CN111537434A - 一种跨地震断层埋地管道试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨地震断层埋地管道试验装置，用于模拟埋地管道在地震断层作用下的变形过程与受力情况，借助本装置对埋地管道施加断层类型的土壤外载荷。其中包括依次排列布置的竖向移动箱体、固定箱体与水平移动箱体，分别组成正(逆)断层与走滑断层试验装置。试验管道沿箱体长度方向布置并贯穿三个箱体。箱体上加装倾角调节蜗轮，通过步进电机带动蜗杆蜗轮机构，实现正、逆断层的转变以及对断层倾角的调节。竖向移动箱体由液压缸举升，水平移动箱体置于限位钢轨上，通过侧面液压缸推动。本发明能够模拟正、逆和走滑三种断层类型，还能够实现对断层倾角的模拟研究，适应性较强。

Description

一种跨地震断层埋地管道试验装置

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气领域中跨断层埋地管道实验装置，适用于模拟埋地管道在地震断层作用下的变形过程与受力情况，借助本装置对埋地管道施加断层类型的土壤外载荷，具体是一种管土模型试验装置。

背景技术

管道作为石油、天然气最有效的运输方式之一，具有占地面积小、不影响交通和小型地面作业等特点。油气管道输送距离长，沿线地质环境复杂多变，某些管段可能遭遇地震断层等地质灾害，而由剧烈地质灾害所引起的岩土活动极易造成管道变形和断裂。根据断层两盘相对运动关系，可将其分为正断层、逆断层、走滑(平移)断层等不同类型，不同类型断层对埋地管道的破坏方式具有很大差异。国内外现有的模拟断层下管土相互作用的试验装置主要是针对单一断层进行试验研究，且极少对断层倾角(断层面与上盘顶面之间的夹角)的变化进行研究，具有很大局限性。因此，设计一种适应性更强的断层管土试验装置具有重要意义。

发明内容

本发明的目的：为了克服现有跨地震断层埋地管道试验装置模拟断层类型单一，且极少对断层倾角研究的问题，提供一种适应性更强的多类型断层管土试验的装置。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种跨地震断层埋地管道试验装置，包括竖向移动土箱、固定土箱、水平移动土箱。移动土箱与固定土箱均由方钢管型材焊接主体结构，箱壁由钢板拼成，同时在土箱侧壁焊接加强筋。固定土箱锚固在地面固定支座上，竖向、水平移动土箱分别安装于固定土箱左右两边，沿固定土箱长度方向排成一排，试验管道沿土箱长度方向布置并贯穿三个土箱；通过销轴一将所述竖向移动土箱与倾角调节蜗轮左一联接，通过销轴二将所述固定土箱与倾角调节蜗轮左二联接，通过销轴三将固定土箱、水平移动土箱、倾角调节蜗轮右一、右二、右三、右四铰接在同一旋转轴；倾角调节蜗轮使用卡子与各自土箱固定，并用螺母锁紧；所述竖向移动土箱底部通过铰链与双杆双作用液压缸顶部液压杆联接，液压缸壁焊接支架，缸壁支架上安装限位滚轮一，限位滚轮一下方安装带导槽钢轨支座；水平移动土箱底部装有限位滚轮二，其在限位钢轨上运动，带导槽钢轨支座与限位钢轨均锚固于地面。

竖向与水平移动土箱一侧截面倾角切割为45°，固定土箱两侧截面倾角均切割为45°。

倾角调节蜗轮左一与左二均含两件，使用拉杆一联接后分别安装在竖向移动土箱与固定土箱左侧，并在两蜗轮挡土板导槽中安装挡土板；倾角调节蜗轮右一与右三通过拉杆二联接后安装在固定土箱右侧，并在倾角调节蜗轮右一与拉杆二之间焊接挡土板三；倾角调节蜗轮右二与右四通过拉杆三联接后安装在水平移动土箱上，并在倾角调节蜗轮右二与拉杆三之间焊接挡土板四；倾角调节蜗轮左一与左二沿径向加工有相配合的燕尾槽，拉杆二与拉杆三上加工有相配合的燕尾槽。

