CN105699287A - 无约束管段轴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轴向循环加载测试系统，包括试验槽、加载系统、传力系统、数据采集系统和试验配件；试验配件包括被测管段，在被测管段内设有两块沿其长度方向对称设置的连接板；试验时，被测管段沿试验槽的长度方向设置；传力系统包括两根竖直设置的传力杆和一块水平设置的推板，两根传力杆的上端通过水平横梁连接，水平横梁与被测管段平行，两根传力杆的下端与连接板的中部垂直固接，传力杆与推板通过水平设置的滑块Ⅰ连接，传力杆与相应的滑块Ⅰ形成滚动直线导轨副。本发明能够还原实际情况下管线往复运动时管段与土体的相互作用关系，为分析管线在轴向位移时的管土作用规律以及土体提供的抗力大小提供试验依据。

Description

无约束管段轴向循环加载测试系统

技术领域

本发明涉及模型试验技术领域，特别是涉及一种无约束管段轴向循环加载测试系统。

背景技术

近年来人类对油气能源的需求量日益增长，石油开采由于资源限制也在向海洋、深海方向发展。从上世纪墨西哥湾铺下第一条海底管道开始，目前油田开发的作业水深已达到3000米；铺设海底管道的水深已达到2150米，深海油气管道技术有了长足的发展。如今深海管道的应用面临着更复杂的外部环境，也面对更多技术挑战。其中一项十分重要的挑战就是深海管道的轴向运动问题。深海海床上的油气管道升温时会出现轴向的膨胀，同时受到海床的抗力约束其膨胀行为，冷却时收缩受到海床反向的抗力，但由于多种原因导致管道受到抗力不均，升温冷却后管线端部没有回到初始的位置，出现整体轴向位移。在服役过程中管线会进行多次开启和关闭的循环，在高温高压和海床抗力的联合作用下，经过一次开启和关闭，管道会出现在轴向方向上由高温端向低温端的运动，即管道靠近油井端向远离油井端方向的轴向位移。这种发生在管道整体上的轴向运动会随着管线启闭循环不断累积。累积的轴向位移会导致管道末端的过度位移和失效，对管道连接处和抬升处造成巨大的荷载引发破坏。其可能造成的潜在危害是不容忽视的。因此针对深海管道在温压循环荷载作用下轴向运动的研究是十分必要且有意义的。因此，需要一种模型试验系统，来模拟海底管线在高温高压环境下输送油气过程中多次开关所造成轴向整体往复位移时管线与土体的相互作用和管线往复运动过程中土体抗力变化，通过模型模拟管段的轴向往复运动过程，分析研究管段往复运动过程中所受到的土体所提供的轴向抗力的变化，从而分析研究管线在发生整体轴向变形时，管线的有效轴力与土体抗力的关系，进一步分析判断管线轴向延展行为整体位移。

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轴向循环加载测试系统，该系统能够还原实际情况下管线往复运动时管段与土体的相互作用关系，为分析管线在轴向位移时的管土作用规律以及土体提供的抗力大小提供试验依据。

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：一种无约束管段轴向循环加载测试系统，包括试验槽、加载系统、传力系统、数据采集系统和试验配件；所述试验配件包括被测管段，在所述被测管段内设有与其垂直固接的两块连接板，两块所述连接板沿所述被测管段的长度方向对称设置；试验时，所述被测管段沿所述试验槽的长度方向设置；在所述试验槽的顶面上固定有两根沿其长度方向设置的水平纵向导轨；所述传力系统包括两根竖直设置的传力杆和一块水平设置的推板，两根所述传力杆的上端通过水平横梁连接，所述水平横梁与所述被测管段平行，两根所述传力杆的下端穿过所述推板和所述被测管段的侧壁与所述连接板的中部垂直固接，所述传力杆与所述被测管段的侧壁固接，所述传力杆与所述推板通过水平设置的滑块Ⅰ连接，所述滑块Ⅰ固定在所述推板上，所述传力杆与相应的所述滑块Ⅰ形成滚动直线导轨副；在所述推板的下方左右两侧分别设有与其固接的滑块Ⅱ，所述滑块Ⅱ装配在所述水平纵向导轨上；所述加载系统包括与所述推板连接的加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，在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；所述加力板通过设置在其两侧的滑块Ⅲ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述推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、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，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和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头用于获取所述被测管段与其周围土体的影像。

