堵头与试验槽两侧内壁不接触，既消除了被测管段端部对前方土坝的端部效应，也最大化地减少了被测管段两端与试验槽内壁的摩擦，能够降低试验误差。

在所述轴承24的两侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板13，在所述传力板13的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块Ⅱ15，所述滑块Ⅱ15装配在水平纵向导轨9上，所述水平纵向导轨9沿所述试验槽4的长度方向固定在所述试验槽4的顶面上；在所述传力板13的左右两侧各设有两个分设在对应所述轴承24两侧的可升降推板16，所述可升降推板16安装在竖直导向滑框17内，所述竖直导向滑框17固定在所述传力板13上；所述可升降推板16设有升降驱动装置。

所述传力板13与所述加载系统连接，所述加载系统包括加力板10和丝杠8，所述丝杠8通过支架7支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板10上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠8上，所述丝杠8由伺服电机减速器6驱动，所述伺服电机减速器6由控制器5控制；所述加力板10通过滑块Ⅰ14连接在所述水平纵向导轨9上，所述加力板10与所述传力板13通过拉压力传感器12连接。

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器12、深度传感器或所述千分表(图中未示出)、一台动静态应变采集仪3、一台计算机2和一个摄像头1，所述深度传感器或所述千分表安装在所述传力板13上，用于获取被测管段11的深度数据，所述拉压力传感器12和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪3连接，所述动静态应变采集仪3和所述摄像头1分别与所述计算机2连接；所述摄像头1固定在支撑杆上并获取所述被测管段11运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板13上。

摄像头1所采集记录的管线运动方向前部土体破坏情况通过数据线传输并呈现在计算机2上。与此同时，被测管段11的竖向位移通过所述深度传感器或者所述千分表测定，然后通过数据线传递到动静态应变采集仪3上，动静态应变采集仪3上的数据通过数据线传递到计算机2上，同时显示具体的数据图。所述拉压力传感器12及时检测出被测管段11受到的水平向土体抗力的大小，通过数据线传递给动静态应变采集仪3，随后传递给计算机2，并显示及时的抗力变化曲线。上述数据采集系统可以根据不同的试验要求记录管线水平向运动过程中的轨迹变化、所受水平向抗力的大小变化情况以及管线运动方向前部土体的破坏变形情况。

本发明尽可能地减小了被测管段在竖直方向受到的附加阻力，从而还原了实际管线在竖直方向的无约束状态。并且本发明能够模拟管线的循环往复运动。

采用本发明通过室内试验分析研究管线在土体中的循环往复运动，能够模拟不同试验条件下海底管线水平向运动过程中的运动轨迹，同时分析研究管线运动过程中地基土抗力的变化，进一步分析循环往复运动和单次单向运动的区别，分析土体的破坏模式，研究管线入土深度、土体物理力学性质、管线自重、管线的外部直径及管线运动速率、曲率等多种因素对土体抗力的影响，为水平向大位移管-土相互作用模型的建立提出有力的数据，进而分析管线运动轨迹与所受土体抗力间的相互关系，建立更为细致的管线相互作用模型，为管线的稳定性设计提供了更为细致的依据。

在本实施例中，上述升降驱动装置包括安装在所述可升降推板16上的竖向设置的齿条21，所述齿条21与齿轮19啮合，所述齿轮19安装在升降减速器20的输出轴上，在所述升降减速器20的输入轴上安装有手轮18。上述结构，操作方便，成本低。上述试验槽4为长、宽、高分别为3m、1.1m、1m的钢槽，为了方便对试验过程进行观察分析，其四周安置了钢化玻璃并在其上沿高度方向标有刻度。并且所述试验槽的四周是密封的，可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。

采用本发明进行试验开始前，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。按照预设的密实度，将土体装入试验槽内，根据有限元的计算结果可知，被测管段横向运动产生的土体塑性区域在深度方向小于1倍管径，因此被测管段的下部土体厚度应大于1倍管径，然后安放试验管段，根据不同的试验要求埋设被测管段，被测管段可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为地设定埋深，用填土将被测管段掩埋在所述试验槽内。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，按照预设的含水率和容重，将土体装入试验槽内，且下部土体厚度大于1倍管径，与无粘性土一样，根据不同的试验要求埋设被测管段，被测管段可以在自身重量下沉入土体内，也可以人为的按照预设深度进行埋设。如果需要分析被测管段重量的影响则可在以上步骤完成后，将被测管线的堵头打开，将所需钢筋加入钢管段中，以达到预设的重量。

试验开始后，依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪。首先对动静态应变仪进行平衡、清零，而后设定试验加荷速率和管线水平方向的运动距离以及管线的循环运动次数，启动伺服电机减速器，加荷速度可以在可1～10mm/s之间变化，水平向位移的最大值由试验槽的长度大小决定。管线开始运动后，动静态应变仪采集被测管段的位移与受到的土体抗力，摄像头监测被测管段运动全过程的运动轨迹及土体的变形规律。

试验结束后，依次关闭伺服电机减速器、动静态应变采集仪及摄像头，整理试验数据。采用本发明测定的不同重量管段在不同埋置深度时管段前部berm的横断面面积变化如图6所示。

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)

1.一种无约束管段水平向循环加载测试系统，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配件；

所述试验配件包括多根直径各不相同的钢管段及其配重钢筋，每根所述钢管段的两端均设有堵头，所述配重钢筋被所述堵头封堵固定在相应的所述钢管段内，在所述堵头的外侧中部设有外凸的轴头，在所述轴头上安装有轴承，所述轴承的内圈固装在所述轴头上；

试验时，一根装配有所述堵头和所述轴承的所述钢管段作为被测管段被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置；

在所述轴承的两侧设有所述传力系统；所述传力系统包括传力板，在所述传力板的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块Ⅱ，所述滑块Ⅱ装配在水平纵向导轨上，所述水平纵向导轨沿所述试验槽的长度方向固定在所述试验槽的顶面上；在所述传力板的左右两侧各设有两个分设在对应所述轴承两侧的可升降推板，所述可升降推板安装在竖直导向滑框内，所述竖直导向滑框固定在所述传力板上；所述可升降推板设有升降驱动装置；

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，所述伺服电机减速器由控制器控制；所述加力板通过滑块Ⅰ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述传力板通过拉压力传感器连接；

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、深度传感器或千分表、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，所述深度传感器或所述千分表安装在所述传力板上，用于获取被测管段的深度数据，所述拉压力传感器和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头固定在支撑杆上并获取所述被测管段运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板上。

2.根据权利要求1所述的无约束管段水平向循环加载测试系统，其特征在于，所述升降驱动装置包括安装在所述可升降推板上的竖向设置的齿条，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮安装在升降减速器的输出轴上，在所述升降减速器的输入轴上安装有手轮。

3.根据权利要求1所述的无约束管段水平向循环加载测试系统，其特征在于，在所述试验槽的四周设置有钢化玻璃。

4.根据权利要求3所述的无约束管段水平向循环加载测试系统，其特征在于，在所述试验槽的钢化玻璃上沿高度方向设有刻度。