CN105738227A - 堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置 - Google Patents

堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置 Download PDF

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李林安
王世斌
王志勇
张萌萌
郭志明
王金麒
雷震名
闫澍旺
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Abstract

本发明公开了堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置,它包括海底管道装置和动态应变采集系统，动态应变采集系统包括高频动态应变仪,海底管道装置包括模型槽，在模型槽中间设置有装填有碎石的倒梯形沟槽以形成堆石保护结构，在堆石保护结构四周的模型槽内铺设有海砂，在堆石保护结构中埋置有第一海底管道,在堆石保护结构顶面放置有第二海底管道,在第一、第二海底管道上各自粘贴有应变片传感器，一个抛锚架通过导轨滑块结构滑动连接在模型槽的顶面滑槽上，在抛锚架上螺纹连接有丝杠，在丝杠下端固定有电磁式开关，在电磁式开关打开时吸附有实验锚。本装置可测量不同抛锚位置、抛锚高度、管道埋深、锚重对海底管道应变响应的影响。

Description

堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置
技术领域
本发明涉及模拟实验方法和一种抛锚装置的研发，特别是一种适用于堆石保护层下海底管道抗抛锚的实验装置。
背景技术
伴随着人类社会的发展，人类对资源的需求逐渐增大，大量的开采和挖掘已经使陆地资源濒临枯竭，于是人类开始向资源丰富的海洋进军。在沿海地区，海上油气运输的管道铺设范围越来越大，在航道运输作业频繁的区域，海底管道的安全性将面临该区域通航船舶抛锚或拖锚等第三方活动的严峻考验。一旦造成管道泄露，不仅会影响正常开采，引发严重的经济损失，而且油气管道的泄露还会对自然环境造成严重的破坏。
在以往的跨越航道设计中，通常采用路由避让海底、管道深埋或堆石保护的方法来确保管道的安全运营，但路由避让海底的方法使管道路由失去了最佳路线，并增加了管道长度和工程成本。而管道深埋增加了施工的工作量和施工难度。相对于前两种方法，堆石保护较为经济合理，但目前对这种方法的研究相对较少，还不够规范准确。
在抛锚撞击管道的研究方面，Ellinas等最早提出了一个撞击荷载与凹痕深度的半经验公式。Pal对带损伤的海底管道进行了数值分析，证明管道的应力可用于强度评估。Wierbicki等给出了在轴向荷载条件下凹痕深度与吸收能量的经验公式。Andrew等在CUED实验室进行了海底管道撞击实验，测出了不同坠落物速度、质量与管道凹痕之间的关系。王风云等通过对国内外相关规范文献的研究，总结了各国海底管道的挖埋深度。刘欢等用能量法分析了抛锚撞击海底管道对管道造成的损伤程度。余艳华等通过分析管道-土的相互作用，研究了撞击荷载作用下管道的动力响应。但以上研究主要集中于撞击作用与管道响应之间的关系，未能充分描述保护结构对管道的保护作用，不能为管道埋深设计做出实质性指导。
随着海洋工程装备的不断发展，大型的船舶、锚体重量不断增加。现有的DNV规范对海底管道的安全评估已不能充分满足现行船舶作业发展的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可用于模拟冲击荷载作用下不同抛锚高度、落锚位置、管道埋深、堆石材料、锚重对海底管道应变响应的影响，了解了不同因素对管道响应的敏感性的堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置。
为了解决上述技术问题，本发明采以下技术方案用予以实现：
