CN110196156A - 一种深海管线复杂荷载联合加载试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海管线复杂荷载联合加载试验方法，用于对试验管件进行荷载加载，所采用的试验系统包括多种荷载加载装置：扭力加载装置、轴向拉压加载装置；前端静压弯矩加载装置和尾端静压弯矩加载装置；侧向振动加载装置。试验方法如下：试验管件安装；水密性和气密性检验；舱体水密加压；高温高压内流外部高水压复杂载荷联合加载试验：根据试验的目的性，单独施加五种不同的载荷，水压、轴力、弯矩、振动、扭转载荷或进行联合施加。

Description

一种深海管线复杂荷载联合加载试验方法

技术领域

本发明涉及一种深海管线复杂载荷联合加载试验方法，可以实现对全尺寸海底管线模型 施加高压作用下的轴向拉压、扭力、弯矩、侧向振动等复杂载荷的联合作用，模拟海底管线 在安装和服役期间的复杂海况，接近真实作业环境，校核极限工况下的构件极限承载力，为 深海管线的设计和安装提供参考。

背景技术

深海管线作为油气资源的主要运输方式，其设计建造涉及的关键核心技术亟待解决。深 海管线所处环境复杂，在制造、运输、安装和服役过程中不确定因素多，产生的缺陷将成为 导致管道破坏失效的重要因素。海底管线一旦发生破坏，会给经济和环境带来严重损失，必 须进行管道材料性能和局部稳定性的全尺寸试验，通过模型试验的方法研究海底管线在复杂 海况下的极限承载力，建立一套完整的计算海底管道极限承载力的评价标准，探究管线的主 要失效模式及其失效机理，优化管线的设计和制造，加速我国海洋工程发展。本发明的试验 方法能够完成全尺寸深水管道的试验，并且能够有效施加轴向拉压、扭力、弯矩、侧向振动 及外压荷载的联合作用，在国际具有领先水平，填补了国内空白，实现真正意义上的海底管 道极限作业环境的模拟，为我国海洋工程领域结构物的安装和安全校核提供试验支撑和技术 积累。现今国内外在深海压力舱复合加载试验方法存在的不足之处主要有：

1.现有深水压力舱功能单一，仅考虑外部水压载荷作用下的拉压和扭转，不能满足实 际复杂工况中多种载荷的联合加载，工程应用价值已不足；

2.振动载荷在铺管作业和输油管线中是必须考虑的重要因素，国内外鲜有针对全尺寸 管件的振动试验，本试验方法能够为全面分析海底管道力学性能提供更加全面的试验参考；

3.现有的深水压力舱(缩尺比)振动荷载加载单一，通过侧向振动荷载加载装置对试 验管件进行侧向振动力的加载，仅实现了简单的点振动加载，未能进行面振动及整体振动荷 载的加载，无法模拟地震、海啸等复杂海况。

国内已有试验装置(如专利申请号：CN201110008538.3)，开创性地实现了全尺寸管线 的试验，但也只是外在载荷的单一施加，并不能实现多种载荷的联合作用。国内已有试验装 置(如专利申请号：CN2016100646291)，是一种缩尺比深水海底管道复杂联合加载试验装 置，实现了缩比尺管道试件轴向拉压、振动、扭转及外压荷载的联合作用，但是该装置是缩 比尺试验装置，提供了近似模拟结果，与深海管线所处的实际海况存在一定差异，其次，该 试验装置上的振动荷载仅能进行点振动的加载，无法实现面振动加载，以及模拟埋地管道的 耦合效应。

发明目的

本发明的目的在于依托一套水压-液压加载系统及各荷载加载装置完成深海管线的外 压、轴向力、扭力、弯矩和侧向振动的联合载荷加载，克服现有技术上无法实现多种外部荷 载联合作用的不足，实现全尺寸深海油气输送系统的动力特性模拟，还原深海油气输送结构 在安装和服役期间的真实作业环境。技术方案如下：

一种深海管线复杂荷载联合加载试验方法，用于对试验管件进行荷载加载，试验管件前 端固定连接有前端密封法兰，试验管件后端固定连接有尾端密封法兰，所采用的加载系统包 括舱体主体，舱体支撑鞍座、试验连接轴以及试验管件的固定装置，所述的试验系统包括多 种荷载加载装置：扭力加载装置、轴向拉压加载装置；前端静压弯矩加载装置和尾端静压弯 矩加载装置；侧向振动加载装置；其特征在于，

