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Abstract

本发明提供一种深水立管触地段管土相互作用的模拟系统，包括：海床土体箱，在内部填充有试验土体和放置在试验土体上的试验管件；测试装置，包括输出弯矩和轴力的加载装置，其动力输出端通过法兰与试验管件连接，用于控制加载装置在试验管件所在平面内竖向升降与转动的位移控制杆，以及向试验管件内部施加内压的内压加载装置；检测装置，包括各种传感器；控制采集系统，用于控制试验过程并收集检测装置的采集信号。本发明可以对实验管件以多种载荷形式进行循环加载，同时可在立管截断点竖向高度与平面内转角不同的情况下进行试验，确定真实情况下土体和管件的变形情况，从而对实际立管触地段疲劳设计提供真实的数据和试验积累。

Description

一种深水立管触地段管土相互作用的模拟系统
技术领域
本发明涉及海洋油气开发领域，特别是涉及一种模拟深水钢悬链线立管触地区域管土相互作用的模拟系统。
背景技术
海洋石油工程中的油气开采由浅水区域逐渐向深水区域发展，油气输送系统所受荷载复杂、破坏形态多样，对系统的整体性与可靠性提出更高要求。立管作为连接海洋平台与海底油气输送管道的结构，在油气开采与输送中起至关重要的作用。钢悬链线立管以其经济性好、对顶部平台运动的适应性强的特点而广泛应用于深水油气工程中。其中，钢悬链线立管的顶部以及触地区域的疲劳寿命为钢悬链线立管设计的重点之一。导致立管顶部发生的疲劳损伤的原因主要为波浪荷载；而触地区域的疲劳损伤则通常是在浮体运动的情况下立管触地区域与海床土体持续相互作用而引起的。因此，需开展深水钢悬链立管触地区域管土相互作用机制的研究，同时对立管触地区域的疲劳损伤进行分析及安全评估。
深水钢悬链线立管触地区域管土相互作用研究通常在海床上方一定高度处将立管截断，取该点下方悬链段立管及与海床接触部分立管进行模拟。在立管截断点施加对应于立管整体模型中该点的位移、转角、拉力及弯矩，即可还原该点以下立管变形及其与海床接触的情况。
但是现有立管触地区域管土相互作用系统存在立管截断点施加位移荷载形式单一、无法还原立管触地区域真实受力情况的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟深水钢悬链线立管触地区域管土相互作用的模拟系统。
具体地，本发明提供一种深水立管触地段管土相互作用的模拟系统，包括：
海床土体箱，为长方形且上部开口的箱形结构，在内部填充有试验土体和放置在试验土体上的试验管件；
测试装置，分别安装在海床土体箱的长轴两端外部，包括输出弯矩和轴力的加载装置，其动力输出端通过法兰与试验管件的端部连接，用于控制加载装置在试验管件所在平面内竖向升降与转动的位移控制杆，以及向试验管件内部施加内压的内压加载装置；
检测装置，包括用于获取试验管件在试验过程中的各种变化参数的传感器；
试验控制与数据采集系统，用于控制试验过程并收集检测装置的采集信号。
本发明可以实现对试验管件以多种载荷形式进行循环加载，同时可在立管截断点竖向高度与平面内转角不同的情况下进行试验，确定真实情况下土体和管件的变形情况，从而对实际立管触地段疲劳设计提供真实的数据和试验积累，以便有针对性地对钢悬链立管触地段管土相互作用实现进一步的设计，同时还能为实际工程建设的深水钢悬链立管安全评估提供依据。
本实施方式考虑安装、试验、卸载过程，在试验装置两端均设计的荷载加载装置，极大方便了安装过程，避免因残余应力影响试验结果，减小了试验误差，同时极大方便了试验装置的安装，提高试验过程的安全性。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的模拟系统结构示意图；
图2是图1所示模拟系统的剖视图；
图3是本发明一个实施方式的加载装置结构示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。
