CN111896575A - 测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法，涉及实验模型技术领域，它包括温控箱、加热泵送装置和装土对照实验箱体，温控箱外设有加热泵送装置，温控箱内设有温控仪和若干个装土对照实验箱体，装土对照实验箱体均内埋设埋地管道，埋地管道横向穿过装土对照实验箱体，埋地管道两端均通过管道与加热泵送装置连接并形成循环结构，埋地管道上贴有应变片，应变片通过导线与静态电阻应变仪连接；装土对照实验箱体内铺设土层，土层内安装温度传感器，温度传感器通过导线与静态电阻应变仪连接。本测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法通过实验土温度的变化和管道的应变情况，准确的测量出冻土与埋地管道相互作用的关系。

Description

测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法

技术领域：

本发明涉及实验模型技术领域，具体涉及测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法。

背景技术：

近年以来随着国际经济的高速发展，能源需求不断攀升，油气交易量也快速增加，为了舒缓油气产需失衡，大量油气管道投入建设和运营。通过以往的监测可知，冻土区管道破坏严重，冻土的冻融循环为管道的长期运营带来了巨大的挑战。目前针对冻土区管道的研究尚不完善，对于冻土的冻害及其防护措施研究不够深入。因此，对冻土区的管道问题进行深入研究很有必要。目前，对埋地输油管道的研究还建立在现场实验和有限元模拟研究阶段，很难在实验室环境下通过大型实验模拟装置来模拟温度影响下土-埋地钢制管道相互作用，无法模拟出不同温度情况下的大型实验。

发明内容：

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法，它可实现的通过对照实验的观测在不同类型土体在不同温度条件下土-埋地钢制管道相互作用的方法及装置。

本发明采用的技术方案为：测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法，包括温控箱、加热泵送装置和装土对照实验箱体，温控箱外设有加热泵送装置，温控箱内设有温控仪和若干个装土对照实验箱体，装土对照实验箱体均内埋设埋地管道，埋地管道横向穿过装土对照实验箱体，埋地管道两端均通过管道与加热泵送装置连接并形成循环结构，埋地管道上贴有应变片，应变片通过导线与静态电阻应变仪连接；所述的装土对照实验箱体内铺设土层，土层内安装温度传感器，温度传感器通过导线与静态电阻应变仪连接。

所述的温控箱是由两块横向钢板一、两块侧向钢板一、一块底面钢板一和一块顶面钢板围成的闭合式箱体结构，两块横向钢板一、两块侧向钢板一、一块底面钢板一和一块顶面钢板内壁上均粘有内衬式苯板。

所述的装土对照实验箱体是由两块块横向钢板二、两块侧向钢板二和一块底面钢板二围成的开口式箱体结构。

所述的装土对照实验箱体两侧壁均焊接有照准杆；所述的埋地管道顶部均焊接有标志杆，标志杆外套有塑料套筒，标志杆和照准杆为钢筋柱。

所述的埋地管道的管道壁上均贴有四个应变片，四个应变片均等分布在管道的圆周面上。

所述的温度传感器个数为若干个，由上至下、由左至右以及右前至后均有布置，由上至下布置时温度传感器与温度传感器之间的间距逐级增大。

制作方法步骤如下：

1）土样的装配，实验前根据实验要求，将实验土样进行处理，配置含水率，将实验土样分三层加二层填于各个装土对照实验箱体中，每层厚度控制在10cm，填土时，每层土样应夯实填密，使其达到天然土的密度直至填至三层完毕达到管道底面；

2）将应变片贴于装土对照实验箱体箱内待测埋地管道，为确定埋地管道的主应力方向，故采用三轴应变花的形式，一共分为2组，一组4个检测点，测量埋地管道轴向环向应变，进而计算管道主应力大小及方向,将连接管道进行组装焊接，并检查密闭性；

