CN106768570A - 埋地输气管道地震液化区上浮反应模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一套以实验环道为主的埋地输气管道地震液化区上浮反应模拟试验装置，用于测试管道在地震液化环境中的受力、上浮位移和应力变化情况，同时提供一种模拟试验的方法。本发明能用于地震液化环境中多种不同管径/材质/钢级/壁厚的埋地管道在不同介质温度/内压/气体流速/安装温度/环境温度/埋深/土质/液化土长度下上浮反应试验、砂土液化与震动加速度的关系试验和砂土液化过程中超空隙水压力的变化试验，并提供一套全新的震动装置和超孔隙水压力监测装置，确保液化区埋地管道的安全运行，掌握相应环境下埋地管道的受力、应变和位移情况，一体化程度高。

Description

埋地输气管道地震液化区上浮反应模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多功能地震液化环境下埋地管道上浮反应的试验装置及方法，用于模拟多种规格、工况和施工条件下的埋地管道在地震液化环境中的受力和应变变化情况。

背景技术

我国地理位置处于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，地震区域广，地震强度大，发震频率高。部分天然气管线难免会穿越高地震烈度区，将受到地震灾害的威胁。砂土液化是强震区危害管道的主要现象之一，常发生在地下水位高的松散砂质沉积地层内。位于液化区的埋地天然气管道会出现上浮现象，严重时输气管道因发生的弯曲变形较大而失效。

尽管国内、外学者已运用理论分析法和软件模拟法，对液化区埋地管道上浮反应进行了较多研究，但是对于液化区埋地管道上浮的动态过程、管道上浮与砂土液化程度的关系、液化环境内管道的受力等还没有形成统一认识，而且，理论分析法和软件模拟法所得结论尚需试验的验证。目前，国内外没有可以同时测试地震作用下砂土的性质与埋地天然气管道上浮反应中受力、上浮位移和应变变化情况的装置及方法。

发明内容

针对国内外缺少地震液化埋地管道上浮反应的试验装置，本发明的目的在于提供一套大规模的多功能地震液化环境下埋地管道动态上浮反应的试验装置，用于测试地震液化环境中多种不同管径/材质/钢级/壁厚的埋地管道在不同介质温度/内压/气体流速/安装温度/环境温度/埋深/土质/液化土长度下上浮反应中的受力和应变变化情况，同时提供一种模拟试验的方法。目前在全国范围内，还没有建立能实现以上功能的试验装置。为了达到上述目的，本发明采用了如下的试验方法：一种地震液化区管道上浮反应模拟试验方法，其包括以下步骤：

a、制作饱和土：调整实验箱内固定挡板的位置，将试验箱内加上砂土，用泵从水储罐往试验箱内缓缓加水至两挡板之间的砂土饱和；

b、调节试验箱内温度到试验所需的管道安装温度，并静止6个小时以上；

c、安装试验区管道；

d、调节试验箱内温度到试验所需的环境温度，并静止6个小时以上；

e、从试验气储存系统往实验环道通入实验气体，并使气体通过增压系统进行增压，使其达到试验所需的压力值；

f、对上述气体通过温度控制系统进行调温，使其达到试验所需的温度值；

g、对上述气体通过气体流量分配系统进行流量分配，使其按实验要求分给9条支管；

h、开启激动装置，上述气体进入试验箱内管段，分别进行相应条件下的试验；

i、将模拟试验后的气体经过气体流量汇集系统进行汇集并调压；

j、上述气体在与试验气储存系统中的气体储气筒进行压力互补后重复进行步骤e-i；

k、试验结束后气体进行放空处理。

为了进行上述试验，本发明还采用了以下一种地震液化区管道上浮反应模拟试验装置，其主要包括：

顺序连接的试验气储存系统A、增压系统B、温度控制系统C、气体流量分配系统D、试验区E、气体流量汇集系统G；试验区E的下部连有液压站H和水储存系统J；自动控制系统对试验装置运行的全过程进行实时参数监测、设备控制、检测报警等；其特征在于：气体流量分配系统A将空气储存在储气瓶1，储气瓶1直接向实验环道供气，增压系统B将储气瓶1中输出的气体增压，温度控制系统C调节增压后气体的温度，达到试验所需的压力和温度工况，气体流量分配系统D将调温后的气体分配给9条管道，之后将气体送入试验区E，气体流量汇集系统G将试验区E输出的气体进行汇集并调压。