利用螺母分别对前端密封法兰和尾端密封法兰与试验连接轴进行连接；

侧向振动加载装置包括两套振动加载装置：

第一套振动加载装置包括振动抱箍或振动触点、振动伺服液压油缸、振动加载连接杆和 振动加载连接轴，其中，振动加载连接杆与振动抱箍或振动触点可拆卸地固定连接，通过振 动加载连接轴将振动伺服液压油缸的力施加于振动加载连接杆进而传递到振动抱箍或振动 触点，振动抱箍用以将振动加载连接杆与试验连接轴相连接；

第二套振动加载装置包括球形连接槽、振动加载连接杆、振动施力杆和振动加载环，使 用时试验管件被固定在管土作动筒内部，振动加载环用以紧锁管土作动筒，球形连接槽一端 与振动加载环固定连接，另一端连接振动加载连接杆，振动施力杆与振动加载连接杆可拆卸 地固定连接；

试验方法如下：

(1)试验管件安装；

(2)水密性和气密性检验；

(3)舱体水密加压

(4)高温高压内流外部高水压复杂载荷联合加载试验：根据试验的目的性，单独施加 五种不同的载荷，水压、轴力、弯矩、振动、扭转载荷或进行联合施加，联合加载试验方法如下：

a.利用外部高温高压水泵设备，经由高温高压水进孔向试验管件内部注入高温高压 水，并通过高温高压输出孔重新输出至高温高压水泵设备完成循环，模拟管线实际运营状态， 温湿传感器用于监测高温高压水出时的温度湿度，确保试验设备正常工作；

b.利用水压系统提供外压，配合液压加载泵站控制轴力扭力静压弯矩侧向振动加载提 供不同的复杂荷载，完成对试件的静力和动力性能试验。

其中，第一套振动加载装置有两种加载形式：

1)模拟振动疲劳试验：使用振动抱箍紧锁试验管件，启动振动伺服液压油缸施加随机 荷载或正余弦等规则荷载，通过调节振动加载连接轴进行试验管件的不同振动频率的荷载加 载，完成疲劳振动试验；

2)模拟落物撞击试验：利用振动触点代替振动抱箍，使振动触点与试验管件直接进行 点、面的振动荷载的施加，模拟落物撞击；

第二套振动加载装置的加载形式如下：关闭其他孔，仅利用注水孔往舱体内注水，注水 完毕后静置一段时间，待试验管件内土体为饱和水状态后，启动振动伺服液压油缸，施加不 同类型的地震荷载，通过振动施力杆带动试验管件、管内土体和管土作动筒运动完成试验。

本发明利用压力舱水压加载系统完成了试验管件外压的施加，利用液压加载泵站系统控 制轴力加载装置、扭力加载装置、静压弯矩加载装置和振动装置分别完成了试验管件轴力、 扭力、弯矩和振动载荷的施加。本发明流程简便，实用性强，依托于一套水压-液压加载系 统及各荷载加载装置，实现外压、轴向力、扭力、弯矩和振动的联合作用，模拟深海管线在 复杂条件荷载下的工作状态，保障其在水下环境安装及作业的安全，研究深海管线的屈曲原 理和力学性能，为深海工程提供有力技术支撑。与国内外现有技术相比具有以下的优点：

(1)本发明的新型全尺寸深海管线复杂载荷加载试验方法，可以真实还原深海管线在 安装及服役期间的作业环境，模拟可能出现的各种工况，为深水油气输送系统设计及安装提 供技术支持。

(2)实现了深海管线的侧向振动荷载的加载，突破技术壁垒，通过激震装置实现径向 面振动或点振动荷载的同时加载，能够定量模拟落物对管线的撞击效应，还可以结合振动抱 箍实现埋地管线的耦合振动加载。

(3)实现了外压-轴向力-扭力-弯矩-振动载荷的联合加载，得到深海管线在各种工况下 的极限承载力，振动荷载频率最高可达40Hz，可输出不同振动荷载包括随机荷载和正余弦 等规则荷载。

