CN114371019A

CN114371019A - 一种海底管道轴向走管室内试验装置

Info

Publication number: CN114371019A
Application number: CN202111532586.2A
Authority: CN
Inventors: 王乐; 陈晓宇; 赵欢; 田英辉; 张春会
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-04-19

Abstract

本发明属于海底管道试验技术领域，公开了一种海底管道轴向走管室内试验装置，能够在室内模拟还原海底管道在温度循环作用下的轴向走管过程；主要由管道模型、模拟海床、温控单元、数据监测及采集单元、施力单元构成；该室内试验装置可以通过控制温度系统，模拟管道开启/关闭中造成的温度循环过程，并利用数据监测及采集单元实时观测管道各处的温度、应变及位移情况，从而实现探明海底管道轴向走管机制的目的；并且试验中，管道形状、材质、数据监测系统布置可根据具体试验要求灵活配置。

Description

一种海底管道轴向走管室内试验装置

技术领域

本发明属于海底管道试验技术领域，具体的说，是涉及一种用于探究海底管道轴向走管问题的室内试验装置。

背景技术

经过长期勘探开发，全球陆地和浅海重大油气发现越来越少，开发规模也随之减小。与此同时，随着油气开发以及石油勘探技术的不断进步，人们发现深海、超深海的油气储量不容小觑，占到全部海洋资源的30％，因此深海油气资源逐渐成为各大石油公司的主要开采方向。

海底管道是深海油气开采过程中连接深海油井、海上平台和陆地加工设施的重要组成部分，所处的海底环境十分复杂，包括内波、洋流、地震、渔网拖拽等。如此复杂的环境意味着更大的安全风险，可能使得海底管道发生破坏，并带来相应的油气泄问题，不仅会造成巨大的经济损失，也会给海洋生态环境带来极大的影响。

由于原油具有高粘度、高凝固点的特性，为了保障其在管道内运输的流畅性，管道通常处在较高的温度和压力作用下。而当管道处于非工作状态时，其温度会明显降低。在启/闭循环作业过程中，管道将由于温压循环作用产生不对称收缩及膨胀，导致管道产生累积轴向位移，即轴向走管。发生轴向走管的管道会在立管连接处及管汇处产生拖拽力，一旦走管量超出一定范围，管道连接处将在拖拽作用下发生断裂开口，对整个海底管道基础设施系统产生很大的威胁。

近年来，轴向走管方面的研究不断深入，出现了一些以数值模拟及理论推导为主的研究工作，并得出了相应的推断和结论。然而，目前尚缺乏该方面的试验设备来进行系统的试验分析及验证，使得很多结论和猜想无法为实际海洋油气工程提供可靠的参考。因此，为了探究轴向走管的机制并分析其重要影响因素，需要一种室内模拟和再现走管的试验装置。

发明内容

由于海洋油气管道发生轴向走管将对整个开发设施带来不可忽视的安全隐患，为探究管道轴向走管的发生机理、确定影响走管的重要因素以及检验理论推导、数值模拟方面的相应结论，本发明提供了一种海底管道轴向走管室内试验装置，能够在室内再现高温高压海底管道轴向走管失稳情况，该装置可用于分析海管重度、海床坡度、轴向摩擦系数、管道端部作用力及工作温度对轴向走管的影响，研究理论解析解中刚塑性界面模型假设的合理性；而通过对海底管道工作环境的模拟，有助于探明高温高压海底管道的轴向走管机制。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

本发明提供了一种用于研究海底管道轴向走管的室内试验装置，包括设置于试验平台上的管道模型；所述管道模型内部设置有电加热管，所述电加热管两端由管道端部固定块支撑固定；所述电加热管与温度控制柜连接，所述温度控制柜与多个测温元件连接，多个所述测温元件沿轴向均布地固定于所述管道模型的管壁外侧，所述温度控制柜通过所述测温元件的温度反馈，控制所述电加热管维持在预定温度值，从而为所述管道模型提供稳定热量来源；

所述管道模型的管壁外侧沿轴向均布地固定有高温应变片，所述高温应变片用于测量所述管道模型的应变；所述管道模型的管壁外侧连接有多个管道侧向延长板，并且沿平行于所述管道模型的轴向方向布置有多个分体式位移传感器，所述分体式位移传感器的传感器探头与所述管道侧向延长板一一对应地进行接触，用于测量所述管道模型的位移；所述测温元件、所述高温应变片、所述分体式位移传感器均与数据采集仪相连；所述数据采集仪与数据显示屏连接，将所测数据传输至所述数据显示屏进行实时的记录和显示；

所述管道模型的一端焊接有十字钢条，并且在该端的外侧设置有端部滑轮，所述端部滑轮通过支架固定于试验平台；绕过所述端部滑轮的钢丝绳一端连接砝码，另一端连接于所述十字钢条的中心，从而为所述管道模型提供端部力。

