CN114018539A - 一种海底油气管道稳定性模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底油气管道稳定性模型试验装置及试验方法，包括造波机、模型槽、数据采集系统、高温高压施加设备和模型管道；模型槽内安装有模型管道，透明密封模型槽的第一侧壁为造波板，造波机驱动所述造波板沿着透明密封模型槽的顶面和底面来回移动，透明密封模型槽中与第一侧壁相对的第二侧壁为吸波板；在透明密封模型槽内填筑有砂土或者黏土，砂土或者黏土的表面与造波板底部齐平或低于造波板底部高度；模型管道放置在砂土或者黏土的表面，其两端设有阻尼件，安装在透明密封模型槽另外两个侧壁上；高温高压施加设备与模型管道相连，对模型管道施加设定的温度和压力；数据采集系统采集模型管道变形、砂土或者黏土的孔隙率和浪的高度。

Description

一种海底油气管道稳定性模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种海底油气管道稳定性模型试验装置及试验方法，特别是一种波浪荷载和高温高压耦合作用下管道受力和变形的试验装置和试验方法，属于海洋岩土工程领域。

背景技术

管道作为五大交通运输方式之一，成为运送石油和天然气的重要基础设施，被称为“生命线工程”。目前，近海及深海油气管道的在位稳定性成为海底管道建设和运营的核心问题。通常情况下，近海油气管道常埋置在海床一定深度范围内，以保持其在位稳定性。而深海油气管道通常直接铺设在海床顶部。然而海底复杂的洋流运动和管道内部极端的运输环境都对油气管道在位稳定性产生巨大威胁。一方面为防止管内原油的凝固，提高油气的输送效率，油气管道内部处于高温高压状态，通常海底油气管道的设计温度普遍达到或超过100℃，工作压力可达到10MPa。这种极端的运输环境容易引起管道自身膨胀变形。对于埋地管道而言，当受到周围土体约束时，管道将通过自身屈曲变形将该应力释放到周围土体中，直到与周围土体反力达到新的应力平衡状态。当管-土相对位移较大时，容易引发管道开裂、失稳和破坏，导致原油泄漏、爆炸和中毒等重大事故。一般情况下，在近海铺设的管道通常采用管沟开挖与回填技术提供围压反力抵抗管道变形。然而管沟开挖与回填费用在整个工程建设成本中占比较大，合理预估管道阻力以确定经济有效管道埋深成为管道在位稳定性研究的关键工作。另一方面，海底波浪作用于深海管道上产生外部荷载，管道自身产生弯曲变形。此外，海床土体将受到循环剪应力作用，对于排水较差的土体，将导致海床土体产生液化，减小有效应力，影响管道承载力。因此有必要开展缩尺模型试验，研究海底管道在耦合荷载作用下的稳定性。尽管目前已有相关试验装置可模拟波浪荷载作用对管道稳定性的影响，但现有装置仍为考虑管道内部高温高压荷载的耦合作用。

发明内容

本发明为了解决上述问题的不足，提出一种海底油气管道稳定性模型试验装置及试验方法。与现有技术相比，本发明可实现高温高压与波浪荷载耦合作用下的油气管道在位稳定性(应力和变形)的研究，近海、深海及倾斜海床等多种海洋环境下管道受力变形与管-土相互作用模拟，实现地震荷载作用下海床隆升和沉降对管道稳定性影响研究。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提出了一种海底油气管道稳定性模型试验装置，包括造波机、透明密封模型槽、数据采集系统、高温高压施加设备和模型管道；

所述的透明密封模型槽内安装有模型管道，且透明密封模型槽的第一侧壁为造波板，所述的造波机驱动所述造波板沿着透明密封模型槽的顶面和底面来回移动，透明密封模型槽中与第一侧壁相对的第二侧壁为吸波板；在透明密封模型槽内填筑有砂土或者黏土，砂土或者黏土的表面与造波板底部齐平或低于造波板底部高度；