该装置的试验气储存系统A主要由储气瓶1、压缩机、流量计8和压力表3组成，压缩机将空气注入储气瓶1内，使储气瓶1内气体压力达到一定范围，试验时，储气瓶的空气逐渐通入实验环道。

该装置的增压系统B由两台往复式压缩机组组成，设置放空系统进入放空总管，压缩机组自带仪表控制系统6，同时将数据上传至控制室I，来实现控制室I对机组的远程关断控制和数据的实时显示，如一级压缩机4即可达到实验的压力时，实验气体可从分支管道通过，绕过二级压缩机5，温度控制系统C可以使气体达到实验需求的温度。

该装置的温度控制系统C采用丙烷制冷法来控制实验气体温度所需的较低温度，试验气体的温度控制范围可以达到-30℃～65℃。

该装置的气体流量分配系统G由流量计8、压力表3和阀门组成，有9条输气管道并联一起与干线串联，输气干线和每条输气支线都有流量计8和压力表3，并在支线上设置放空管线，通过调节直线阀门和放空气体的流量使支线管道达到实验要求的流量。

该装置的气体流量汇集系统G由阀门和压力表3组成，通过调节阀门也可达到压力调节的作用，使气体压力达到循环的要求。

该装置试验区E由固定支座10、弹簧11、激动装置12、试验箱13、孔隙水压力监测器14、加速度监测器15、温度调节器51、保温材料52、温度监测器53、挡板54、隔水垫55、固定卡槽56组成，水储罐2和离心泵串连后经输水管道输与试验箱13的下底板中心相连，试验箱13下方装有多个激动装置12，激动装置12与试验箱13直接连接，每个激动装置12与固定支座10通过一个弹簧11连接，激动装置12提供的动力使箱体震动，试验箱内设有多个固定卡槽56用来固定2个固定挡板54，固定挡板54与试验箱13接触部位装有隔水垫55，每个固定挡板54装有9个隔水圈57，9条管道平行布置在试验箱13内并穿过隔水圈57同时进行试验，试验箱13内安装有温度调节器51来调节箱内温度，试验箱13外部包有保温材料52，砂土内有多个孔隙水压力监测器14、加速度监测器15和温度监测器53记录砂土的孔隙水压力、加速度和土壤的温度随时间的变化，平行于管道铺设三条光纤光栅应变监测器17监测管道应变，管道每隔一段长度布置一个位移传感器49和8个应力监测器18来记录管道实时位移和受力情况。

上述的试验箱13内温度可调范围为0℃～70℃。

上述的激动装置12内有三个偏心质量块20，液压站H提供的液压驱动力使三个偏心质量块20相向旋转产生激振力，偏心质量块①和②旋转产生的离心力在水平方向相互抵消，在垂直方向相互叠加，偏心质量块①和③旋转产生的离心力在垂直方向相互抵消，在水平方向相互叠加，从而在垂直和水平方向上形成了周期性的激振力，通过改变激动装置工作的个数和其内三个偏心质量块工作的个数和转速，使箱体产生实验需要的振动。

上述的孔隙水压力监测器14由中空管22、测量探头23、四棱锥探头24、安装耳25、光栅26、挡圈27、密封垫28、铠装光纤46、固定支架47组成，孔隙水压力监测器14上有多个测量探头23，可以实时测量不同深度的空隙水压力，测得的孔隙水压通过光纤26传递给计算机，测量器的下端是四棱锥探头24便于施工，中空管22上设有多个安装耳25，中空管22的一个侧面上留有与测量探头23的螺丝大小相匹配的丝孔，测量探头23通过螺丝连接的方式安装在中空管22上，并与中空管22内部的光栅26连接。在孔隙水压力监测器的起始端有密封圈28保证水不进入内部，挡圈27固定密封圈28，光纤26出口上有固定支架47，外部连有铠装光纤46。

