CN114088339A - 一种模拟海底管道运动的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋工程研究领域，特别涉及一种模拟海底管道运动的试验方法。该方法包括步骤：土样制备；布置海床；安装液压加载器及注水；布置监测系统；启动液压加载器使管道循环往复运动，数据采集系统记录每次实验数据，实验结束，回收模型箱与实验用土，所得实验数据用于后期处理。本发明提供的装置能够通过改变管道尺寸、运动速度、运动周期等条件从而模拟不同类型的海底管道运动。本发明操作方便，并且可以自动记录数据，不但提高了科研效率，而且还为了研究海底滑坡对桩基础的损伤效应提供教学试验仪器。
Description
技术领域
本发明是关于海洋工程研究领域，特别涉及一种模拟海底管道运动的试验方法。
背景技术
海底管道是通过密闭的管道在海底连续地输送大量油(气)的管道，是海上油(气)田开发生产系统的主要组成部分，也是目前最快捷、最安全和经济可靠的海上油气运输方式。海底管道的优点是可以连续输送，几乎不受环境条件的影响，不会因海上储油设施容量限制或穿梭油轮的接运不及时而迫使油田减产或停产。故输油效率高，运油能力大。另外海底管道铺设工期短，投产快，管理方便和操作费用低。
海底管线的主要作用为输油(气)，在输油期间由于油的温度要高于海底环境，因此管道受热胀冷缩的影响将会产生膨胀导致位移，而在输油间歇期又会收缩，如此反复循环，改变海床地形。由于管道运动方式的不确定性和海底环境的复杂性，针对海底管道运动的试验需要面临大量的困难，同时海底管线的长距离、小直径等特征也使得模型箱的比例尺难以确定。因此此前的研究大多使用原位观测、数值模拟等方式进行分析，但它们都有相应的缺点：原位观测需要耗费大量的成本，水下设备需要定期维修检查，较为困难；数值模拟则存在缺乏验证的问题。
因此，迫切需要一种能真实模拟海底管道整个运动过程的模型试验方法，用来评估海底管道运营过程中存在的隐患及影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种模拟海底管道运动的试验方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种模拟海底管道运动的试验方法，该试验方法是基于模拟海底管道运动的试验装置实现的，该试验装置包括模型箱、位移作用装置和监测系统；
所述模型箱是顶部开口的箱型结构，其侧壁为有机玻璃板，在两个端面设有排水口；在模型箱中水平架设一根模型管道，其两端以挡板封闭，在管壁上设有注水管和排水管；模型箱与模型管道之间填充有模拟土体；
所述位移作用装置包括设于模型管道两端的液压加载器，两个液压加载器相向布置且与模型管道同轴；
所述监测系统包括应变片、测力计、位移计、高清摄像机、红外线测距仪、孔压传感器和数据采集系统；其中，应变片有多个，间隔粘贴在模型管道的内壁上，其导线从管道内穿出；测力计有两个，安装在模型管道端部与液压加载器之间；位移计有两个，安装在模型管道的两端部；高清摄像机布置在模型箱的侧向，与模型管道保持大致水平；红外线测距仪布置在模型箱的上方，与模型管道保持大致垂直；在模型管道的侧面或下方的模拟土体中埋设了多个孔压传感器；所述应变片、测力计、位移计、高清摄像机、红外线测距仪和孔压传感器分别通过导线连接至数据采集系统；
所述模拟海底管道运动的试验方法，具体包括下述步骤：
(1)土样制备：首先将高岭土和砂子按照实验要求的比例进行配置模拟海底土体，保证混合均匀；
(2)布置海床：分层填充模拟海底土体，每填充一层都要进行整平；在填充过程中根据预设深度埋设孔压传感器；
(3)安装液压加载器及注水：在模型管道的内壁表面贴上应变片，水平放置在模型箱内，然后安装测力计、位移计和液压加载器；继续填充、整平土体，直至设置填埋深度；然后向模型箱内注水使其渗入模拟海床的土体达到饱和，当水面到达实验所需高度时停止灌水，静止24小时使土固结；
(4)布置监测系统：在模型箱外的相应位置布置高清摄像机和红外线测距仪，将各测量设备或元器件与数据采集系统相连；
(5)启动液压加载器使模拟管道做往复运动，记录每次实验数据；实验过程中根据预设方案向模拟管道中注水或排水；实验结束后回收模型箱中的实验用土，所得实验数据用于后期处理。
作为本发明的优选方案，模型箱的排水口有四个，分别布置在端面的中部和底部。
作为本发明的优选方案，所述模型管道是空心的金属管，在管壁上设有通孔；通孔中装有橡胶塞，所述连接应变片的导线穿过橡胶塞后与数据采集系统相接。
作为本发明的优选方案，所述模型箱的侧壁上设有刻度尺或刻度标记。
作为本发明的优选方案，所述模型箱上设有环绕箱体的铁条，用于强化固定作用。
作为本发明的优选方案，在模型箱的底板上设有两个支架，所述模型管道安装在支架上。