本发明的堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置,它包括海底管道装置和动态应变采集系统，所述的动态应变采集系统包括高频动态应变仪,所述的海底管道装置包括模型槽，在所述的模型槽中间设置有装填有碎石的倒梯形沟槽以形成堆石保护结构，在所述的堆石保护结构四周的模型槽内铺设有用来模拟海床的海砂，所述的海砂顶面以上的模型槽的材料采用钢化玻璃，在所述的堆石保护结构中埋置有第一海底管道,所述的第一海底管道作为测量抛锚对海底管道应变响应的影响的测试管道,在所述的堆石保护结构顶面放置有另一根与第一海底管道相同的第二海底管道,所述的第二海底管道作为温度补偿管道,在所述的第一海底管道和第二海底管道外壁面上各自粘贴有双向电阻式应变片传感器，在所述的第一海底管道和第二海底管道外壁面上的双向电阻式应变片传感器粘贴位置相同，所述的双向电阻式应变片传感器通过导线与高频动态应变仪相连,所述的高频动态应变仪与计算机相连,所述的高频动态应变仪用于读取双向电阻式应变片传感器输出的电信号并将该信号转换成应变信号输出给计算机,所述的计算机用于读取、显示和存储高频动态应变仪输出的应变信号数据并导出计算机存储的测量数据用来分析研究海底管道的力学特性,在每一个双向电阻式应变片传感器上涂有防水材料,一个抛锚架通过导轨滑块结构滑动连接在模型槽的顶面滑槽上，所述抛锚架可在滑槽内移动用于调节抛锚的位置,在所述抛锚架上固定有横梁，在所述的横梁上开有一排螺纹孔，在所选下落方向的一个螺纹孔内螺纹连接有沿竖直方向设置的丝杠，在所述的丝杠下端固定有电磁式开关，在所述的电磁式开关打开时吸附有实验锚，所述的丝杠和实验锚设置在左右导向杆之间，所述的左右导向杆与抛锚架螺纹相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
应用本发明装置，可测量不同抛锚位置、抛锚高度、管道埋深、锚重对海底管道应变响应的影响。
本发明装置的模型槽由不锈钢材质制成，其槽壁为钢化玻璃制成，便于观察抛锚过程中锚的下落姿态。同时，模型槽可模拟不同水深的抛锚工况。
附图说明
图1是本发明抛锚实验装置示意图；
图2是图1所示抛锚实验装置侧视图；
图中：
1抛锚架2导向杆3丝杠4滑槽5模型槽6实验锚
7电磁式开关8第一海底管道第二海底管道9堆石保护结构10海砂
11高频动态应变仪12导线13计算机
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例加以详细说明:
如附图所示的本发明的堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置,它包括海底管道装置和动态应变采集系统，所述的动态应变采集系统包括高频动态应变仪,所述的海底管道装置包括模型槽5，在所述的模型槽5中间设置有装填有碎石的倒梯形沟槽以形成堆石保护结构9，在所述的堆石保护结构四周的模型槽5内铺设有用来模拟海床的海砂10，所述的海砂顶面以上的模型槽的材料采用钢化玻璃，在所述的堆石保护结构中埋置有第一海底管道8,所述的第一海底管道作为测量抛锚对海底管道应变响应的影响的测试管道,在所述的堆石保护结构顶面放置有另一根与第一海底管道相同的第二海底管道8,所述的第二海底管道8作为温度补偿管道,在所述的第一海底管道和第二海底管道外壁面上各自粘贴有双向电阻式应变片传感器，在所述的第一海底管道和第二海底管道外壁面上的双向电阻式应变片传感器粘贴位置相同，所述的双向电阻式应变片传感器通过导线12与高频动态应变仪相连,所述的高频动态应变仪与计算机13相连,所述的高频动态应变仪用于读取双向电阻式应变片传感器输出的电信号并将该信号转换成应变信号输出给计算机13。所述的计算机13用于读取、显示和存储高频动态应变仪输出的应变信号数据并导出计算机13存储的测量数据用来分析研究海底管道1的力学特性。由于两根管道处于相同的温度场,通过用测试管道的应变响应测量数据减去温度补偿管道的应变响应测量数据可消除温度对管道应变响应的影响，通过两根海底管道上的应变传感器测量抛锚全过程中管道应变响应，由高频动态应变仪测量，从计算机输出，然后人工把两根海底管道的应变测量数据相减得出无温度影响情况下管道在抛锚过程中的应变响应数据,在抛锚过程结束最后进行相减。