4个单独的双杆双作用液压缸上共同实现竖向移动土箱的举升，液压缸壁通过钢条与固定土箱左侧的倾角调节蜗轮左二铰接，与竖向移动土箱底部的铰接孔共同构成平行四边形机构的顶点，使得液压缸偏转角度与断层倾角相等；底部液压杆连接杠杆机构，杠杆支点位于缸壁支架上，杠杆另一端安装橡胶轮，橡胶轮可在带导槽钢轨支座上沿导槽滚动，橡胶轮共两组，两组橡胶轮分别置于带导槽钢轨支座两侧槽内。

动力传动装置包括步进电机、直齿圆锥齿轮、V带轮、V带、蜗杆，步进电机轴上安装直齿圆锥齿轮，带动动力过渡轴旋转，动力过渡轴上安装有V带轮，通过V带将动力传递到蜗杆轴上。

侧面液压缸底座加工4个通孔，侧面液压缸缸体焊接法兰盘，通过螺栓与液压缸支承架联接，减小支承跨距，所述侧方液压缸活塞杆用螺纹联接球铰杆，通过球铰推动水平移动土箱，所述液压缸支承架使用统一规格的工字钢焊接而成，并通过地脚螺栓固定在地面。

本发明具有的有益效果是：1、本发明借助两个活动土箱与一个固定土箱，并与倾角调节蜗轮的适当组合，实现了对正(逆)断层与走滑断层的模拟，能够在同一试验装置上完成三种类型的断层试验。2、本发明采用步进电机带动蜗杆调节蜗轮旋转角度，可实现断层倾角的无极调节，并且利用蜗轮蜗杆机构的自锁特性，确保调整后的断层倾角不会在试验过程中发生改变。3、在液压缸组中利用钢条将液压缸缸体与倾角调节蜗轮联接起来，铰接点构成平行四边形机构的顶点，使液压缸偏转角度与断层线倾角相等，避免了起升过程发生运动干涉现象。4、倾角调节蜗轮径向与拉杆上加工了燕尾槽，兼并导向与限位作用，使实验过程更加平稳。

附图说明

图1为本发明进行正断层与走滑断层试验时，竖向移动土箱与水平移动土箱运动示意图。

图2为本发明竖向移动土箱倾角调整组件结构简图。

图3为本发明固定土箱左侧倾角调整组件结构简图。

图4为本发明所述钢条结构简图。

图5为本发明所述双杆双作用液压缸结构简图。

图6为本发明进行逆断层试验时，竖向移动土箱运动示意图。

图7为本发明固定土箱右侧倾角调整组件结构简图。

图8为本发明水平移动土箱倾角调整组件结构简图

图9为本发明所述液压缸支承架结构简图。

图10为本发明所述侧面液压缸结构简图。

图11为本发明所述球铰结构剖视图。

图12为本发明所述动力与传动装置布局图。

图中：1.带导槽钢轨支座；2.钢条；3.双杆双作用液压缸；301.橡胶轮；302.限位滚轮一；303.杠杆机构；304.连杆；305.底部液压杆；306.顶部液压杆；307.缸壁销轴；308.缸壁支架；4.竖向移动土箱；5.卡子；6.倾角调节蜗轮左一；7.倾角调节蜗轮左二；8.蜗杆；9.步进电机；10.固定土箱；11.固定支座；12.倾角调节蜗轮右一；13.倾角调节蜗轮右二；14.液压缸支承架；1401.外侧挡板；1402.内侧挡板；1403.工字钢；15.侧面液压缸；1501.液压缸底座；1502.法兰盘；1503.球铰杆；1504.内六角螺钉；1505.球铰盖板；1506.球铰底座；16.水平移动土箱；17.限位钢轨；18.拉杆一；19.挡土板导槽；20.挡土板一；21；销轴一；22.挡土板二；23.销轴二；24.销轴三；25.挡土板三；26.倾角调节蜗轮右三；27.拉杆二；28.倾角调节蜗轮右四；29.挡土板四；30.拉杆三；31.直齿圆锥齿轮；32.过渡轴；33.V带轮；34.V带；35.限位滚轮二；36.拉杆四