上述的2个相邻测量探头23之间的距离为20cm～120cm。

上述的2个相邻安装耳25之间的距离为50cm～140cm。

上述的测量探头23适用环境温度范围为0℃～80℃。

上述的中空管22和四棱锥探头24连接方式为焊接。

上述的测量探头23上有螺纹40，螺纹尽头设有卡槽33，安装时配有密封垫48，保证其密封性，测量探头23端头有挡帽29，便于安装，测量探头23设有透水石32允许砂土中水进入到中空室43，阻止砂土进入，并在透水石32的外端的固定圈30和密封圈31分别起到固定和密封的作用，进入中空室43水的压力使活塞 41产生滑动，活塞41与螺体45之间连有三个弹簧36，环形密封圈42保证中空室43里的水不进入活塞41的另一面。活塞41的移动会通过光栅35转化为光信号，并有温补光栅38与光栅35串联来减少温度对测量探头的影响，温补光栅38的出口处有环形挡圈37和圆形密封圈39，保证测量探头23的密闭性，温补光栅38与光纤26相连。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，A—试验气储存系统；B—增压系统；C—温度控制系统；D—气体流量分配系统；E—试验区；F—放空系统；G—气体流量汇集系统；H—液压站；I—控制室；J—水储存系统；K—试验环道；1—储气瓶；2—水储罐。

图2是增压系统工艺流程图，其中：3—压力表；4—第一级压缩机；5—第二级压缩机；6—仪表控制系统；7—去放空总管。

图3是气体流量分配系统流程图，其中：8—流量计；9—阀门。

图4是试验箱示意图，其中：10—固定支座；11—弹簧；12—激动装置；13—试验箱；14—孔隙水压力监测器；15—加速度监测器；51—温度调节器；52—保温材料；53—温度监测器；54—挡板；55—隔水垫；56—固定卡槽。

图5是挡板结构示意图，其中：57—隔水圈。

图6是试验箱左示图，其中：50—管道安装位置。

图7是实验段管道截面图，其中：16—管道；17—光纤光栅安装位置；18—应力监测器安装位置；49—位移监测器。

图8是激动装置工作原理图，其中：19—激动装置；20—偏心质量块；21—液压胶管。

图9是孔隙水压力监测器结构示意图，其中：22—中空管；23—测量探头；24—四棱锥探头；25—安装耳；26—光栅。

图10是孔隙水压力监测器a处局部放大图，其中：27—挡圈；28—密封垫；46—铠装光纤；47—固定支架。

图11是孔隙水压力监测器测量探头结构示意图，其中：29—挡帽；30—固定圈；31—密封圈；32—透水石；33—卡槽；34—光栅固定点；35—光栅；36—弹簧；37—环形挡圈；38—温补光栅；39—圆形密封圈；40—螺纹；41—活塞；42—环形密封圈；43—中空室；44—固定挡圈；45—螺体。

图12是孔隙水压力监测器测量探头正视图。

图13是孔隙水压力监测器测量探头弹簧安装位置示意图。

图14是孔隙水压力监测器测量探头安装截面俯视图，其中：48—密封垫。

图15是本发明的结构示意图，A—试验气储存系统；B—增压系统；C—温度控制系统；D—气体流量分配系统；E—试验区；F—放空系统；G—气体流量汇集系统；H—液压站；I—控制室；J—水储存系统；K—试验环道；1—储气瓶；2—水储罐。

具体实施方式

如图1所示，顺序连接的试验气储存系统A、增压系统B、温度控制系统C、气体流量分配系统D、试验区E、气体流量汇集系统G；试验区E的下部连有液压站H和水储存系统J；自动控制系统对试验装置运行的全过程进行实时参数监测、设备控制、检测报警等；其特征在于：气体流量分配系统A将空气储存在储气瓶1，储气瓶1直接向实验环道供气，增压系统B将储气瓶1中输出的气体增压，温度控制系统C调节增压后气体的温度，达到试验所需的压力和温度工况，气体流量分配系统D将调温后的气体分配给9条管道，之后将气体送入试验区E，气体流量汇集系统G将试验区E输出的气体进行汇集并调压。

