CN108680326B - 一种海底管道落物撞击模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底管道落物撞击模拟试验方法，所采用的系统包括试验塔，试验管道支撑基础，落物组及其吊升释放机构，方法如下：将试验管道放置于预定的试验管道支撑基础上并进行固定，移动试验塔至目标试验管道上方；摇动旋转手柄，使吊缆能够提起落物组；微调试验塔的位置，将落物触头置于试验管道正上方，通过旋转调整导向杆和落物组至预定的偏转角度；摇动旋转手柄卷起吊缆，将落物组提升至预定高度；松开释放锁扣中螺钉和螺母的连接落物组在重力作用下发生自由落体运动，沿着预定的水平角度撞击试验塔下面的试验管道，完成一次落物撞击过程。本发明所采用的试验系统结构形式简单，容易加工、安装及拆除，建造成本较低，状态控制性能良好。

Description

一种海底管道落物撞击模拟试验方法

所属技术领域

本发明属于海洋油气工程开发、运营、维护的技术领域，涉及一种海底管道落物撞击模拟试验系统。

背景技术

二十一世纪是海洋的世纪，无论对于中国还是世界都是一个重要命题。海洋是新世纪人类赖以发展的新的重要的资源空间，加快进行海洋开发已经成为各个海洋国家的共识。以石油天然气为代表的产传统海洋资源，其开发技术日臻完善并不断深入拓展，可燃冰、海底矿藏等新型海洋资源也愈发引起工程开发者的重视。在海洋资源开发技术中，海底管道发挥着不可替代的作用，为保证经济效益和工程开发的持续进行提供了基础性条件。

然而，复杂的海洋环境，频繁的人类活动，使得日益庞大的海底管道系统随时面临着安全运行的风险和挑战。一旦发生管道结构损伤或破裂泄漏事故，很有可能会引发难以估量的环境污染、经济损失以及巨大的社会不良影响。根据以往发生管道损伤事故统计资料，坠落物撞击已经成为重要的风险源之一，并且在现有制度和技术水平上很难根除。因此，海底管道在坠落物撞击作用下的结构损伤变形规律具有重要的研究价值和实际工程意义。

对海底管道进行落物撞击实验是探索管道损伤规律的最直接、最可靠的研究手段，尤其是针对工程中实际使用的全尺寸管道。随着对管道损伤研究的需求不断增加，国内逐渐开展了落物撞击管道实验模拟研究。但是，很多试验系统只研究了准静态作用、缩尺比管件，或者存在撞击姿态控制不准、管道支撑形式单一、撞击接触形状类型有限等问题，使得试验研究工作始终具有一定的局限性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海底管道落物撞击模拟试验方法，能够在多种管道支撑条件下，如刚性平面支撑、刚性悬跨、土壤掩埋条件，对落物撞击全比尺海底管道进行模拟试验,并可以对海底管道在不同撞击质量、下落高度(撞击速度)、撞击姿态、接触形状的情况下进行落物撞击试验。该试验系统结构形式简单，容易加工、安装及拆除，建造成本较低，状态控制性能良好，可重复使用，有效降低试验的难度和成本。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种海底管道落物撞击模拟试验方法，所采用的试验系统，包括一个可移动式撞击试验塔，一套试验管道支撑基础，一套落物组及其吊升释放机构，其中，

可移动的撞击试验塔，包括钢制塔架和支撑塔架的四个塔轮，四个塔轮横跨在两根试验塔导轨上；

试验管道支撑基础，包括刚性支撑基础、悬跨支撑基础和土壤支撑基础三种，刚性支撑基础和悬跨支撑基础布置在基础钢板上，刚性支撑基础包括两组固定卡块，一根试验管道横卧在基础钢板上，两端各有一组固定卡块进行水平限位；所述悬跨支撑基础包括两组上固定压块、下固定压块和环形卡箍，试验管道的两端各通过一组上固定压块和下固定压块压紧限位，环形卡箍用以防止试验管道与上固定压块和下固定压块脱离；对于土壤支撑，试验管道埋设在土壤基础中，按照不同的试验需求埋设不同的深度；