进一步地，所述管道模型采用铝制管道，该铝制管道的横截面为正方形。

进一步地，所述管道模型放置于花岗岩基底表面，花岗岩基底放置于所述试验平台上。

更进一步地，所述管道模型与所述花岗岩基底之间铺设有细粒石英砂。

进一步地，所述电加热管包括四根，均匀分布在所述管道模型内部。

进一步地，所述测温元件采用铂电阻温度传感器。

进一步地，所述高温应变片的基底选用与所述管道模型膨胀系数相同的材料。

进一步地，多个所述管道侧向延长板沿所述管道模型的轴向均匀分布，每个所述管道侧向延长板垂直于所述管道模型的轴向设置

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种海底管道轴向走管室内试验装置，充分考虑了影响海底管道轴向走管的各种因素，可通过调整具体试验方案实现对各种影响因素进行分析。例如，可通过改变管道模型材料和尺寸、海床基底坡度、端部砝码重量、管道模型工作温度以及海床材料粗糙程度探究海管重度、海床坡度、管道端部激发力、温度幅值、海床摩擦系数对管道轴向走管的影响。

试验利用电加热管对管道模型进行空气加热，避免了加热设备直接接触管道模型对管道模型受力或变形带来的影响，通过温度控制系统能够较为真实地模拟油气运输中的温度循环过程。

试验开始后，通过数据监测及采集单元，不仅能够得到每次温度循环管道轴向位移的大小，还可通过测温元件、高温应变片得到管道实时温度及应变情况，用于后期数据处理及核对，保证试验数据的准确性。

另外，本试验设备突破了常规海管试验的场地限制，可完全在室内进行，占用空间小，无须使用过长的管线即可达到研究海底管道轴向走管机制的目的。

附图说明

图1为本发明提供的用于研究海底管道轴向走管的室内试验装置的结构示意图；

图2为本发明提供的室内试验装置中管道模型的结构示意图；

图3为本发明提供的室内试验装置中温控单元、数据监测及采集单元的结构示意图；

上述图中：1、管道模型；2、电加热管；3、端部滑轮；4、测温元件；5、管道侧向延长板；6、高温应变片；7、管道端部固定块；8、细粒石英砂；9、分体式位移传感器；10、花岗岩基底；11、数据显示屏；12、数据采集仪；13、温度控制柜。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例提供一种海底管道轴向走管室内试验装置，能够在室内模拟还原海底管道在温度循环作用下的轴向走管过程；主要由管道模型1、模拟海床、温控单元、数据监测及采集单元、施力单元构成；该室内试验装置可以通过控制温度系统，模拟管道开启/关闭中造成的温度循环过程，并利用数据监测及采集单元实时观测管道各处的温度、应变及位移情况，从而实现探明海底管道轴向走管机制的目的。试验中，管道形状、材质、数据监测系统布置可根据具体试验要求灵活配置。

结合图2和图3所示，对于本室内试验装置，经过大量关于海底管道轴向走管解析解的试算，最终发现海底管道的热膨胀系数对管道的走管变形量具有十分明显的影响效果。膨胀系数越大，管道的温度响应就越明显。因此，为保证本试验的可观测性以及试验数据的准确性，本技术方案选用膨胀系数较大的铝制管道作为管道模型1，管道膨胀系数α为2.3×10^-5。由于管道走管是海底管道轴向失稳行为，因此在考虑管道模型1形状时，为简化试验和方便管道数据测量，避免发生圆形管道侧向滚动而带来的试验误差，本方案优选采用横截面为正方形的铝制管道。并且，管道模型1的尺寸应充分考虑轴向走管解析解量级以及数据监测系统的精确性，确保试验过程中温度、应变、轴向位移等各项数据能够实时准确反馈。经过大量关于海底管道轴向走管解析解的试算，考虑到室内试验场地限制问题，将铝制管道长度定为100cm，管道外边长12cm，内边长10.2cm，管道壁厚0.9cm为佳。

模拟海床包括放置于试验平台的花岗岩基底10和铺设于管道模型1与花岗岩基底10之间的细粒石英砂8。选择耐热性能好、膨胀系数低的花岗岩基底10作为模拟海床基底材料，能够避免在管道模型1工作温度变化过程中，基底材料伴随管道模型1产生明显的膨胀和收缩，从而影响管道模型1实际位移量的测量。细粒石英砂8作为媒介，能够明显提高了管道模型1与花岗岩基底10的贴合度，使管道模型1受热均匀，保证试验准确性。

温控单元由四根电加热管2和温度控制柜13构成，电加热管2位于管道模型1内部。为保证对管道模型1加热的均一性，四根电加热管2均匀分布在管道模型1内部，电加热管2与管道模型1的内壁距离不小于2cm。电加热管2两端由管道端部固定块7支撑固定，管道端部固定块7通过自身厚度放置于花岗岩基底10表面。管道端部固定块7为实心铁块，并开设有四个通孔用于使电加热管2穿过。电加热管2通过导线与温度控制柜13的温度输出端口进行连接。