所述的试验气储存系统A主要由储气瓶1、压缩机、流量计8和压力表3组成，压缩机将空气注入储气瓶1内，使储气瓶1内气体压力达到一定范围，试验时，将储气瓶的空气通入实验环道。

如图2所示，所述的增压系统B由两台往复式压缩机组组成，设置放空系统进入放空总管，压缩机组自带仪表控制系统6，同时将数据上传至控制室I，来实现控制室I对机组的远程关断控制和数据的实时显示，如一级压缩机4即可达到实验的压力时，实验气体可从分支管道通过，绕过二级压缩机5，压力可调节范围为0.01MPa～12MPa。

所述的温度控制系统C可以使气体达到实验需求的温度，温度控制系统C采用丙烷制冷法来控制实验气体温度所需的较低温度，试验气体的温度控制范围可以达到-3 0℃～65℃。

如图3所示，所述的气体流量分配系统G由流量计8、压力表3和阀门组成，有9条输气管道并联一起与干线串联，输气干线和每条输气支线都有流量计8和压力表3，并在支线上设置放空管线，通过调节直线阀门和放空气体的流量使支线管道达到实验要求的流量，并且每条支路预留多个管径接口，根据试验需要，安装相应的测试管段，变径管通过大小头提前预制与预留口连接。

所述的气体流量汇集系统G由阀门和压力表3组成，通过调节阀门也可达到压力调节的作用，使气体压力达到循环的要求。

如图4、图5、图6、图7所示，所述的试验区E由固定支座10、弹簧11、激动装置12、试验箱13、孔隙水压力监测器14、加速度监测器15、温度调节器51、保温材料52、温度监测器53、挡板54、隔水垫55、固定卡槽56组成，水储罐2和离心泵串连后经输水管道输与试验箱13的下底板中心相连，试验箱13下方装有多个激动装置12，激动装置12与试验箱13直接连接，每个激动装置与固定支座10通过一个弹簧11连接，激动装置12提供的动力使箱体震动，试验箱内设有多个固定卡槽56用来固定2个固定挡板54，固定挡板54与试验箱13接触部位装有隔水垫55，每个固定挡板54装有9个隔水圈57，9条管道平行布置在试验箱13内并穿过隔水圈57同时进行试验，试验箱13内安装有温度调节器51来调节箱内温度，试验箱13外部包有保温材料52，砂土内有多个孔隙水压力监测器14、加速度监测器15和温度监测器53记录砂土的孔隙水压力、加速度和土壤的温度随时间的变化，平行于管道铺设三条光纤光栅应变监测器17监测管道应变，管道每隔一段长度布置一个位移传感器49和8个应力监测器18来记录管道实时位移和受力情况。

如图8所示，所述的激动装置12内有三个偏心质量块20，液压站H提供的液压驱动力使三个偏心质量块20相向旋转产生激振力，偏心质量块①和②旋转产生的离心力在水平方向相互抵消，在垂直方向相互叠加，偏心质量块①和③旋转产生的离心力在垂直方向相互抵消，在水平方向相互叠加，从而在垂直和水平方向上形成了周期性的激振力，通过改变激动装置工作的个数和其内三个偏心质量块工作的个数和转速，使箱体产生实验需要的振动。

如图9、图10所示，所述的孔隙水压力监测器14由中空管22、测量探头23、四棱锥探头24、安装耳25、光栅26、挡圈27、密封垫28、铠装光纤46、固定支架47组成，孔隙水压力监测器14上有多个测量探头23，可以实时测量不同深度的空隙水压力，测得的孔隙水压通过光纤26传递给计算机，测量器的下端是四棱锥探头24便于施工，中空管22上设有多个安装耳25，中空管22的一个侧面上留有与测量探头23的螺丝大小相匹配的丝孔，测量探头23通过螺丝连接的方式安装在中空管22上，并与中空管22内部的光栅26连接。在孔隙水压力监测器的起始端有密封圈28保证水不进入内部，挡圈27固定密封圈28，光纤26出口上有固定支架47，外部连有铠装光纤46。