如图1、2所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种深水立管触地段管土相互作用的模拟系统，包括：海床土体箱1，测试装置，检测装置和控制采集系统。
该海床土体箱1为长方形且上部开口的箱形结构，在底部安装有向内部注水和排水的排水固结系统3，在内部填充有试验土体4和放置在试验土体4上的试验管件5；海床土体箱1内部为密封结构；海床土体箱1可模拟深水环境下钢悬链立管触地段土槽形成过程，使用全尺寸管件及真实工况下钢悬链立管位移及荷载数据库进行模拟。相对现有试验装置采用塑料管道模拟深海立管的方式，本实施方式使用缩尺比或全尺寸真实管件进行模拟，更能够真实模拟荷载工况下立管触地段管道与土体的相互作用。
其中的试验土体4采用砂性土或粘性土。采用砂性土时，先测定土体容重、含水率、密实度及天然坡角指标，然后向海床土体箱1内按层填埋砂性土，每填一层后击实至预定密度，直至达到预定标高。
采用粘性土时，先测定土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度指标，然后按层向海床土体箱1内填土，每层夯实均匀至预定密度和含水率，直至达到预定标高，且粘性土铺设完成后，需固结24小时使其形成均匀整体；或将粘土与水混合形成泥浆后倒入所述海床土体箱内进行长周期排水固结。
该测试装置分别安装在海床土体箱1的长轴两端外部，包括输出弯矩和轴力的加载装置9，和用于控制加载装置9在试验管件所在平面内竖向升降与转动的位移控制杆8，以及向试验管件5内部施加内压的内压加载装置12。两台加载装置9的动力输出端分别通过法兰10与海床土体箱1内的试验管件5两端连接。
其中的位移控制杆8为液压杆，且在每一侧的加载装置9底部分别并排设置有两根，并排方向与实验管件5的轴向方向相同，位移控制杆8的底端固定在与海床土体箱1两端分别固定连接的支撑基座6上，顶端通过万向节与加载装置9连接；两根位移控制杆8可将加载装置9整体抬升、下降或转动，从而模拟真实工况中立管触地段的运动响应情况。而现有试验装置一般只在立管截断点设置铰接约束，在试验过程中无法施加弯矩，管件端部因应力集中经常出现损坏或无法模拟立管真实受力情况。本实施方式通过调节各点位竖向位移控制杆8伸长量，来控制加载装置9位置，以便确定立管截断位置的竖向高度与平面内转角。
如图3所示，加载装置9包括用于提供安装空间的壳体，在壳体一侧上下间隔地安装有两台轴向拉压油缸16，两台轴向拉压油缸16的两根活塞杆15分别伸入壳体内，在壳体内活动安装有一块竖直摆放的施力板13，两根活塞杆15通过连接件14分别与施力板13同一侧的固定座铰接，即连接件14与固定座连接后可在活塞杆15的伸缩过程中，推动施力板13前后移动，且两活塞杆15伸长距离相互独立，使得施力板13发生沿壳体长度方向的运动与平面内转动；在施力板13与活塞杆15相对一侧固定连接有伸出壳体外的传动轴11，传动轴11的另一端与法兰10固定连接。
位于海床土体箱1两端的加载装置9既可以同时施加轴向荷载与弯矩等，也可以一端作为加载端一端作为固定端，进而模拟更真实的实验管件5受力情况。可通过分别调节加载装置9中两活塞杆15的伸长量，对试验管件5同时施加轴向与弯矩荷载，做到更好的模拟真实工况。而现有实验装置由于采用缩尺比简化装置，忽略了管道端部轴向力对管道应力应变的影响。而加载装置9可在施加轴向荷载的同时，控制实验管件5的一端进行多自由度运动，还原真实工况下立管随海洋平台的运动响应。
该检测装置通过各种传感器来获取试验管件5在测试装置控制下的各种变化参数；具体包括测量试验管件5端部竖向与水平方向循环位移的激光位移计20，测量法兰10连接点处试验管件端部角度的倾角仪，测量加载装置9输出的循环轴向载荷大小的力传感器19，和测量试验管件5外表面应变力的应变传感器。
该控制采集系统用于控制试验过程并收集检测装置的采集信号。
模拟系统的试验流程如下：