3）土样继续装配，每10cm为一层，装配两层直至装满装土对照实验箱体，装配过程中将导线留出；

4）土体的温度传感器安装，在实验土样装配的同时埋设温度传感器，埋设温度传感器时，埋置深度按照根据温度场分布规律进行埋置，埋置间距从上到下逐渐增大，间距按照公式

(mm)选取，在实验土装配过程中，时刻做好温度传感器的保护工作，至此探针制作完毕；

5）土体温度传感器布置，采用插管进行布置温度传感器，将连接好的留出导线和温度传感器线连接到静态电阻应变仪上；

6）调试设备，静态电阻应变仪和温度传感器测温度及热流；

7）调试完设备后，进行试验，根据实验的不同要求进行冻融循环实验，确定冻融循环的具体周期时间长短，按照周期进行循环条件设置。

本发明的有益效果如下：

1）可以用于测量温度影响下土-埋地钢制管道相互作用的受力分析，能直接测量管道的受力状态；

2）通过设置加热泵送装置，可以模拟管道内液体的不同温度；

3）通过在四个装土对照实验箱体中装入不同的土，可以同时模拟各种土质对管道的作用，实验箱体数量可以根据实际需要进行增减；

4）温控箱内部设有温控仪装置，易于改变实验箱体外部环境，可模拟实现整个冻融循环周期环境；

5）能实时监测出管道周围土体的实时温度变化，并通过数据处理，描绘出整个冻融循环周期管道周围温度场分布及变化，进一步分析管道周边冻融圈随冻融循环的变化规律；

6）通过静态电阻应变仪等信息处理，能检测出整个冻融循环作用下管道的应力应变的变化规律。

附图说明：

图1是本发明正视图；

图2是本发明拆解图；

图3是本发明装土对照实验箱体拆解图；

图4是本发明温度传感器布置正视图；

图5是本发明温度传感器布置俯视图；

图6是本发明应变片分布图；

图7是本发明照准杆和标志杆分布图。

具体实施方式：

参照各图，测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法，包括温控箱1、加热泵送装置2和装土对照实验箱体3，温控箱1外设有加热泵送装置2，温控箱1内设有温控仪9和若干个装土对照实验箱体3，装土对照实验箱体3均内埋设埋地管道14，埋地管道14横向穿过装土对照实验箱体3，埋地管道14两端均通过管道4与加热泵送装置2连接并形成循环结构，埋地管道14上贴有应变片，应变片通过导线与静态电阻应变仪连接；所述的装土对照实验箱体3内铺设土层，土层内安装温度传感器，温度传感器通过导线与静态电阻应变仪连接。所述的温控箱1是由两块横向钢板一5、两块侧向钢板一6、一块底面钢板一7和一块顶面钢板8围成的闭合式箱体结构，两块横向钢板一5、两块侧向钢板一6、一块底面钢板一7和一块顶面钢板8内壁上均粘有内衬式苯板10。所述的装土对照实验箱体3是由两块块横向钢板二11、两块侧向钢板二12和一块底面钢板二13围成的开口式箱体结构。所述的装土对照实验箱体3两侧壁均焊接有照准杆17；所述的埋地管道14顶部均焊接有标志杆15，标志杆15外套有塑料套筒16，标志杆16和照准杆17为钢筋柱。所述的埋地管道14的管道壁上均贴有四个应变片，四个应变片均等分布在管道的圆周面上。所述的温度传感器个数为若干个，由上至下、由左至右以及右前至后均有布置，由上至下布置时温度传感器与温度传感器之间的间距逐级增大。

制作方法步骤如下：

1）土样的装配，实验前根据实验要求，将实验土样进行处理，配置含水率，将实验土样分三层加二层填于各个装土对照实验箱体3中，每层厚度控制在10cm，填土时，每层土样应夯实填密，使其达到天然土的密度直至填至三层完毕达到管道底面；

2）将应变片贴于装土对照实验箱体3箱内待测埋地管道14，为确定埋地管道14的主应力方向，故采用三轴应变花的形式，一共分为2组，一组4个检测点，测量埋地管道14轴向环向应变，进而计算管道主应力大小及方向,将连接管道4进行组装焊接，并检查密闭性；