具体实施方式

本发明不受下述实施实例的限制，可以根据本发明的技术方案和实际情况来确定具体的实施方式。下面结合图1～12对本发明作以下描述。上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布局方向来确定的。装置长度方向箱体的中心线为对称中心的两侧，所述外侧为附图1液压缸支承架的一侧，反之为内侧。

实施例1：正、逆断层试验过程

如图1～图4所示，固定土箱10锚固在固定支座11上。固定土箱10左侧安装倾角调节蜗轮左二7，竖向移动土箱4安装倾角调节蜗轮左一6。倾角调节蜗轮左一6与左二7均含两件，分别布置于竖向移动土箱4和固定土箱10两侧面，两件倾角调节蜗轮左一6与左二7均通过拉杆一18联接。倾角调节蜗轮左一6与左二7之间沿径向加工有燕尾槽，装配后两蜗轮能够沿径向滑动。使用销轴一21穿过竖向移动土箱4与倾角调节蜗轮左一6，销轴二23穿过固定土箱10与倾角调节蜗轮左二7。蜗轮能够沿销轴轴心转动，实现对断层倾角的无极调节。卡子5卡住蜗轮齿，并用螺母拧紧，使箱体与安装其上的倾角调节蜗轮之间不会发生相对转动。在两件倾角调节蜗轮左一6与左二7上分别安装挡土板一20与挡土板二22，挡土板沿挡土板导槽19放下；当进行正断层实验时，仅安装挡土板二22，当进行逆断层实验时，仅安装挡土板一20，二者不可同时安装于挡土板导槽19中。

如图1、图3～图5所示，启动步进电机9，带动倾角调节蜗轮左二7逆时针旋转。竖向移动土箱4底部通过铰链与双杆双作用液压缸3连接，同时将液压缸缸体与倾角调节蜗轮左二7用钢条2铰接，钢条2中的销孔穿过缸壁销轴307与拉杆四36，拉杆四36穿过倾角调节蜗轮左二7下方销孔。双杆双作用液压缸3缸体上的铰链与竖向移动土箱4上的铰链共同组成平行四边形结构，使得液压缸组的偏转角度与倾角调节蜗轮一致，保证断层运动方向始终与断层面平行，避免运动干涉。角度调整到位后，使用卡子5将蜗轮齿卡住，并拧紧螺母固定，使倾角调节蜗轮与土箱相对固定，整个土箱连同倾角调节蜗轮组成一个整体。定位完成后，将管道沿装置长度方向埋设。

如图1、图5所示，竖向移动土箱4下铰接有4个单独的双杆双作用液压缸3，缸体下部加焊缸壁支架308，支架上安装限位滚轮一302，液压缸通过限位滚轮一302在带导槽钢轨支座1的限制下滚动以调整角度。其中顶部液压杆306铰接于竖向移动土箱4箱体底面，底部液压杆305杆端铰接连杆304，通过连杆304联接杠杆机构303，杠杆铰接到缸壁支架308进行定位；杠杆另一端安装橡胶轮301，当液压缸组来回摆动变化角度时，橡胶轮301可在带导槽钢轨支座1的导槽中滚动，待运动到指定位置，底部液压杆305下压，通过连接的杠杆机构303将橡胶轮301贴合压紧导槽内壁，利用橡胶轮301与导槽之间的摩擦力实现液压缸的固定。

断层倾角调整到位后，橡胶轮301夹紧导槽钢轨支座1的导槽，驱动顶部液压杆306动作，竖向移动土箱4与倾角调节蜗轮左一6在燕尾槽引导下被一并举升。此刻竖向移动土箱4连同内部土体成为下盘土体，固定土箱10为上盘，下盘沿断层线相对上升，上盘相对下降，上下盘土体相对远离，土体中的管道受到轴向拉伸作用，完成正断层模拟。