在每一个双向电阻式应变片传感器上涂有防水材料。一个抛锚架1通过导轨滑块结构滑动连接在模型槽5的顶面滑槽4上，所述抛锚架可在滑槽内移动，用于调节抛锚的位置。在所述抛锚架1上固定有横梁，在所述的横梁上开有一排螺纹孔，可用于调节插入导向杆和丝杠的位置，在所选下落方向的一个螺纹孔内螺纹连接有沿竖直方向设置的丝杠3，所述丝杠用于电磁式开关和抛锚架的连接，主要用于调节初始抛锚高度和改变锚的冲击位置。在所述的丝杠3下端固定有电磁式开关7，在所述的电磁式开关打开时吸附有实验锚6，用于控制实验锚的下落时间,所述的丝杠3和实验锚6设置在左右导向杆2之间，所述的左右导向杆2与抛锚架1螺纹相连。左右导向杆2可以防止锚体在下落过程中偏离方向砸坏模型槽。
本发明的实验步骤如下：
1.在海底管道上粘贴双向电阻式应变片传感器，可同时测量管道环向和轴向的应变。
2.将抛锚架移动到抛锚的位置处，通过调节丝杠设定抛锚位置和抛锚高度。将实验锚吸附在电磁式开关的磁铁上。
3.调节高频动态应变仪器，打开电磁式开关进行抛锚，通过计算机显示器观察抛锚过程中海底管道的应变响应情况,导出数据，将测试管道的应变响应测量数据与温度补偿管道的测量数据相减，消除温度因素的干扰，分析处理测量结果。
4.通过调整初始抛锚高度、锚重、堆石材料及海底管道的埋深，按照步骤1-3重复实验，可对比分析不同抛锚高度S、锚重、堆石材料、管道埋深对管道应变响应的敏感性。利用正交试验分析法，最终得出不同因素对海底管道应变响应的敏感性由大到小依次为:锚重、堆石材料、管道埋深、抛锚高度。此结论可为今后堆石结构设计提供参考。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，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，而不是限制性的，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的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.堆石保护层下海底管道抗抛锚实验装置,其特征在于:它包括海底管道装置和动态应变采集系统，所述的动态应变采集系统包括高频动态应变仪,所述的海底管道装置包括模型槽，在所述的模型槽中间设置有装填有碎石的倒梯形沟槽以形成堆石保护结构，在所述的堆石保护结构四周的模型槽内铺设有用来模拟海床的海砂，所述的海砂顶面以上的模型槽的材料采用钢化玻璃，在所述的堆石保护结构中埋置有第一海底管道,所述的第一海底管道作为测量抛锚对海底管道应变响应的影响的测试管道,在所述的堆石保护结构顶面放置有另一根与第一海底管道相同的第二海底管道,所述的第二海底管道作为温度补偿管道,在所述的第一海底管道和第二海底管道外壁面上各自粘贴有双向电阻式应变片传感器，在所述的第一海底管道和第二海底管道外壁面上的双向电阻式应变片传感器粘贴位置相同，所述的双向电阻式应变片传感器通过导线与高频动态应变仪相连,所述的高频动态应变仪与计算机相连,所述的高频动态应变仪用于读取双向电阻式应变片传感器输出的电信号并将该信号转换成应变信号输出给计算机,所述的计算机用于读取、显示和存储高频动态应变仪输出的应变信号数据并导出计算机存储的测量数据用来分析研究海底管道的力学特性,在每一个双向电阻式应变片传感器上涂有防水材料,一个抛锚架通过导轨滑块结构滑动连接在模型槽的顶面滑槽上，所述抛锚架可在滑槽内移动用于调节抛锚的位置,在所述抛锚架上固定有横梁，在所述的横梁上开有一排螺纹孔，在所选下落方向的一个螺纹孔内螺纹连接有沿竖直方向设置的丝杠，在所述的丝杠下端固定有电磁式开关，在所述的电磁式开关打开时吸附有实验锚，所述的丝杠和实验锚设置在左右导向杆之间，所述的左右导向杆与抛锚架螺纹相连。
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