试验准备阶段：在海床土体箱1中加入适量的试验土体4，并将实验土体4的上表面抹平；
若试验土体4为砂性土，应测定土体容重、含水率、密实度及天然坡角等指标。然后向试验箱内按层填埋砂土，每填一层后击实并用预定的击实密度来控制，直至达到预定标高；
若试验土体4为粘性土，应测定土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度等指标。然后同样按层向试验箱内填土，每层都要夯实均匀并用环刀取土样测土的密度和含水率，并控制在预定值，直到达到预定标高。粘土铺设完成后，打开排水固结系统3排出多余的水，待粘土固结完成后进行试验。若不进行夯实，则需将粘土与水充分混合，形成泥浆后倒入所述海床土体箱1内，打开排水固结系统3进行长周期排水固结。
设备连接工序：将试验管件5两端部焊接的法兰盘10与两侧加载装置9的法兰盘10通过螺栓相连，使试验管件5固定连接于两个加载装置9上，然后关闭排水固结系统3，并在试验土体4上加入适量的水，水量以能够浸没实验管件5为准。
实验阶段：可通过电液伺服电机控制的位移控制杆8将左端加载装置9整体抬升、下降或转动，以模拟真实工况中立管触地段的运动响应情况；通过分别控制同一侧加载装置9的两个轴向拉压油缸16，调节两根塞杆15的外伸长度，即可将弯矩和轴力通过施力板13和传动轴11传递至法兰盘10，进而传递至试验管件5。在实验过程中不断对轴向拉压油缸16进行实时控制，可实现对试验管件5施加循环弯矩和循环轴力的功能。内压加载装置12同时对试验管件5施加内部压强荷载。
在实验过程中，控制采集系统通过激光位移计20、21获取法兰盘10处的竖向与水平方向位移及实验管件5不同位置处竖向与水平方向的循环位移；通过倾角仪确定实验管件5截断点处角度；通过力传感器19确定活塞杆15对试验管件5施加的循环轴向荷载大小，同时可根据两活塞杆15轴线间距与力传感器19测得的荷载值，计算出试验管件5所受弯矩荷载大小；通过布置在实验管件5外表面的应变传感器获取实验管件表面的应变；通过布置在实验管件5周边土体内的孔压传感器获取并监测实验管件5周边土体压力的变化。
为方便连接，控制采集系统安装在其中一侧加载装置9远离试验管件的一端。
试验结束后：通过排水固结系统3排出海床土体箱内的水，再拆除激光位移计21，然后通过起吊装置取出试验管件5，完成整个实验过程。
本发明可以实现对试验管件以多种载荷形式进行循环加载，同时可在立管截断点竖向高度与平面内转角不同的情况下进行试验，确定真实情况下土体和管件的变形情况，从而对实际立管触地段疲劳设计提供真实的数据和试验积累，以便有针对性地对钢悬链立管触地段管土相互作用实现进一步的设计，同时还能为实际工程建设的深水钢悬链立管安全评估提供依据。
本实施方式考虑安装、试验、卸载过程，在试验装置两端均设计的荷载加载装置，极大方便了安装过程，避免因残余应力影响试验结果，减小了试验误差，同时极大方便了试验装置的安装，提高试验过程的安全性。
在本发明的一个实施方式中，可在海床土体箱1的底部设置支撑海床土体箱1的支架2、7，支架2、7可方便海床土体箱1底部的管线布置，支架2、7可由间隔分布的工字钢或方钢管制成，以将海床土体箱1整体支离地面。其中，支架2用于支撑海床土体箱，而支架7用于支撑支撑基座6。
在本发明的一个实施方式中，在海床土体箱1的上部开口处安装有位于试验管件5上方的轴向横梁，测量实验管件5各处位移变化的激光位移计21安装在横梁上，且激光位移计21沿实验管件5的轴向长度间隔设置有多个。将激光位移计21设置在轴向横梁上，可防止其在实验管件5随轴向载荷、弯矩和倾斜力而动作时受到影响。
在本发明的一个实施方式中，内压加载装置12包括压力源，和一端连接压力源另一端由传动轴11内部伸入法兰10内部的导压管，压力源用于提供气压或水压，该结构可以防止内压加载装置12受加载装置9动作的影响，同时通过法兰10中部的通孔连接导压管，也可提高密封性。