上述的2个相邻测量探头23之间的距离为20cm～120cm。

上述的2个相邻安装耳25之间的距离为50cm～140cm。

上述的测量探头23适用环境温度范围为0℃～80℃。

上述的中空管22和四棱锥探头24连接方式为焊接。

如图11、图12、图13、图14所示，上述的测量探头23上有螺纹40，螺纹尽头设有卡槽33，安装时配有密封垫48，保证其密封性，测量探头23端头有挡帽29，便于安装，测量探头23设有透水石32允许砂土中水进入到中空室43，阻止砂土进入，并在透水石32的外端的固定圈30和密封圈31分别起到固定和密封的作用，进入中空室43水的压力使活塞 41产生滑动，活塞41与螺体45之间连有三个弹簧36，环形密封圈42保证中空室43里的水不进入活塞41的另一面。活塞41的移动会通过光栅35转化为光信号，并有温补光栅38与光栅35串联来减少温度对测量探头的影响，温补光栅38的出口处有环形挡圈37和圆形密封圈39，保证测量探头23的密闭性，温补光栅38与光纤26相连。

试验装置设置放空系统，当试验完毕需要对试验气直接放空在大气中，放空系统设置在室外。

本发明的自动控制系统方案：设置站控系统SCS和紧急截断系统ESD实现整个试验装置集中试验数据实时采集、监控。SCS 由试验控制中心（室）、相对独立并相互联系的过程控制系统、信号传输系统、现场检测仪表、管线泄漏检测系统等组成。ESD紧急关断系统控制试验装置入口管线关断，压缩机组等设备停运，各试验区域放空阀联动打开，气体紧急放空。

试验环道非测试段采用埋地保温敷设，管径为DN100（DN为公称直径，单位为mm）、管长为860m。

本发明可以实现：

（1）不同管输工况：压力范围0.01MPa～12MPa，温度范围为-30℃～65℃，设计流速2m/s～15m/s；

（2）不同管道施工温度和环境温度：温度范围为0℃～70℃；

（3）测试段区域能同时进行液化环境中9种不同管径/材质/钢级/壁厚的埋地管道在不同介质温度/内压/气体流速/安装温度/环境温度/埋深/土质/液化土长度下上浮反应试验，9条测试管段并联，可以组成多种试验测试方案，测试段管道埋深范围0.5m～2.5 m，管径变化范围Φ20～Φ600，壁厚4～25mm；

（4）不同震动强度或频率。

申明：本发明的说明书中的内容是为了更好的解释权利要求而非限制权利要求的保护范围，本发明所要求保护的范围以权利要求书为准，此外本领域技术人员在参考了说明书内容的基础上所做出的不必付出创造性劳动的改动也应落入本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种地震液化区管道上浮反应模拟试验装置包括顺序连接的试验气储存系统(A)、增压系统(B)、温度控制系统(C)、气体流量分配系统(D)、试验区(E)、气体流量汇集系统(G)；试验区(E)的下部连有液压站(H)和水储存系统(J)；自动控制系统对试验装置运行的全过程进行实时参数监测、设备控制、检测报警；其特征在于：气体流量分配系统(A)将空气储存在储气瓶(1)，储气瓶(1)直接向实验环道供气，增压系统(B)将储气瓶(1)中输出的气体增压，温度控制系统（C）调节增压后气体的温度，达到试验所需的压力和温度工况，气体流量分配系统(D)将调温后的气体分配给9条管道，之后将气体送入试验区(E)，气体流量汇集系统(G)将试验区(E)输出的气体进行汇集并调压。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：试验气体压力可调节范围为0.01MPa～12MPa。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：试验区(E)由固定支座(10)、弹簧(11)、激动装置(12)、试验箱(13)、孔隙水压力监测器(14)、加速度监测器(15)、温度调节器(51)、保温材料(52)、温度监测器(53)、挡板(54)、隔水垫(55)、固定卡槽(56)组成，水储罐(2)和离心泵串连后经输水管道与试验箱(13)的下底板中心相连，试验箱(13)下方装有多个激动装置(12)，激动装置(12)与试验箱(13)直接连接，每个激动装置(12)与固定支座(10)通过一个弹簧(11)连接，激动装置(12)提供的动力使箱体震动，试验箱内设有多个固定卡槽(56)用来固定2个固定挡板(54)，固定挡板(54)与试验箱(13)接触部位装有隔水垫(55)，每个固定挡板(54)装有9个隔水圈(57)，9条管道平行布置在试验箱(13)内并穿过隔水圈(57)，试验箱(13)内安装有温度调节器(51)来调节箱内温度，试验箱(13)外部包有保温材料(52)，砂土内有多个孔隙水压力监测器(14)、加速度监测器(15)和温度监测器(53)记录砂土的孔隙水压力、加速度和土壤的温度随时间的变化，平行于管道铺设三条光纤光栅应变监测器(17)监测管道应变，管道每隔一段长度布置一个位移传感器(49)和8个应力监测器(18)来记录管道实时位移和受力情况。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：试验箱(13)内温度可调范围为0℃～70℃。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：激动装置(12)内有三个偏心质量块(20)，液压站(H)提供的液压驱动力使三个偏心质量块(20)相向旋转产生激振力。