吊升释放机构包括导向机构、吊缆、吊缆释放锁扣、两个定滑轮和起吊卷轴，所述的导向机构包括导向横梁、导向环和导向杆，导向横梁由导向环向两侧延伸，连接导向杆，所述导向环悬挂于悬吊块并可绕其旋转至不同角度，悬吊块固定于试验塔顶部，下部连接有第一定滑轮；在试验塔顶部角落设置有滑轮组块，包括固定于试验塔连接块及其下部的第二定滑轮；吊缆分别通过两个定滑轮连接到落物组和起吊卷轴；起吊卷轴包括普通挡板、齿轮挡板、转轴、固定框、旋转手柄和卡条，转轴悬跨在固定框两端，通过旋转手柄带动转轴；普通挡板和齿轮挡板固定于转轴，吊缆一端栓接在转轴上，随转轴转动收紧或放松吊缆；卡条一端铰接于试验塔，另一端能够在摇动旋转手柄时随时卡在齿轮挡板上，固定吊缆当前位置；吊缆的释放锁扣设置在吊缆预定长度处，吊缆分别连接在上吊环和下吊环上，螺钉分别穿过上吊环和下吊环上由螺母紧固，通过设置多个释放锁扣，改变锁扣释放位置，控制落物组下落高度；

落物组由吊缆提供吊升力，吊缆系缚于悬吊扣，焊接于固定压条上；固定压条、多层配重板以及带孔导向板由固定螺柱和固定螺母紧固于落物触头上形成落物组；

导向杆穿过带孔导向板的孔对落物组进行水平面内的限位，以控制落物组撞击试验管道时的姿态，试验方法包括：

(1)将试验管道放置于预定的试验管道支撑基础上并进行固定，移动试验塔至目标试验管道上方，拼装落物组，按照需要选择不同形状的落物触头，添加不同数量的配重板，将导向杆插入导向板的孔内；检查吊缆上的释放锁扣，保证其处于紧固状态；拴结吊缆一端至悬吊扣，另一端固定于起吊卷轴；摇动旋转手柄，使吊缆能够提起落物组；微调试验塔的位置，将落物触头置于试验管道正上方，通过旋转调整导向杆和落物组至预定的偏转角度；

(2)摇动旋转手柄卷起吊缆，将落物组提升至预定高度，过程中导向杆不发生水平面转动，吊缆中相应位置的释放锁扣下落至起吊卷轴上方，停止摇动旋转手柄，用卡条卡住齿轮挡板，保持系统处于静止状态；

(3)待上述过程完成后，松开释放锁扣中螺钉和螺母的连接，从吊环扣中拉出螺钉使上吊环与下吊环分开，吊物组在重力作用下发生自由落体运动，沿着预定的水平角度撞击试验塔下面的试验管道，完成一次落物撞击过程。

本发明提供了一种有效而经济地实现海底管道落物撞击过程模拟的试验方法，相比现有的技术具有以下优点：

(1)对于全比尺海底管道落物撞击试验，本试验方法能够有效模拟和控制不同管道基础条件下的支撑情况，包括刚性基础支撑、悬跨支撑以及不同深度的土壤支撑和覆盖情况，通过移动试验塔，实现对工程现实中的不同工况进行试验。通过试验塔塔轮限位卡板，可以有效控制试验塔在预定轨道上安全稳定移动。

(2)能够进行多种接触形状的落物撞击过程，包括平面接触、线接触、球面接触、尖点接触等，并通过落物下落导向杆有效控制落物在水平面内的撞击角度，实现水平面内不同撞击方向的撞击模拟试验。

(3)试验系统简便可靠，仅需人工进行机械操作，无需电力驱动。落物提升与释放机构简单、便捷、省力，操作过程只需在试验塔底部完成，无需登高操作，提高了试验过程的准确性和安全性。

附图说明

图1是全比尺海底管道落物撞击模拟实验系统主体结构轴测图。

图2是本发明中管道支撑基础结构示意图。

图3是本发明中试验塔塔轮结构示意图。

图4是本发明中导向杆与吊升结构示意图。

图5是本发明中释放锁扣结构示意图。

图6是本发明中起吊卷轴结构示意图。

图7是本发明中落物组结构示意图。

图中标号说明：

1：基础钢板；10：试验管道；11：试验塔导轨；12：上固定压块；13：土壤基础；14：下固定压块；15：环形卡箍；16：固定柱；17固定卡块；

2：试验塔塔轮；21：定向板；22：轮辐；23：轮缘；24：轮轴；

3：试验塔；

4：导向杆；41：导向环；42：导向横梁；

5：吊缆；51：上吊环；52：螺钉；53：下吊环；54：螺母；

6：悬吊块；

7：滑轮组块；71：定滑轮；72：连接块；

8：起吊卷轴；81：固定框；82：转轴；83：普通挡板；84：齿轮挡板；85：卡条；86：旋转手柄；

9：落物组；91：导向板；92：固定螺柱；93：固定螺母；94：固定压条；95：悬吊扣；96：配重板；97：落物触头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明全比尺海底管道落物撞击模拟试验系统，具体包括一个可移动式撞击试验塔，一套试验管道支撑基础，一套落物及其吊升释放机构。