在本发明的一个实施方式中，在轴向拉压油缸16的外部固定有与壳体密封连接的保护罩17和管线保护盒18。保护罩17与管线保护盒18可分别保护轴向拉压油缸16及加载装置9中的相关油路管线与电源线。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种深水立管触地段管土相互作用的模拟系统，其特征在于，包括：
海床土体箱，为长方形且上部开口的箱形结构，在内部填充有试验土体和放置在试验土体上的试验管件；
测试装置，分别安装在海床土体箱的长轴两端外部，包括输出弯矩和轴力的加载装置，其动力输出端通过法兰与试验管件的端部连接，用于控制加载装置在试验管件所在平面内竖向升降与转动的位移控制杆，以及向试验管件内部施加内压的内压加载装置；
所述加载装置包括壳体，在壳体远离所述试验管件一侧外部上下间隔地安装有两台轴向拉压油缸，且其活塞杆均伸入壳体内，两根活塞杆分别通过连接件与一块施力板的同一侧铰接连接，施力板的相对一侧固定连接有伸出壳体外的传动轴，传动轴的另一端与所述法兰固定连接；
检测装置，包括用于获取试验管件在试验过程中的各种变化参数的传感器；
控制采集系统，用于控制试验过程并收集检测装置的采集信号。
2.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
所述检测装置包括测量所述试验管件两端部和管身竖向与水平方向循环位移的激光位移计，测量所述法兰连接点处试验管件端部角度的倾角仪，测量所述加载装置输出的循环轴向载荷大小的力传感器，测量所述试验管件外表面应变的应变传感器。
3.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
所述试验土体采用砂性土或粘性土,采用砂性土时，先测定土体容重、含水率、密实度及天然坡角指标，然后向所述海床土体箱内按层填埋砂性土，每填一层后击实至预定密度，直至达到预定标高；
采用粘性土时，先测定土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度指标，然后按层向海床土体箱内填土，每层夯实均匀至预定密度和含水率，直至达到预定标高，铺设完成后，固结24小时使其形成均匀整体；或将粘土与水混合形成泥浆后倒入所述海床土体箱内进行长周期排水固结。
4.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
在所述海床土体箱的底部设置有支撑所述海床土体箱的支架，支架由间隔分布的工字钢或方钢管制成。
5.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
所述控制采集系统安装在其中一侧所述加载装置远离所述试验管件的一端。
6.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
所述位移控制杆为液压杆，且在每一侧分别并排设置有两根，所述位移控制杆的底端固定在与所述海床土体箱两端分别固定连接的支撑基座上，顶端通过万向节与所述加载装置连接。
7.根据权利要求2所述的模拟系统，其特征在于，
在所述海床土体箱的上部开口处安装有位于所述试验管件上方的轴向横梁，测量所述试验管件管身竖向与水平方向循环位移的所述激光位移计安装在横梁上，且所述激光位移计沿所述试验管件的长度方向间隔设置有多个。
8.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
所述内压加载装置包括压力源，和一端连接压力源另一端从所述传动轴内部伸入所述法兰内部的导压管，压力源提供气压或水压。
9.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
在所述轴向拉压油缸的外部固定有与所述壳体密封连接的保护罩，和管线保护盒。
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