试验开始时，通过操作温度控制柜13仪表盘，可将加热指令下达至电加热管2，利用空气加热的方式，实现对管道模型1高温工作环境的还原。测温元件4通过耐高温胶带粘贴于管道模型1管壁外侧，并通过高温导线将温度数据传输至温度控制柜13，通过测温元件4的温度反馈使温度控制柜13控制电加热管1维持在预定温度值，为管道模型1提供稳定的热量来源，从而实现管道模型1温度的实时可控性。测温元件4通常选用铂电阻温度传感器，该传感器测温量程范围为-50℃-200℃，可通过直接接触管道模型1实现温度测量，不仅操作简单，而且精度较高。

数据监测及采集单元主要包括测温元件4、高温应变片6、分体式位移传感器9、数据采集仪12以及数据显示屏11。测温元件4、高温应变片6、分体式位移传感器9均通过电流信号线与数据采集仪12相连；与此同时，数据采集仪12会将所测数据传输至数据显示屏11，从而实现试验数据的实时记录。

多个测温元件4沿轴向均匀布置于管道模型1的管壁外侧，在管道模型1的两端及中部均有分布；以便于实时监测管道模型1的温度值，并能起到检验管道模型1是否均匀加热的作用。

应变的测量通过使用高温应变片6来实现，高温应变片6通过耐高温型胶水粘贴于管道模型1上表面中间位置，并且沿管道模型1轴向均匀分布；高温应变片6布置密度可根据测量需求调整，例如，本实施例中均匀布置七个高温应变片6，相邻高温应变片6间距为15cm。考虑到本试验的高温特性，高温应变片6基底选用与管道模型1膨胀系数相同的材料，以去除高温应变片6本身由于受热膨胀对试验数据的影响，达到温度补偿的目的。

管道模型1位移的测量采用分体式位移传感器9，分体式位移传感器9安装在花岗岩基底10表面。多个分体式位移传感器9平行于管道模型1的轴向方向布置，并且每个分体式位移传感器9的传感器探头与管道侧向延长板5相接触。多个管道侧向延长板5沿管道模型1的轴向均匀分布，数量与分体式位移传感器9保持一致。每个管道侧向延长板5均垂直于管道模型1的轴向设置，并且管道侧向延长板5的一端与管道模型1的管壁外侧固定连接。为保证管道位移测量的即时性和准确性，管道侧向延长板5选用钢性较大的材料，如不锈钢。

如此，当管道模型1发生轴向位移，将带动分体式位移传感器9的探头共同移动，实现对管道模型1位移的测量。

施力单元包括端部滑轮3和砝码。端部滑轮3设置于管道模型1一端外侧，通过支架固定试验平台。管道模型1相对于端部滑轮3的一端焊接有十字钢条，绕过端部滑轮3的钢丝绳一端连接砝码，另一端连接于十字钢条的中心，从而为管道模型1提供恒定端部力。

试验时，首先利用砝码通过端部滑轮2对管道模型1施加一定激发力，然后通过温度控制系统，对管道模型1进行升温、降温操作，模拟管道模型1在油气开采过程中的开启/关闭状态循环，并记录每次循环过程中的起始温度、最高温度、应变值、轴向位移，便于后期处理试验数据。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，包括设置于试验平台上的管道模型；所述管道模型内部设置有电加热管，所述电加热管两端由管道端部固定块支撑固定；所述电加热管与温度控制柜连接，所述温度控制柜与多个测温元件连接，多个所述测温元件沿轴向均布地固定于所述管道模型的管壁外侧，所述温度控制柜通过所述测温元件的温度反馈，控制所述电加热管维持在预定温度值，从而为所述管道模型提供稳定热量来源；

2.根据权利要求1所述的一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，所述管道模型采用铝制管道，该铝制管道的横截面为正方形。

3.根据权利要求1所述的一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，所述管道模型放置于花岗岩基底表面，花岗岩基底放置于所述试验平台上。

4.根据权利要求3所述的一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，所述管道模型与所述花岗岩基底之间铺设有细粒石英砂。

5.根据权利要求1所述的一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，所述电加热管包括四根，均匀分布在所述管道模型内部。

6.根据权利要求1所述的一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，所述测温元件采用铂电阻温度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，所述高温应变片的基底选用与所述管道模型膨胀系数相同的材料。

8.根据权利要求1所述的一种海底管道轴向走管室内试验装置，其特征在于，多个所述管道侧向延长板沿所述管道模型的轴向均匀分布，每个所述管道侧向延长板垂直于所述管道模型的轴向设置。