3）土样继续装配，每10cm为一层，装配两层直至装满装土对照实验箱体（3），装配过程中将导线留出；

4）土体的温度传感器安装，在实验土样装配的同时埋设温度传感器，埋设温度传感器时，埋置深度按照根据温度场分布规律进行埋置，埋置间距从上到下逐渐增大，间距按照公式

(mm)选取，在实验土装配过程中，时刻做好温度传感器的保护工作，至此探针制作完毕；

5）土体温度传感器布置，采用插管进行布置温度传感器，将连接好的留出导线和温度传感器线连接到静态电阻应变仪上；

6）调试设备，静态电阻应变仪和温度传感器测温度及热流；

7）调试完设备后，进行试验，根据实验的不同要求进行冻融循环实验，确定冻融循环的具体周期时间长短，按照周期进行循环条件设置。

本装置包括模拟冻融条件的温控箱，液体的加热泵送循环装置，测量冻土与埋地管道相互作用的装土对照实验箱体，连接各装土对照实验箱体和加热泵送装置的管道。温控箱由4mm厚钢板围成，温控箱右下侧设有温控仪，通过温控仪实现箱内加热和降温，钢板内表面贴有50mm内衬式苯板进行保温。温控箱内部设有四个进行装土对照实验的箱体，装土对照实验的箱体前后端、双侧及底部均采用4mm钢板焊接而成的开口箱体，装土对照实验的箱体前后端钢板中心处设有直径3cm的圆孔，装土对照实验的箱体左右两侧分别布置两个直径为10mm的钢筋作为照准杆。温控箱外部设有液体加热泵送装置，温控箱内部设有温控仪。埋地管道依次穿过四个装土对照实验箱体和液体的加热泵送装置，形成封闭的循环管道。在装土对照实验箱体内部埋地管道上各取一个监测点，在监测点上焊接有直径为10mm的钢筋作为标志杆，为减小钢筋与土体之间摩擦，在其表面套上直径为14mm的塑料套筒。

第一步，各装土实验箱体土样的装配；实验前按照实验要求，将实验土样分为四份，并进行筛分，选择适宜的含水率等，将各个实验箱体的实验土分为五层填于实验箱体中，每层厚度控制在10cm左右，层层压实，每层夯实填密使其达到天然土密度，直至三层土样填充完毕，此时土样高度达到箱体高度三分之二管道下边缘处。

第二步，根据实验要求在埋地管道上标记测点位置，在将应变片按照测点位置进行粘贴固定，将埋地管道穿过实验箱体的预留孔洞，然后将装土对照实验箱体与埋地管道焊接牢固，将埋地管道与连接管道通过焊接连接成一个整体，然后检验整体管道的密实性。

第三步，在实验土体中置入温度传感器，本实验装置通过将温度传感器埋设到不同位置来测量土体各个位置的温度变化，埋置温度传感器后继续装配土样，每层厚度10cm并层层压实至天然土密度。

由于实际工程中管道传热问题涉及到的时间尺度和空间尺度都很大，必须使用缩小的相似性模型进行实验，根据相似理论准则，

，其中，

—特征长度，m；

—地表温度变化周期，s；保证实验系统与实际系统的

不变，则两者具有相似的物理特性。

从相似准则数

的形式可见：在缩小的相似性模型实验中，几何尺度比实际缩小10倍时，时间尺度

缩短100倍。按照一年365天计算，实际中每年有365×24=8760h，则模型实验中一年的周期为87.6h；则连续进行4d，可模拟在实际系统中1a中的变化过程。

本实验装置几何长度相似比近似为10：1，故实验中每个冻融循环周期近似控制为98h，其它冻融周期可根据相似理论准则推算。

进一步，将连接好的实验装置通过温控箱加热至25度的室内环境中48小时后，将装置降温至-20度的室外环境中48小时，每96小时为一次冻融循环，通过静态电阻应变仪实时测量管道内外应变变化。