如图1、图6所示，启动步进电机9，带动蜗杆8将倾角调节蜗轮左二7沿顺时针旋转并固定，完成断层倾角的调整。之后双杆双作用液压缸3动作对竖向移动土箱4进行举升，此刻竖向移动土箱4连同内部土体成为上盘土体，固定土箱10中为下盘土体，上盘沿断层线相对上升，下盘相对下降，上下盘土体相对靠拢，土体中的管道受到轴向挤压作用，完成对逆断层的模拟。

实施例2：走滑(平移)断层试验过程

如图1所示，水平移动土箱16底部装有限位滚轮二35，限位滚轮二35带动水平移动土箱16可沿限位钢轨17平动。如图7、图8所示，固定土箱10右侧安装倾角调节蜗轮右一12和右三26，分别安装在固定土箱10外侧和内侧，通过拉杆二27联接，挡土板三25焊接在倾角调节蜗轮右一12与拉杆二27上；水平移动土箱16外侧与内侧分别安装倾角调节蜗轮右二13和右四28，通过拉杆三30联接，挡土板四29焊接在倾角调节蜗轮右四28与拉杆三30上。

使用销轴三24将固定土箱10、水平移动土箱16、倾角调节蜗轮右一12、右二13、右三26、右四28铰接在同一旋转轴。拉杆二27与拉杆三30上加工有相配合的燕尾槽，将固定土箱10两侧与水平移动土箱16两侧的倾角调节蜗轮拼接起来，沿径向剖面形成断层面，在侧面液压缸15的推动下，水平移动土箱16与倾角调节蜗轮右二13、右四28一起水平移动，完成走滑(平移)断层的模拟。

如图9～图11所示，所述液压缸支承架14，其外侧挡板1401加工四个通孔与侧面液压缸15的液压缸底座1501进行配合连接，四个通孔排成两排；内侧挡板1402长度与外侧挡板1401相同，宽度为外侧挡板1401的一半，加工三个通孔，通孔呈60°周向排列。液压缸支承架14使用统一规格的工字钢1403焊接而成，并通过地脚螺栓固定在地面。所述侧面液压缸15缸体部分焊接一法兰盘1502，通过螺栓与内侧挡板1402的通孔联接，进一步减小支承跨距。侧面液压缸15液压杆端部为一球铰结构，所述球铰的球铰杆1503与侧面液压缸15的液压杆用螺纹联接，由内六角螺钉1504将球铰底座1506与球铰盖板1505联接起来，将球铰杆1503包裹住，球铰底座1506与水平移动土箱16箱壁接触，侧面液压缸15通过球铰向箱体施加推力。球铰能够改善箱体移动过程中，由管道变形抗力导致的力的作用方向偏移的问题。

如图12所示为动力与传动装置，步进电机9通过直齿圆锥齿轮31将动力传递到过渡轴32，使动力由水平电机轴传递到竖直过渡轴32，过渡轴32上安装有V带轮33，通过V带34带动蜗杆8旋转，进而带动倾角调节蜗轮转动达到改变角度的目的。

本发明的原理是：借助倾角调节蜗轮使断层倾角发生变化，使得断层的上、下盘位置发生转变，液压缸向上举升竖向移动土箱4时，因土体相对运动趋势发生改变，埋地管道受到土体的拉伸或挤压情况发生变化，实现对正、逆断层的模拟。利用蜗轮蜗杆机构自锁特性使调整后的断层倾角不发生改变。双杆双作用液压缸3、竖向移动土箱4以及倾角调节蜗轮左二7组成的铰接点共同构成平行四边形机构的顶点，以此确保液压缸偏转角度与断层倾角相同，避免运动干涉。

Claims (6)