作为本发明的优选方案，所述数据采集系统是计算机或单片机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、基于所提供的试验装置，本发明能够通过改变管道尺寸、运动速度、运动周期等条件从而模拟不同类型的海底管道运动；
2、本发明试验装置操作方便，并且可以自动记录数据，不但提高了效率，而且还为了研究海底滑坡对桩基础的损伤效应提供教学试验仪器。
附图说明
图1为本发明中试验装置的透视图。
图2为本发明中试验装置的俯视图。
图3为本发明中模型管道的左视图。
图中的附图标记为：1模型箱；2红外线测距仪；3液压加载器；4支架；5模拟管道；6位移计；7注水管；8测力计；9排水管；10孔压传感器；11数据采集系统；12应变片。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明中用于海底管道运动的试验装置，包括模型箱1、位移作用装置和监测系统；其中，
模型箱1为顶部开口的长方体箱型结构，两侧壁为外部箍有铁条的有机玻璃，铁条用于强化固定作用；模型箱1的两个端面上各设有两个排水口，分别布置在端面的中部和底部。在模型箱1的底板上设有两个支架4，模型管道5水平安装在支架4上。模型管道5的两端以挡板封闭，在管壁上设有注水管7和排水管9；模型箱1与模型管道5之间填充有模拟土体。
在模型箱1的侧壁上设有刻度尺或刻度标记，用于计算泥浆流动时的厚度。例如在模型箱1的其中一面侧板标有网格，每个网格都是1cm×1cm的方格。
位移作用装置包括设于模型管道5两端的液压加载器3，两个液压加载器3相向布置且与模型管道5同轴。液压加载器3通过加压的方式使模型管道5产生往复的水平运动，以模拟现实中的管道在海底中因热胀冷缩而运动的过程。
监测系统包括应变片12、高清摄像机(图中未示出)、孔压传感器10、红外线测距仪2、位移计6、测力计8，分别通过导线连接至数据采集系统11。高清摄像机使用符合实验记录要求的市售产品即可，本发明不作特别要求。
模型管道5是空心的金属管(如铁管、钢管或铝管)，应变片12粘贴在内壁上。在管壁上设有通孔，通孔中装有橡胶塞。连接应变片12的导线穿过橡胶塞后与数据采集系统11相接，每隔一定的时间自动记录下应变数据，以反映管道运动过程。高清摄像机布置在模型箱1的侧向，与模型管道5保持大致水平，用于测试记录管道竖向位移及箱内土体变化过程；在模型管道5的侧面或下方的模拟土体中埋设了多个孔压传感器10，用于记录管道在运动过程中下方土体的孔压变化；红外线测距仪2布置在模型箱的上方，与模型管道5保持大致垂直，用于记录管道运行过程中的横向位移变化；位移计6布置于管道5两端，并与数据采集系统11相连接，用于记录管道5的水平位移；测力计8布置在液压加载器3与模型管道5的连接处，用于记录模型管道5在运动过程中所需的拉力大小。
数据采集系统11可采用现有硬件实现，例如计算机或单片机。本领域技术人员可根据本发明功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能，由于这些内容并非本发明重点，故不再赘述。
下面基于上述海底管道模型试验装置，对海底管道位移效应实验研究方法进行详细描述。为了便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。
利用上述装置，本发明的模拟海底管道运动的试验方法包括下述步骤：
(1)土样制备：首先将高岭土、砂子按照实验要求的比例进行配置，保证其配比均匀，用以模拟海底土体；
(2)布置海床：先将土体铺至离底部20cm～25cm处进行整平，再铺至离底部30cm～35cm处进行整平，最后将土体铺至离底部35cm～40cm处进行整平，在模型土层中位于表层以下10cm～25cm处放置孔压传感器10。
(3)安装液压加载器3及注水：在模型管道5的内壁表面贴上应变片12，然后水平放置在模型箱1内的土体表面。在管道5两端安装液压加载器3、测力计8和位移计6，再铺上一层土至实验要求的埋深。向模型箱1内缓慢注水，使其渗入模拟海床的土体达到饱和，当水面到达实验所需高度时停止灌水，静止24小时使土固结。
(4)布置监测系统：在模型箱1外的相应位置布置高清摄像机和红外线测距仪2，并将其与数据采集系统11相连接，同时将各测量设备或元器件与数据采集系统11相连；
(5)启动液压加载器3使管道5循环往复运动，数据采集系统11记录每次实验数据。实验过程中根据预设方案向模拟管道中注水或排水；实验结束，回收模型箱1与实验用土，所得实验数据用于后期处理。
实施例：
利用本发明装置进行的一种模拟海底管道运动的试验，具体步骤为：
(1)配制所需实验土体，先将土体铺离底部25cm处进行整平，再铺至离底部35cm处进行整平，最后将土体铺至离底部40cm处进行整平，在表1所述位置处放置孔压传感器10。