(4)实现了深海压力舱试验操作流程的简化，利用水压系统提供外压，配合液压加载 系统控制的轴力-扭力-弯矩-振动加载装置，可以模拟地震海啸等不同的复杂海况荷载，完成 对试件的动力性能试验，操作简单，容错率高。

附图说明

图1试验系统整体布置图

图中标号说明：1-1—舱盖；1-2—扭力加载装置；1-3—齿条连接杆；1-4—紧固螺栓； 1-5—密封圈；1-6—排气阀；1-7—加速器传感器；1-8—试验管件；1-9—舱体主体；1-10— 注水阀；1-11—尾端密封法兰；1-12—加压阀；1-13—舱体尾部；1-14—温湿传感器；1-15— 尾端密封装置；1-16—高温高压水出孔；1-17—数据采集孔；1-18—尾端支撑鞍座；1-19— 排水阀；1-20—静压弯矩加载油缸；1-21—加热器；1-22—水箱；1-23—水泵；1-24—振动 加载装置；1-25—静压弯矩加载装置；1-26—前端支撑鞍座；1-27—前端密封法兰；1-28— 试验连接轴；1-29—高温高压水进孔；1-30—轴向拉压加载装置。

图2舱盖处的扭力加载装置及轴力加载装置

图中标号说明：1-2—扭力加载摆动双向油缸；1-3—齿条连接杆；1-30—轴向拉压加载 油缸；2-1—水压均衡管；2-2—轴力加载液压外伸活塞杆；2-3—轴力加载液压连接器；2-4— 轴向拉压加载液压油缸。

图3第一套振动加载装置的第一种使用状态

图中标号说明：3-1—振动抱箍；3-2—振动连接杆；3-3—振动连接轴；3-4—振动伺服 液压油缸；3-5—加速度传感器；3-6—加速度传感器安装抱箍；1-8—试验管件

图4第一套振动加载装置的第二种使用状态

图中标号说明：4-1—振动触点；3-2—振动连接杆；3-3—振动连接轴；3-4—振动伺服 液压油缸；3-5—加速度传感器；1-8—试验管件

图5第二套振动加载装置模拟地震荷载的埋深管道侧向图

图中标号说明：5-1—球形连接槽；5-2—振动加载杆；5-3—振动施力杆；5-4—管内土 体；5-5—管土作动筒；5-6—管体内部高温输送油(水)；5-7—振动加载环；1-8—试验管件。

具体实施方式

海底管道在安装及其服役期间会遇到各种复杂工况，受到复杂载荷的联合作用，为实现 全尺寸管件在复杂载荷联合作用下的试验，模拟海底管道在真实工况环境下的极限承受能 力，同时为工程实际提供可靠的技术数据和有效的经验积累。考虑了地震、海啸等复杂海况 引起的振动载荷，提供了一种海底管道复杂载荷联合加载试验方法。本专利不仅能够接近真 实的模拟深海复杂载荷工况，还能有选择性的进行单一或多种载荷的联合作用，全面分析海 底管道的局部稳定性和受力情况。下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述：

本发明的深海管线复杂荷载联合加载试验系统，包括舱体主体1-9用于试验管件1-8外 压水压加载，舱体支撑鞍座(1-26和1-18)保证试验系统稳定，在舱体主体1-9上设置有数 据采集孔1-17、排气阀1-6、注水阀1-10、加压阀1-12、排水阀1-19，在舱体主体1-9内设 置有试验管件1-8的固定装置：试验管件1-8后端焊接尾端密封法兰1-11通过螺母连接舱体 尾部1-13和前端焊接前端密封法兰1-27通过螺母连接试验连接轴1-28，使端面与环状径向 密封装置贴紧。该试验系统还包括四种荷载加载装置：扭力加载装置1-2和轴向拉压加载装 置1-30位于舱盖1-1；前端静压弯矩加载装置1-20和尾端静压弯矩加载装置1-25；侧向振 动加载装置；