该系统由三部分组成：一部分为可移动的撞击试验塔3，如图1所示，包括上部钢制塔架结构和下部四个试验塔塔轮2。试验塔塔轮2承担起整个塔架的重量并横跨在两根试验塔导轨11上，可在人为推动下沿着导轨进行移动以改变试验塔3的位置到不同的管道支撑场地。所述试验塔塔轮2由两侧的定向板21、轮辐22、钢制轮缘23以及轮轴24组成，其中所述定向板21将塔轮卡在试验塔导轨11两边，以固定塔轮的移动方向。

第二部分为试验管道支撑基础，包括刚性支撑基础，悬跨支撑基础和土壤支撑基础，如图2所示。刚性支撑基础由基础钢板1，试验管道10和四个独立的固定卡块17组成，试验管道10横卧在基础钢板1上，由四个固定卡块17进行水平限位，所述固定卡块17可由橡胶、木块等摩擦性较大材料制作。所述悬跨支撑基础中，试验管道10由上固定压块12和下固定压块14压紧限位，环形卡箍15卡住上下固定压块边上的固定柱16，防止管道与固定压块脱离。所述上固定压块12和下固定压块14为钢制材料。对于土壤支撑，试验管道10埋设在土壤基础13中，按照不同的试验需求埋设不同的深度。

第三部分为落物及吊升释放机构。如图7所示，落物组9由吊缆5提供吊升力，吊缆5系缚于悬吊扣95，焊接于固定压条94上。固定压条94、多层配重板96以及带孔导向板由固定螺柱92和固定螺母93紧固于落物触头97上形成落物组9，其中所述落物触头可以有不同形状，可以形成平面接触、线接触、球面接触、尖点接触等不同接触形状。导向杆4穿过导向板91的孔对落物组9进行水平面内的限位，以控制落物组9撞击试验管道10时的姿态。导向杆及吊升结构如图4所示，导向横梁42由导向环41向两侧延伸，连接导向杆4，所述导向环41悬挂于悬吊块6并可绕其旋转至不同角度。悬吊块固定于试验塔3顶部，下部连接有定滑轮71。在试验塔3顶部角落设置有另一滑轮组块7，包括固定于试验塔3连接块72及其下部定滑轮71。吊缆5分别通过两个定滑轮71连接到落物组9和起吊卷轴8。起吊转轴8如图6所示，转轴82悬跨在固定框81两端，可通过旋转手柄86带动转轴82。普通挡板83和齿轮挡板84固定于转轴82，吊缆5一端栓接在转轴82上，随转轴82转动收紧或放松吊缆5。卡条85一端铰接于试验塔3，另一端可在摇动旋转手柄86时随时卡在齿轮挡板84上，固定吊缆当前位置。吊缆5释放锁扣如图5所示，设置在吊缆5预定长度处。吊缆5分别连接在上吊环51和下吊环53上，螺钉52分别穿过两个吊环，由螺母54紧固。通过设置多个释放锁扣，改变锁扣释放位置，可以有效控制落物组9下落高度。

下面结合附图说明全比尺海底管道落物撞击模拟试验系统的实施过程：

(1)将试验管道10放置于预定的试验基础上，通过不同的限位附件进行固定，如图2所示。移动试验塔3至目标试验管道10上方。拼装落物组9，按照需要选择不同形状的落物触头97，添加不同数量的配重板96，旋紧固定螺柱92和固定螺母93，将导向杆4插入导向板91的孔内。检查吊缆5上的释放锁扣，保证其处于紧固状态。拴结吊缆5一端至悬吊扣95，另一端固定于起吊卷轴8。适当摇动旋转手柄86，使吊缆5能够稍稍提起落物组9。微调试验塔3的位置，将落物触头97置于试验管道10正上方，通过旋转调整导向杆4和落物组9至预定的偏转角度。