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于：孔隙水压力监测器(14)由中空管(22)、测量探头(23)、四棱锥探头(24)、安装耳(25)、光纤(26)、挡圈(27)、密封垫(28)、铠装光纤(46)、固定支架(47)组成，孔隙水压力监测器(14)上有多个测量探头(23)，可以实时测量不同深度的空隙水压力，测得的孔隙水压通过光纤(26)传递给计算机，测量器的下端是四棱锥探头(24)便于施工，中空管(22)设有多个安装耳(25)，中空管(22)一个侧面上留有与测量探头(23)的螺丝大小相匹配的丝孔，测量探头(23)通过螺丝连接的方式安装在中空管(22)上，并与中空管(22)内部的光栅(26)连接，在孔隙水压力监测器(14)的起始端有密封垫(28)防止水进入内部，挡圈(27)固定密封圈(28)，光纤(26)出口上有固定支架(47)，光纤(26)在监测器外部连有铠装光纤(46)。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：上述的测量探头(23)上有螺纹(40)，螺纹(40)尽头设有卡槽(33)，安装时配有密封垫(48)，保证其密封性，测量探头(23)端头有挡帽(29)，便于安装，测量探头(23)设有透水石(32)允许砂土中水进入中空室(43)，阻止砂土进入，透水石(32)的外端设有固定圈(30)和密封圈(31)起到固定和密封的作用，进入中空室(43)水的压力使活塞(41)产生滑动，活塞(41)与螺体(45)之间连有三个弹簧(36)，环形密封圈(42)保证中空室(43)里的水不进入活塞(41)的另一面，活塞(41)的移动会通过光栅(35)转化为光信号，并有温补光栅(38)与光栅(35)串联来减少温度对测量探头(23)的影响，温补光栅(38)的出口处有环形挡圈(37)和圆形密封圈(39)，保证测量探头(23)的密闭性，温补光栅(38)与光纤(26)相连。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：上述的2个相邻测量探头(23)之间的距离为20cm ～120cm。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于：上述的2个相邻安装耳(25)之间的距离为50cm ～140cm。

10.一种地震液化区管道上浮反应模拟试验方法，其包括以下步骤：

a、制作饱和土：调整实验箱内固定挡板的位置，将试验箱内加上砂土，用泵从水储罐往试验箱内缓缓加水至两挡板之间的砂土饱和；

b、调节试验箱内温度到试验所需的管道安装温度，并静止6个小时以上；

c、安装试验区管道；

d、调节试验箱内温度到试验所需的环境温度，并静止6个小时以上；

e、从试验气储存系统往实验环道通入实验气体，并使气体通过增压系统进行增压，使其达到试验所需的压力值；

f、对上述气体通过温度控制系统进行调温，使其达到试验所需的温度值；

g、对上述气体通过气体流量分配系统进行流量分配，使其按实验要求分给9条支管；

h、开启激动装置，上述气体进入试验箱内管段，分别进行相应条件下的试验；

i、将模拟试验后的气体经过气体流量汇集系统进行汇集并调压；

j、上述气体在与试验气储存系统中的气体储气筒进行压力互补后重复进行步骤e-i；

k、试验结束后气体进行放空处理。