所述的模型管道放置在砂土或者黏土的表面，其两端设有阻尼件，安装在透明密封模型槽另外两个侧壁上；

所述的高温高压施加设备与模型管道相连，对模型管道施加设定的温度和压力。

所述的数据采集系统采集模型管道变形、砂土或者黏土的孔隙率和浪的高度。

作为进一步的技术方案，所述的造波机包括作动器、支撑梁、刚性链条、造波板、造波板支撑架、滑轮组、支架；

所述支架固定在透明密封模型槽一侧，支撑梁固定在支架上，导轨固定上支撑梁上，导轨内部安装滑轮组，支撑梁内安装有固定其上的环形刚性链条，所述的作动器驱动所述的环形刚性链条转动，在环形刚性链条上安装有造波板支撑架，所述的造波板支撑架驱动造波板水平移动。

作为进一步的技术方案，所述吸波板的外侧为吸水海绵，所述的吸水海绵放置在一个吸波板与其他构件形成的封闭空间内，在该空间的底部设有海水收集装置。

作为进一步的技术方案，所述的海水收集装置通过一个泵体与透明密封模型槽连通。

作为进一步的技术方案，所述的数据采集系统包括浪高仪、管道应变采集系统、管道平面内变形采集系统和砂土或者黏土孔隙水压力采集系统；所述的浪高仪安装在模型槽底部的固定底板上，其顶面高度应高于模型槽设定距离；管道应变采集系统包括应变采集仪和应变片，应变片粘贴在管道的外表面；管道平面内变形采集系统为图像采集系统；砂土或者黏土孔隙水压力采集系统为插装在砂土或者黏土中的微型孔压计。

作为进一步的技术方案，所述的高温高压施加设备包括高压泵、加热装置和循环管道；所述的循环管道连接模拟管道的两端，高压泵向模拟管道内施加压力并实现内部液压油流动并通过循环管道实现循环；所述的加热装置与模拟管道相连，实现液压油的加热和温度保持。

作为进一步的技术方案，所述透明密封模型槽的底部由底板支座或千斤顶支撑。

第二方面，本发明还提供了一种海底油气管道稳定性模型试验装置及试验方法，包括以下步骤：

1.根据模型试验具体要求设计物理和力学相似比，确定模型槽尺寸、模型管道材料和尺寸。

2.安装造波机并调试，安装透明密封模型槽前后钢化玻璃、吸波板、吸水海绵，检查模型槽的密封效果，填筑底部土体。

3.制作模型管道，粘贴表面应变片，将模型管道安装到透明钢化玻璃上并对管周进行密封。

4.连接模型管道与高压泵和加热装置，调试高温高压施加设备。

5.安装数据采集系统。

6.向模型槽内注水至一定高度，待底部土体完全饱和后，安装海水循环系统，并检测其可靠性。

7.启动数据采集系统和高温高压施加设备，监测管道位移和受力状态。启动造波机(如需要)，打开底板支撑千斤顶，实现底板上下移动(如需要)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.通过设置高温高价施加设备可真实还原油气管道实际内部运营环境，模拟近海和深海油气管道工作和受力状态，实现高温、高压和波浪荷载等耦合作用下的管道在位稳定性研究，达到较为理想的试验效果。

2.模型槽底部设置有升降系统，可实现模拟运营油气管道在地震荷载作用下海床隆升或下降等地质灾害产生的管-土相互作用。

3.基于可视化观测装置和位移、应变数据采集系统，实时监测管道的受力和变形特性及管周土体强度变化，用于指导管道稳定性设计计算分析。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1试验装置示意图；

1、作动器，2、支撑梁，3、造波板支撑架，4、滑轮，5、刚性链条，6、插销解锁/紧固装置，7、支架，8、造波板，9、底板支座，10、填土，11、浪高仪，12、微型孔压计，13、应变片，14、模型管道，15、千斤顶，16、移动底板，17、高压泵，18、水泵，19、集水槽，20、集水漏斗，21、吸水海绵，22、吸波板，23、固定底板，24、数码相机，25、耐温耐压软管，26、加热装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种海底油气管道稳定性模型试验装置及试验方法，主要包括：造波机、透明密封模型槽、数据采集系统、海水循环系统、高温高压施加设备、模型管道等。