侧向振动加载装置包括两套振动加载装置，第一套振动加载装置1-24如图3和图4所 示，第二套振动加载装置如图5所示。

第一套振动加载装置1-24包括振动抱箍3-1、振动伺服液压油缸3-4、振动加载连接杆 3-2、振动加载连接轴3-3、加速度传感器3-5和加速度传感器安装抱箍3-6和振动触点4-1。 振动加载连接杆3-2与振动抱箍3-1利用螺丝固定连接(可拆卸)，试验时通过振动加载连 接轴3-3将振动伺服液压油缸3-4的力施加于振动加载连接杆3-2进而传递到振动抱箍3-1。 振动加载连接轴3-3具有调节施力大小的功能。

第一套振动加载装置有两种加载形式：

1)模拟振动疲劳试验。使用振动抱箍3-1紧锁试验管件1-8，在舱体内注水加压模拟深 水环境，启动振动伺服液压油缸3-4施加随机荷载或正余弦等规则荷载，通过调节振动加载 连接轴3-3进行试验管件1-8的不同振动频率的荷载加载，完成疲劳振动试验。

2)模拟落物撞击试验。利用振动触点4-1代替振动抱箍3-1，使振动触点4-1与试验管 件1-8直接进行点、面的振动荷载的施加，模拟落物撞击，通过振动加载连接轴3-3调节施 加力的大小来模拟不同高度落物情况。

第二套振动加载装置包括球形连接槽5-1、振动加载连接杆3-2、振动施力杆5-2和振动 加载环5-6。模拟地震、海啸等极端海况，尤其是模拟埋地管道的地震荷载时，需要进行如 图5所示操作。试验对象为：安装在有不同材质土体5-3的管土作动筒5-4内部中的试验管 件1-8。利用振动加载环5-6紧锁管土作动筒5-4，保证土体5-3在试验过程中不发生散落。 球形连接槽5-1一端焊接在振动加载环5-6，一端连接振动加载连接杆3-2。振动施力杆5-2 与振动加载连接杆3-2利用螺丝固定连接(可拆卸)。试验开始时，关闭其他孔，仅利用注 水孔往舱体内注水，注水完毕后静置一段时间，待试验管件内土体5-3为饱和水状态后，启 动振动伺服液压油缸3-4，施加不同类型的地震荷载，通过振动施力杆5-2带动整个试验对 象(试验管件1-8、管内土体5-3和管土作动筒5-4)运动完成试验。为了真实模拟实际服役 时的海底管线，在试验管件1-8内部输送高温油或者水5-5。

试验期间需要注意：

1)试验管件安装

将试验管件1-8切割至指定长度，试验管件1-8前后端分别焊接尾端密封法兰1-11和前 端密封法兰1-27以便与试验系统通过试验连接轴1-28连接，振动抱箍3-1紧锁试验管件1-8， 试验管件上安装了若干加速器传感器1-7，然后将试验管件1-8送进舱内1-9，利用螺母分别 对前端密封法兰1-26和尾端密封法兰1-11与试验连接轴1-28进行连接，使端面与环状径向 密封装置贴紧。启动装置，使试验管件1-8固定在舱体内，通过液压加载泵站打开端盖自动 启闭装置，关闭舱盖1-1，进行密闭处理。

2)水密性和气密性检验

实验前需要对舱体进行水密性和气密性检测，确保试验安全进行。对主舱体内进行低压 注水操作，关闭主舱体上的排水阀1-18和加压阀1-12，打开排气阀1-6，通过注水阀1-10 向舱内注水，待排气阀1-6处有均匀的水流排出后，依次关闭排气阀1-6和注水阀1-10，使 舱内充满水。

3)舱体水密加压

为了模拟深海管线实际的工作环境，实验前根据需要试验的水深对舱体进行水密加压。 利用加压泵等辅助设备从加压阀1-12对舱体主体1-9内部进行加压，达到设定的压力值即 可停止加压。随后可以进行全尺寸试验管件1-8在不同联合载荷作用下的静力及动力学试 验。

4)高温高压内流-外部高水压-复杂载荷联合加载试验方法

根据试验的目的性，可以单独施加五种不同的载荷，水压、轴力、弯矩、振动、扭转载 荷，也可以联合施加。施加载荷的时间和大小可以自由控制，增加了载荷施加的灵活和方便 性。