本实验环境为东北寒冷地区，冻融温度仅为参考值，冻融上下限可根据具体环境来选取。

综上所述，本测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置及制备方法，可以用于测量温度影响下土-埋地钢制管道相互作用的受力分析，能直接测量管道的受力状态；通过设置加热泵送装置，可以模拟管道内液体的不同温度；通过在四个装土对照实验箱体中装入不同的土，可以同时模拟各种土质对管道的作用，实验箱体数量可以根据实际需要进行增减；温控箱内部设有温控仪装置，易于改变实验箱体外部环境，可模拟实现整个冻融循环周期环境；能实时监测出管道周围土体的实时温度变化，并通过数据处理，描绘出整个冻融循环周期管道周围温度场分布及变化，进一步分析管道周边冻融圈随冻融循环的变化规律；通过静态电阻应变仪等信息处理，能检测出整个冻融循环作用下管道的应力应变的变化规律。

Claims (8)

1.一种测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置，其特征在于：包括温控箱（1）、加热泵送装置（2）和装土对照实验箱体（3），温控箱（1）外设有加热泵送装置（2），温控箱（1）内设有温控仪（9）和若干个装土对照实验箱体（3），装土对照实验箱体（3）均内埋设埋地管道（14），埋地管道（14）横向穿过装土对照实验箱体（3），埋地管道（14）两端均通过管道（4）与加热泵送装置（2）连接并形成循环结构，埋地管道（14）上贴有应变片，应变片通过导线与静态电阻应变仪连接；所述的装土对照实验箱体（3）内铺设土层，土层内安装温度传感器，温度传感器通过导线与静态电阻应变仪连接。

2.根据权利要求1所述的测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置，其特征在于：所述的温控箱（1）是由两块横向钢板一（5）、两块侧向钢板一（6）、一块底面钢板一（7）和一块顶面钢板（8）围成的闭合式箱体结构，两块横向钢板一（5）、两块侧向钢板一（6）、一块底面钢板一（7）和一块顶面钢板（8）内壁上均粘有内衬式苯板(10）。

3.根据权利要求1所述的测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置，其特征在于：所述的装土对照实验箱体（3）是由两块块横向钢板二（11）、两块侧向钢板二（12）和一块底面钢板二（13）围成的开口式箱体结构。

4.根据权利要求1所述的测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置，其特征在于：所述的装土对照实验箱体（3）两侧壁均焊接有照准杆（17）；所述的埋地管道（14）顶部均焊接有标志杆（15），标志杆（15）外套有塑料套筒（16），标志杆（16）和照准杆（17）为钢筋柱。

5.根据权利要求1所述的测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置，其特征在于：所述的埋地管道（14）的管道壁上均贴有四个应变片，四个应变片均等分布在管道的圆周面上。

6.根据权利要求1所述的测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置，其特征在于：所述的温度传感器个数为若干个，由上至下、由左至右以及右前至后均有布置，由上至下布置时温度传感器与温度传感器之间的间距逐级增大。

7.一种根据权利要求1所述的测量温度土埋地管道相互作用的组合实验装置的制备方法，其特征在于：制作方法步骤如下：

土样的装配，实验前根据实验要求，将实验土样进行处理，配置含水率，将实验土样分三层加二层填于各个装土对照实验箱体（3）中，每层厚度控制在10cm，填土时，每层土样应夯实填密，使其达到天然土的密度直至填至三层完毕达到管道底面；

将应变片贴于装土对照实验箱体（3）箱内待测埋地管道（14），为确定埋地管道（14）的主应力方向，故采用三轴应变花的形式，一共分为2组，一组4个检测点，测量埋地管道（14）轴向环向应变，进而计算管道主应力大小及方向,将连接管道（4）进行组装焊接，并检查密闭性；

土样继续装配，每10cm为一层，装配两层直至装满装土对照实验箱体（3），装配过程中将导线留出；

土体的温度传感器安装，在实验土样装配的同时埋设温度传感器，埋设温度传感器时，埋置深度按照根据温度场分布规律进行埋置，埋置间距从上到下逐渐增大，间距按照公式

(mm)选取，在实验土装配过程中，时刻做好温度传感器的保护工作，至此探针制作完毕；

土体温度传感器布置，采用插管进行布置温度传感器，将连接好的留出导线和温度传感器线连接到静态电阻应变仪上；

调试设备，静态电阻应变仪和温度传感器测温度及热流。

8.调试完设备后，进行试验，根据实验的不同要求进行冻融循环实验，确定冻融循环的具体周期时间长短，按照周期进行循环条件设置。

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