(2)在模型管道5的内部如图3所示位置处贴上应变片12。完成布置后将模型管道5放置经过整平处理的土体之上，进行剩余各测量设备或元器件的安装后，再铺上一层土至实验要求的埋深。向模型箱1内缓慢注水渗入模拟海床的土体使其饱和，当液面升至土体表面以上0.3m时开始加快注水；当水面到达实验所需高度时停止灌水，静止24小时使土固结。
(3)使用位移计记录水平导管的初始位置(竖直方向)；向模型管道5中注水，注满后启动一端的液压加压器3，牵引管道进行轴向匀速的往复运动。运行10小时，运行完成后记录各仪器数值变化(管直径、埋深和匀速运动速度详见附表1)；
(4)运行完成后，放置24小时，记录各仪器数值变化；
(5)完成步骤4后，排除模型管道5中注入的水，并启动另一端的液压加压器3，牵引管道进行匀速的往复位移运动，速度与步骤3中的速度相同。运行10小时，运行完成后记录各仪器数值变化；
(6)运行完成后，放置24小时，记录各仪器数值变化；
(7)重复步骤3-6，进行5次。
表1
上述内容只是对模拟海底管道运动的实验研究进行描述，为了便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，但不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种模拟海底管道运动的试验方法，其特征在于，该试验方法是基于模拟海底管道运动的试验装置实现的，该试验装置包括模型箱、位移作用装置和监测系统；
所述模型箱是顶部开口的箱型结构，其侧壁为有机玻璃板，在两个端面设有排水口；在模型箱中水平架设一根模型管道，其两端以挡板封闭，在管壁上设有注水管和排水管；模型箱与模型管道之间填充有模拟土体；
所述位移作用装置包括设于模型管道两端的液压加载器，两个液压加载器相向布置且与模型管道同轴；
所述监测系统包括应变片、测力计、位移计、高清摄像机、红外线测距仪、孔压传感器和数据采集系统；其中，应变片有多个，间隔粘贴在模型管道的内壁上，其导线从管道内穿出；测力计有两个，安装在模型管道端部与液压加载器之间；位移计有两个，安装在模型管道的两端部；高清摄像机布置在模型箱的侧向，与模型管道保持大致水平；红外线测距仪布置在模型箱的上方，与模型管道保持大致垂直；在模型管道的侧面或下方的模拟土体中埋设了多个孔压传感器；所述应变片、测力计、位移计、高清摄像机、红外线测距仪和孔压传感器分别通过导线连接至数据采集系统；
所述模拟海底管道运动的试验方法，具体包括下述步骤：
(1)土样制备：首先将高岭土和砂子按照实验要求的比例进行配置模拟海底土体，保证混合均匀；
(2)布置海床：分层填充模拟海底土体，每填充一层都要进行整平；在填充过程中根据预设深度埋设孔压传感器；
(3)安装液压加载器及注水：在模型管道的内壁表面贴上应变片，水平放置在模型箱内，然后安装测力计、位移计和液压加载器；继续填充、整平土体，直至设置填埋深度；然后向模型箱内注水使其渗入模拟海床的土体达到饱和，当水面到达实验所需高度时停止灌水，静止24小时使土固结；
(4)布置监测系统：在模型箱外的相应位置布置高清摄像机和红外线测距仪，将各测量设备或元器件与数据采集系统相连；
(5)启动液压加载器使模拟管道做往复运动，记录每次实验数据；实验过程中根据预设方案向模拟管道中注水或排水；实验结束后回收模型箱中的实验用土，所得实验数据用于后期处理。
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，模型箱的排水口有四个，分别布置在端面的中部和底部。
3.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于，所述模型管道是空心的金属管，在管壁上设有通孔；通孔中装有橡胶塞，所述连接应变片的导线穿过橡胶塞后与数据采集系统相接。
4.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于，所述模型箱的侧壁上设有刻度尺或刻度标记。
5.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于，所述模型箱上设有环绕箱体的铁条，用于强化固定作用。
6.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于，在模型箱的底板上设有两个支架，所述模型管道安装在支架上。
7.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于，所述数据采集系统是计算机或单片机。
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