造波机主要包括作动器1、支撑梁2、刚性链条5、造波板8、造波板支撑架3、滑轮4、支架7组成；

其中，本实施例中的作动器1由伺服电机和减速机组成，最大施加荷载为20kN，加载速度为0～20m/min。

所述支撑梁2上下两侧为工字钢结构，工字钢上设有导轨，导轨内部安装滑轮4。上下工字钢之间安装有环形刚性链条5。作动器1带动刚性链条5呈顺时针或者逆时针转动。刚性链条5上每隔一段距离设置插销，带动造波板支撑架3左右移动。

支撑梁2上下分别安装有插销解锁或紧固装置6，当刚性链条5上插销移动到该位置时，上链条解锁，紧接着下链条紧固，以此改变支撑架运动方向。

造波板支撑架3前端连接造波板8，造波板8高度为0.8m-1.2m。

进一步的，按照图1所示的方位，所述透明密封模型槽前后两侧为厚度4cm双层透明钢化玻璃，模型槽右侧安装有吸波板22，吸波板22外侧为吸水海绵23。模型槽底部为厚度2cm的钢板结构，由底板支座9或千斤顶15支撑。其中由千斤顶15支撑的底板(移动底板)可上下移动，为防止模型槽内水流失，该底板与周围左右两块固定底板23之间设置可伸缩密封橡胶圈。在模型槽底部填筑砂土或者黏土10、填土表面与造波板8底部齐平或低于造波板8底部高度，主要是防止砂土或者黏土10妨碍造波板8的运动。

进一步的，本实施例中的所述数据采集系统包括浪高仪11(用于测量波浪高度)、管道应变采集系统(用于监测管-土相互作用过程中管道内部受力，分析管道自身强度)、管道变形(管道形变和位移，分析管道变形模式，建立管-土相互作用方程)和底部土体孔隙水压力(管周土体强度变化)采集系统。浪高仪11安装在模型槽底部固定底板23上，其顶面高度应高于模型槽5cm左右；

管道应变采集系统为DH3817型号应变采集仪，通过在管道表面粘贴应变片13，实现对管道应变和受力的实时采集。

管道平面内变形采用高清数码相机24采集，通过数据处理软件监测管道变形动态变化；

土体孔隙水压力由微型孔压计12采集，微型孔压计12插装在砂土或者黏土内。

进一步的，所述海水循环系统包括集水漏斗20、集水槽19和水泵18组成。上述的吸水海绵21吸收的海水经集水漏斗20收集后汇总到集水槽19中，然后经水泵18传输后实时运输至模型槽中，实现试验过程中水位的保持；进一步的，所述的集水槽19位于吸水海绵21所在空间的下方；与吸水海绵21所在空间连通，如图1右侧所示。

进一步的，所述高温高压施加设备包括高压泵17、加热装置26和循环管道。通过高压泵在管道内施加压力并实现内部液压油流动，压力范围为0-15MPa。通过加热装置26实现液压油的加热和温度保持。高压泵17通过耐温耐压软管25连接至模型管道14的一端，流经模型管道14另一端后由耐温耐压软管25流回至高压泵17内部，实现液体循环。需要说明的是，高温高压施加设备施加的压力可以达到10MP以上，高温高压施加设备施加的温度可以达到或超过100℃。

进一步的，本实施例中所述模型管道14为塑料管道，其尺寸和模量根据模型试验相似比确定。管道两端可移动，管道两端通过橡胶阻尼块安装在前后两侧钢化玻璃上，允许试验过程中模型管道14的移动和收缩。模型管道14的表面粘贴有防水应变片13，用于管道应变采集。

下面结合上述附图，对装置的试验方法进行说明，本装置的试验方法包括以下步骤：

步骤1.根据模型试验具体要求设计物理和力学相似比，确定模型槽尺寸、模型管道14材料和尺寸。

步骤2.安装造波机并调试，安装透明密封模型槽前后钢化玻璃、吸波板22、吸水海绵21，检查模型槽的密封效果，填筑底部土体10。

步骤3.制作模型管道14，粘贴表面应变片13，将模型管道安装到透明钢化玻璃上并对管周进行密封。

步骤4.连接模型管道14与高压泵17和加热装置26，调试高温高压施加设备。

步骤5.安装数据采集系统。

步骤6.向模型槽内注水至一定高度，待底部土体完全饱和后，安装海水循环系统，并检测其可靠性。

步骤7.启动数据采集系统和高温高压施加设备，监测管道14位移和受力状态。启动造波机(如需要)，打开底板支撑千斤顶，实现底板上下移动(如需要)。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海底油气管道稳定性模型试验装置，其特征在于，包括造波机、透明密封模型槽、数据采集系统、高温高压施加设备和模型管道；