所述推板采用工字型结构。

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)还原了管线在实际使用中竖向完全无约束的运动状态，推板与被测管段之间通过传力杆和滑块Ⅰ相互作用，传力杆与滑块Ⅰ的摩擦为滚动摩擦，最大限度地减小了被测管段在竖直方向上受到的阻力。与此同时，两根传力杆与水平横梁相连，保证了传力杆的竖直状态，能够确保被测管段在轴向上不发生扭转与偏移。加载系统与被测管段在管内连接，完全不与土体接触，避免了对周围土体的扰动，更为真实地还原了管线轴向延展时与土体相互作用过程。

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，逼真地模拟了管线在海床土体中的轴向循环运动过程，在试验的整个过程中，通过数据采集系统采集被测管段的轴向位移、竖向位移、土体破坏模式的图片和轴向抗力的变化，通过采集得到的数据，可以进行以下试验研究：1)研究管线入土深度、土体物理力学性质、管线材质、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、管线轴向的移动速率、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轴向抗力的变化情况。

三)通过加载系统不仅可以设置被测管段运动距离的大小，还可以确保被测管段运动速率按照试验要求变化，可以定速移动，也可以在试验过程中分段变速运动，大大增大了试验的可控性，能够使分析研究过程细化。与此同时，钢制的加力板、丝杠以及水平纵向导轨能够确保整个传力系统沿着轴向移动，保证了试验过程的稳定性，增强了试验数据的可靠性。加载系统起到了循环加载的作用。

四)在试验过程中数据采集系统能够记录下每一时刻被测管段轴向位移、竖直向位移以及受到的轴向抗力的变化情况，并通过计算机将每一时刻的数据变化情况及时而又直观地显示在试验操作人员面前，方便及时调整试验过程。同时，影像采集系统记录下了被测管段与土体的作用过程，能够用于研究不同试验条件下的土阻力以及被测管段的运动。四周密封的试验槽内也可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。

综上所述，本发明能够测定被测管段在竖直无约束、在循环荷载下发生轴向大位移往复运动时的轨迹变化，同时测定被测管段移动过程中的受力变化情况，从而间接测得被测管段与土体间等效莫测系数大小。用于进一步分析循环往复运动和单次单向运动的区别，分析土体的抗力变化规律，研究管线材质、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、曲率等多种因素对土体轴向抗力的影响。

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为本发明的被测管段结构示意图。

图中：1、试验槽；2、摄像头；3、计算机；4、动静态应变采集仪；5、伺服电机变速器；6、控制器；7、拉压力传感器；8、推板；9、传力杆；10、待测管段；11、丝杠；12、水平纵向导轨；13、滑块Ⅱ；14、滑块Ⅰ；15、水平横梁，16、滑块Ⅲ；17、连接板；18、加力板。

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4，一种无约束管段轴向循环加载测试系统，包括试验槽1、加载系统、传力系统、数据采集系统和试验配件。

所述试验配件包括被测管段10，在所述被测管段10内设有与其垂直固接的两块连接板17，两块所述连接板17沿所述被测管段10的长度方向对称设置；试验时，所述被测管段10沿所述试验槽1的长度方向设置。在本实施例中，所述试验配件主要由不同材质的被测管段和用来增加管段重量的钢筋所组成。为了防止试验过程中管段重心的偏移，选用钢筋长度均为80cm，被测管段由材质不同的空心管组成，空心管总长度均81.5cm，其中包括厚度为2cm的堵头和管内连接板17，其中空心管侧壁与连接板17对应开孔，用于连接传力杆9，以施加轴向位移。