1.一种跨地震断层埋地管道试验装置，包括竖向移动土箱(4)、固定土箱(10)、水平移动土箱(16)，其特征在于：所述固定土箱(10)锚固在地面固定支座(11)上，竖向(4)、水平(16)移动土箱分别安装于固定土箱(10)左右两边，沿固定土箱(10)长度方向排成一排；通过销轴一(21)将所述竖向移动土箱(4)与倾角调节蜗轮左一(6)联接，通过销轴二(23)将所述固定土箱(10)与倾角调节蜗轮左二(7)联接，通过销轴三(24)将固定土箱(10)、水平移动土箱(16)、倾角调节蜗轮右一(12)、右二(13)、右三(26)、右四(28)铰接在同一旋转轴；倾角调节蜗轮使用卡子(5)与各自土箱固定，并用螺母锁紧；所述竖向移动土箱(4)底部通过铰链与双杆双作用液压缸(3)顶部液压杆(306)联接，液压缸壁焊接支架，缸壁支架(308)上安装限位滚轮一(302)，限位滚轮一(302)下方安装带导槽钢轨支座(1)；水平移动土箱(16)底部装有限位滚轮二(35)，其在限位钢轨(17)上运动，带导槽钢轨支座(1)与限位钢轨(17)均锚固于地面。

2.根据权利要求1所述一种跨地震断层埋地管道试验装置，其特征在于：所述竖向(4)与水平移动土箱(16)一侧截面倾角切割为45°，固定土箱(10)两侧截面倾角均切割为45°。

3.根据权利要求1所述一种跨地震断层埋地管道试验装置，包括倾角调节蜗轮，其特征在于：倾角调节蜗轮左一(6)与左二(7)均含两件，使用拉杆一(18)联接后分别安装在竖向移动土箱(4)与固定土箱(10)左侧，并在两蜗轮挡土板导槽(19)中安装挡土板；倾角调节蜗轮右一(12)与右三(26)通过拉杆二(27)联接后安装在固定土箱(10)右侧，并在倾角调节蜗轮右一(12)与拉杆二(27)之间焊接挡土板三(25)；倾角调节蜗轮右二(13)与右四(28)通过拉杆三(30)联接后安装在水平移动土箱(16)上，并在倾角调节蜗轮右二(13)与拉杆三(30)之间焊接挡土板四(29)；倾角调节蜗轮左一(6)与左二(7)沿径向加工有相配合的燕尾槽，拉杆二(27)与拉杆三(30)上加工有相配合的燕尾槽。

4.根据权利要求1所述一种跨地震断层埋地管道试验装置，包括4个单独的双杆双作用液压缸(3)，其特征在于：液压缸壁通过钢条(2)与固定土箱(10)左侧的倾角调节蜗轮左二(7)铰接，与竖向移动土箱(4)底部的铰接孔共同构成平行四边形机构的顶点，使得液压缸偏转角度与断层倾角相等；底部液压杆(305)连接杠杆机构(303)，杠杆支点位于缸壁支架(308)上，杠杆另一端安装橡胶轮(301)，橡胶轮(301)可在带导槽钢轨支座(1)上沿导槽滚动，橡胶轮(301)共两组，两组橡胶轮(301)分别置于带导槽钢轨支座(1)两侧槽内。

5.根据权利要求1所述一种跨地震断层埋地管道试验装置，包括动力传动装置，所述传动装置包括直齿圆锥齿轮(31)、V带轮(33)、V带(34)、蜗杆(8)，步进电机(9)轴上安装直齿圆锥齿轮(31)，带动动力过渡轴(32)旋转，动力过渡轴(32)上安装有V带轮(33)，通过V带(34)将动力传递到蜗杆(8)轴上。

6.根据权利要求1所述一种跨地震断层埋地管道试验装置，包括侧面液压缸(15)，其特征在于：液压缸底座(1501)加工4个通孔，侧面液压缸(15)缸体焊接法兰盘(1502)，通过螺栓与液压缸支承架(14)联接，减小支承跨距，所述侧方液压缸活塞杆用螺纹联接球铰杆(1503)，通过球铰推动水平移动土箱(16)，所述液压缸支承架(14)使用统一规格的工字钢(1403)焊接而成，并通过地脚螺栓固定在地面。

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