所述的透明密封模型槽内安装有模型管道，且透明密封模型槽的第一侧壁为造波板，所述的造波机驱动所述造波板沿着透明密封模型槽的顶面和底面来回移动，透明密封模型槽中与第一侧壁相对的第二侧壁为吸波板；在透明密封模型槽内填筑有砂土或者黏土，砂土或者黏土的表面与造波板底部齐平或低于造波板底部高度；

所述的模型管道放置在砂土或者黏土的表面，其两端设有阻尼件，安装在透明密封模型槽另外两个侧壁上；

所述的高温高压施加设备与模型管道相连，对模型管道施加设定的温度和压力；

所述的数据采集系统采集模型管道变形、砂土或者黏土的孔隙率和浪的高度。

2.如权利要求1所述的海底油气管道稳定性模型试验装置，其特征在于，所述的造波机包括作动器、支撑梁、刚性链条、造波板、造波板支撑架、滑轮组、支架；支架固定在透明密封模型槽一侧，支撑梁固定在支架上，导轨固定上支撑梁上，导轨内部安装滑轮组，支撑梁内安装有固定其上的环形刚性链条，所述的作动器驱动所述的环形刚性链条转动，在环形刚性链条上安装有造波板支撑架，所述的造波板支撑架驱动造波板水平移动。

3.如权利要求1所述的海底油气管道稳定性模型试验装置，其特征在于，所述吸波板的外侧为吸水海绵，所述的吸水海绵放置在一个吸波板与其他构件形成的封闭空间内，在该空间的底部设有海水收集装置。

4.如权利要求3所述的海底油气管道稳定性模型试验装置，其特征在于，所述的海水收集装置通过一个泵体与透明密封模型槽连通。

5.如权利要求1所述的海底油气管道稳定性模型试验装置，其特征在于，所述的数据采集系统包括浪高仪、管道应变采集系统、管道平面内变形采集系统和砂土或者黏土孔隙水压力采集系统；所述的浪高仪安装在模型槽底部的固定底板上，其顶面高度应高于模型槽设定距离；管道应变采集系统包括应变采集仪和应变片，应变片粘贴在管道的外表面；管道平面内变形采集系统为图像采集系统；砂土或者黏土孔隙水压力采集系统为插装在砂土或者黏土中的微型孔压计。

6.如权利要求1所述的海底油气管道稳定性模型试验装置，其特征在于，所述的高温高压施加设备包括高压泵、加热装置和循环管道；

所述的循环管道连接模拟管道的两端，高压泵向模拟管道内施加压力并实现内部液压油流动并通过循环管道实现循环；

所述的加热装置与模拟管道相连，实现液压油的加热和温度保持。

7.如权利要求1所述的海底油气管道稳定性模型试验装置，其特征在于，所述透明密封模型槽的底部由底板支座或千斤顶支撑。

8.如权利要求1-7所述的海底油气管道稳定性模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据模型试验具体要求设计物理和力学相似比，确定模型槽尺寸、模型管道材料和尺寸；

安装造波机并调试，安装透明密封模型槽前后钢化玻璃、吸波板、吸水海绵，检查模型槽的密封效果，填筑底部土体；

制作模型管道，粘贴表面应变片，将模型管道安装到透明钢化玻璃上并对管周进行密封；

连接模型管道与高压泵和加热装置，调试高温高压施加设备；

安装数据采集系统；

向模型槽内注水至一定高度，待底部土体完全饱和后，安装海水循环系统，并检测其可靠性；

启动数据采集系统和高温高压施加设备，监测管道位移和受力状态。

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