为真实还原深海管线在安装及服役期间的作业环境，模拟可能出现的各种工况，引入高 温高压内流、外部高水压以及复杂载荷，实现了高温高压内流、外部高水压以及复杂载荷联 合加载，提供在役深海埋地管道在地震载荷下的近似模拟试验方法。利用外部高温高压水泵 设备(主要由加热器1-21、水箱1-22和水泵1-23组成)，经由高温高压水进孔1-29向试验 管件1-8内部注入高温高压水5-6，并通过高温高压输出孔1-16重新输出至高温高压水泵设 备完成循环，模拟管线实际运营状态，温湿传感器1-14用于监测高温高压水出时的温度湿 度，确保试验设备正常工作。利用水压系统提供外压，配合液压加载泵站控制轴力-扭力-静 压弯矩-侧向振动加载装置提供不同的复杂荷载，完成对试件的静力和动力性能试验，实现 了深海压力舱试验操作流程的简化，操作简单，容错率高，不需要再增加额外的设备。

Claims (4)

1.一种深海管线复杂荷载联合加载试验方法，用于对试验管件进行荷载加载，试验管件前端固定连接有前端密封法兰，试验管件后端固定连接有尾端密封法兰，所采用的试验系统包括舱体主体，舱体支撑鞍座、试验连接轴以及试验管件的固定装置，所述的试验系统还包括多种荷载加载装置：扭力加载装置、轴向拉压加载装置；前端静压弯矩加载装置和尾端静压弯矩加载装置；侧向振动加载装置；其特征在于，

利用螺母分别对前端密封法兰和尾端密封法兰与试验连接轴进行连接；

侧向振动加载装置包括两套振动加载装置：

第一套振动加载装置包括振动抱箍或振动触点、振动伺服液压油缸、振动加载连接杆和振动加载连接轴，其中，振动加载连接杆与振动抱箍或振动触点可拆卸地固定连接，通过振动加载连接轴将振动伺服液压油缸的力施加于振动加载连接杆进而传递到振动抱箍或振动触点，振动抱箍用以将振动加载连接杆与试验连接轴相连接；

第二套振动加载装置包括球形连接槽、振动加载连接杆、振动施力杆和振动加载环，使用时试验管件被固定在管土作动筒内部，振动加载环用以紧锁管土作动筒，球形连接槽一端与振动加载环固定连接，另一端连接振动加载连接杆，振动施力杆与振动加载连接杆可拆卸地固定连接；

试验方法如下：

(1)试验管件安装；

(2)水密性和气密性检验；

(3)舱体水密加压

(4)高温高压内流外部高水压复杂载荷联合加载试验：根据试验的目的性，单独施加五种不同的载荷，水压、轴力、弯矩、振动、扭转载荷或进行联合施加，联合加载试验方法如下：

a.利用外部高温高压水泵设备，经由高温高压水进孔向试验管件内部注入高温高压水，并通过高温高压输出孔重新输出至高温高压水泵设备完成循环，模拟管线实际运营状态，温湿传感器用于监测高温高压水出时的温度湿度，确保试验设备正常工作；

b.利用水压系统提供外压，配合液压加载泵站控制轴力扭力静压弯矩侧向振动加载提供不同的复杂荷载，完成对试件的静力和动力性能试验。

2.根据权利要求所述的试验方法，其特征在于，第一套振动加载装置有两种加载形式：

1)模拟振动疲劳试验：使用振动抱箍紧锁试验管件，启动振动伺服液压油缸施加随机荷载或正余弦等规则荷载，通过调节振动加载连接轴进行试验管件的不同振动频率的荷载加载，完成疲劳振动试验；

2)模拟落物撞击试验：利用振动触点代替振动抱箍，使振动触点与试验管件直接进行点、面的振动荷载的施加，模拟落物撞击。

3.根据权利要求所述的试验方法，其特征在于，第二套振动加载装置的加载形式如下：关闭其他孔，仅利用注水孔往舱体内注水，注水完毕后静置一段时间，待试验管件内土体为饱和水状态后，启动振动伺服液压油缸，施加不同类型的地震荷载，通过振动施力杆带动试验管件、管内土体和管土作动筒运动完成试验。

4.根据权利要求所述的试验方法，其特征在于，在舱体主体上设置有数据采集孔、排气阀、注水阀、加压阀和排水阀。