在所述试验槽1的顶面上固定有两根沿其长度方向设置的水平纵向导轨12。

所述传力系统包括两根竖直设置的传力杆9和一块水平设置的推板8，两根所述传力杆9的上端通过水平横梁15连接，所述水平横梁15与所述被测管段10平行，两根所述传力杆9的下端穿过所述推板8和所述被测管段10的侧壁与所述连接板17的中部垂直固接，所述传力杆9与所述被测管段10的侧壁固接，所述传力杆9与所述推板8通过水平设置的滑块Ⅰ14连接，所述滑块Ⅰ14固定在所述推板8上，所述传力杆9与相应的所述滑块Ⅰ14形成滚动直线导轨副；在所述推板8的下方左右两侧分别设有与其固接的滑块Ⅱ13，所述滑块Ⅱ13装配在所述水平纵向导轨12上。

所述加载系统包括与所述推板8连接的加力板18和丝杠11，所述丝杠11通过支架支撑在所述试验槽1的顶面上，在所述加力板18上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠11上，所述丝杠11由伺服电机减速器5驱动，所述伺服电机减速器5由控制器6控制；所述加力板18通过设置在其两侧的滑块Ⅲ16连接在所述水平纵向导轨12上，所述加力板18与所述推板8通过拉压力传感器7连接。所述加载系统通过在控制界面中设定伺服电机的运动速率与位移为被测管段10在土体中的运动提供动力。

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器7、一台动静态应变采集仪4、一台计算机3和一个摄像头2，所述拉压力传感器7与所述动静态应变采集仪4连接，所述动静态应变采集仪4和所述摄像头2分别与所述计算机3连接；所述摄像头2用于获取所述被测管段10与其周围土体的影像。所述数据采集系统可以根据不同的试验要求记录被测管段轴向运动过程中的轨迹变化、所受轴向抗力的大小。

在本实施例中，所述推板8采用工字型结构。所述试验槽为长、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，在所述试验槽1的四周设置有钢化玻璃。在所述试验槽1的钢化玻璃上沿高度方向设有刻度。

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，被测管段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，也可以人为的进行预设深度处理；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，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，也可以人为地进行预设深度处理。填土及被测管段安放完成后，将加载系统、传力系统、数据采集系统如图1进行连接，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空心管的堵头打开，将所需钢筋加入管中，以达到预设的重量。

试验开始后，依次启动计算机3、摄像头2、动静态应变仪4。首先对动静态应变仪4进行平衡、清零，而后打开伺服电机设定试验加荷速率和被测管段轴向的运动距离以及被测管段的循环运动次数，加荷速度可以在可1～10mm/s之间变化，轴向位移的最大值受试验槽的长度限制。被测管段开始运动后，应变仪采集被测管段的位移与受到的土体抗力，摄像机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、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，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无约束管段轴向循环加载测试系统，其特征在于，包括试验槽、加载系统、传力系统、数据采集系统和试验配件；

所述试验配件包括被测管段，在所述被测管段内设有与其垂直固接的两块连接板，两块所述连接板沿所述被测管段的长度方向对称设置；试验时，所述被测管段沿所述试验槽的长度方向设置；

在所述试验槽的顶面上固定有两根沿其长度方向设置的水平纵向导轨；

所述传力系统包括两根竖直设置的传力杆和一块水平设置的推板，两根所述传力杆的上端通过水平横梁连接，所述水平横梁与所述被测管段平行，两根所述传力杆的下端穿过所述推板和所述被测管段的侧壁与所述连接板的中部垂直固接，所述传力杆与所述被测管段的侧壁固接，所述传力杆与所述推板通过水平设置的滑块Ⅰ连接，所述滑块Ⅰ固定在所述推板上，所述传力杆与相应的所述滑块Ⅰ形成滚动直线导轨副；在所述推板的下方左右两侧分别设有与其固接的滑块Ⅱ，所述滑块Ⅱ装配在所述水平纵向导轨上；

所述加载系统包括与所述推板连接的加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，在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；所述加力板通过设置在其两侧的滑块Ⅲ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述推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、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，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和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头用于获取所述被测管段与其周围土体的影像。

2.根据权利要求1所述的无约束管段轴向循环加载测试系统，其特征在于，所述推板采用工字型结构。

3.根据权利要求1所述的无约束管段轴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所述的无约束管段轴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。