(2)待上述过程完成后，摇动旋转手柄86卷起吊缆5，将落物组9提升至预定高度，过程中导向杆不发生水平面转动。吊缆5中相应位置的释放锁扣下落至起吊卷轴8上方，停止摇动旋转手柄86，用卡条85卡住齿轮挡板84，保持系统处于静止状态。

(3)待上述过程完成后，松开释放锁扣中螺钉52和螺母54的连接，从吊环扣中拉出螺钉52使上吊环与下吊环分开，吊物组9在重力作用下发生自由落体运动，沿着预定的水平角度撞击试验塔3下面的试验管道10，完成了本次落物撞击过程。

Claims (1)

1.一种海底管道落物撞击模拟试验方法，所采用的试验系统，包括一个可移动式撞击试验塔，一套试验管道支撑基础，一套落物组及其吊升释放机构，其中，

可移动的撞击试验塔，包括钢制塔架和支撑塔架的四个塔轮，四个塔轮横跨在两根试验塔导轨上；

试验管道支撑基础，包括刚性支撑基础、悬跨支撑基础和土壤支撑基础三种，刚性支撑基础和悬跨支撑基础布置在基础钢板上，刚性支撑基础包括两组固定卡块，一根试验管道横卧在基础钢板上，两端各有一组固定卡块进行水平限位；所述悬跨支撑基础包括两组上固定压块、下固定压块和环形卡箍，试验管道的两端各通过一组上固定压块和下固定压块压紧限位，环形卡箍用以防止试验管道与上固定压块和下固定压块脱离；对于土壤支撑，试验管道埋设在土壤基础中，按照不同的试验需求埋设不同的深度；

吊升释放机构包括导向机构、吊缆、吊缆释放锁扣、两个定滑轮和起吊卷轴，所述的导向机构包括导向横梁、导向环和导向杆，导向横梁由导向环向两侧延伸，连接导向杆，所述导向环悬挂于悬吊块并可绕其旋转至不同角度，悬吊块固定于试验塔顶部，下部连接有第一定滑轮；在试验塔顶部角落设置有滑轮组块，包括固定于试验塔连接块及其下部的第二定滑轮；吊缆分别通过两个定滑轮连接到落物组和起吊卷轴；起吊卷轴包括普通挡板、齿轮挡板、转轴、固定框、旋转手柄和卡条，转轴悬跨在固定框两端，通过旋转手柄带动转轴；普通挡板和齿轮挡板固定于转轴，吊缆一端栓接在转轴上，随转轴转动收紧或放松吊缆；卡条一端铰接于试验塔，另一端能够在摇动旋转手柄时随时卡在齿轮挡板上，固定吊缆当前位置；吊缆的释放锁扣设置在吊缆预定长度处，吊缆分别连接在上吊环和下吊环上，螺钉分别穿过上吊环和下吊环上由螺母紧固，通过设置多个释放锁扣，改变锁扣释放位置，控制落物组下落高度；

落物组由吊缆提供吊升力，吊缆系缚于悬吊扣，焊接于固定压条上；固定压条、多层配重板以及带孔导向板由固定螺柱和固定螺母紧固于落物触头上形成落物组；

导向杆穿过带孔导向板的孔对落物组进行水平面内的限位，以控制落物组撞击试验管道时的姿态，试验方法包括：

(1)将试验管道放置于预定的试验管道支撑基础上并进行固定，移动试验塔至目标试验管道上方，拼装落物组，按照需要选择不同形状的落物触头，添加不同数量的配重板，将导向杆插入导向板的孔内；检查吊缆上的释放锁扣，保证其处于紧固状态；拴结吊缆一端至悬吊扣，另一端固定于起吊卷轴；摇动旋转手柄，使吊缆能够提起落物组；微调试验塔的位置，将落物触头置于试验管道正上方，通过旋转调整导向杆和落物组至预定的偏转角度；

(2)摇动旋转手柄卷起吊缆，将落物组提升至预定高度，过程中导向杆不发生水平面转动，吊缆中相应位置的释放锁扣下落至起吊卷轴上方，停止摇动旋转手柄，用卡条卡住齿轮挡板，保持系统处于静止状态；

(3)待上述过程完成后，松开释放锁扣中螺钉和螺母的连接，从吊环扣中拉出螺钉使上吊环与下吊环分开，吊物组在重力作用下发生自由落体运动，沿着预定的水平角度撞击试验塔下面的试验管道，完成一次落物撞击过程。