CN115371952A - 一种浅埋海底管道冲刷测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种浅埋海底管道冲刷测试装置，包括试验水槽、试验模型、造波系统以及检测系统；所述试验模型和造波系统均设于所述试验水槽内，所述试验模型包括海床模型和管线模型，所述管线模型埋设于所述海床模型上，所述造波系统用于驱动所述试验水槽内的水体形成波浪；所述检测系统设于所述试验模型的上方，所述检测系统用于采集所述试验模型的形状数据并根据所述形状数据生成三维模型。本发明实施例还公开了一种与上述测试装置相关的浅埋海底管道冲刷测试方法。采用本发明实施例，能够模拟仿真海床冲刷的实际环境，测试结果与实际情况的偏差更小。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种浅埋海底管道冲刷测试装置及一种浅埋海底管道冲刷测试方法。
背景技术
目前，我国海洋经济发展迅速，无论是国家还是企业对于海底油气资源的关注都日益上升。海底管道作为输送海底油气资源的重要设备，也成为了海洋装备研究的重点，合理分析管道在复杂海洋环境下的稳定性，确保海底管道的安全运营，是海洋油气开采中的一个关键问题。在波浪等海洋环境载荷的作用下，海底管道周围海床将发生局部冲刷现象，如果悬跨足够大，管道变形和内部应力幅值将增大；同时，在海洋波流载荷作用下，管道可能产生涡激振动，严重时将导致管道断裂。因此，海底管道周围海床冲刷是海底管道安全运营的潜在威胁。
现有的浅埋海底管道冲刷测试装置及方法，一般是通过获取海流速度、波浪高度、泥沙粒径、泥沙密度、水深等数据，这些数据代入预测公式中预测海底管道周围海床的冲刷深度，缺乏海床冲刷的模拟仿真试验，得到的测试结果与实际情况存在较大的偏差。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种浅埋海底管道冲刷测试装置及方法，能够模拟仿真海床冲刷的实际环境，测试结果与实际情况的偏差更小。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种浅埋海底管道冲刷测试装置，包括试验水槽、试验模型、造波系统以及检测系统；所述试验模型和造波系统均设于所述试验水槽内，所述试验模型包括海床模型和管线模型，所述管线模型埋设于所述海床模型上，所述造波系统用于驱动所述试验水槽内的水体形成波浪；所述检测系统设于所述试验模型的上方，所述检测系统用于采集所述试验模型的形状数据并根据所述形状数据生成三维模型。
作为上述方案的改进，所述造波系统包括推板式造波机和消波器；所述推板式造波机用于驱动所述试验水槽内的水体形成波浪，所述消波器用于消除反射波。
作为上述方案的改进，所述海床模型设有斜坡部，所述斜坡部与所述推板式造波机相向设置，所述管线模型设于所述斜坡部上。
作为上述方案的改进，所述消波器包括第一消波器、第二消波器和第三消波器；所述第一消波器设于所述试验水槽的一侧壁与所述推板式造波机之间；所述第二消波器设于所述推板式造波机与所述海床模型之间；所述第三消波器设于所述海床模型与所述试验水槽的另一侧壁之间。
作为上述方案的改进，所述造波系统还包括波高仪和控制器；所述波高仪设于所述试验水槽内并与所述控制器连接，所述波高仪用于检测波浪的波高和周期，所述控制器与所述推板式造波机连接并用于控制所述推板式造波机。
作为上述方案的改进，所述检测系统包括扫描器和计算机；所述扫描器用于扫描所述试验模型以生成所述形状数据，所述计算机与所述扫描器连接并用于根据所述形状数据生成所述三维模型。
作为上述方案的改进，所述扫描器包括导轨、滑动机构和扫描仪；所述导轨设于所述试验水槽内并位于所述海床模型的上方，所述扫描仪通过所述滑动机构设于所述导轨上并可沿所述导轨来回移动，所述计算机分别与所述滑动机构和扫描仪连接。
作为上述方案的改进，所述试验水槽设有透明外壁。
另一方面，本发明实施例还提供了一种浅埋海底管道冲刷测试方法，包括：获取试验模型的初始形状数据并根据所述初始形状数据生成初始三维模型；在预设时间内，控制造波系统驱动试验水槽内的水体形成具有预设波高和周期的多组波浪；获取试验模型的当前形状数据并根据所述当前形状数据生成当前三维模型；根据所述初始形状数据和当前形状数据得到差异三维模型。
作为上述方案的改进，所述根据所述初始形状数据和当前形状数据得到差异三维模型的步骤包括：将所述初始形状数据与所述当前形状数据匹配在同一个坐标系内；将同一个坐标系内的初始形状数据和当前形状数据进行重合比对得到差异形状数据，其中，所述初始形状数据、当前形状数据和差异形状数据均为点云数据；根据所述差异形状数据生成所述差异三维模型。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
在所述浅埋海底管道冲刷测试装置中，所述试验水槽用于盛装海水，所述试验模型设于所述试验水槽内，通过所述造波系统驱动所述试验水槽内的水体形成波浪，从而达到模拟仿真海床冲刷的实际环境的目的，最终通过所述检测系统采集所述试验模型的形状数据并根据所述形状数据生成三维模型，测试结果与实际情况的偏差更小。
附图说明
图1是本发明所提供的浅埋海底管道冲刷测试装置的前视图；
图2是本发明所提供的浅埋海底管道冲刷测试装置的俯视图；
图3是本发明所提供的浅埋海底管道冲刷测试装置的电连接示意图；
图4是本发明所提供的浅埋海底管道冲刷测试方法的实施流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
结合图1～图3所示，本发明实施例提供了一种浅埋海底管道冲刷测试装置，包括试验水槽1、试验模型2、造波系统3以及检测系统4；所述试验模型2和造波系统3均设于所述试验水槽1内，所述试验模型2包括海床模型21和管线模型22，所述管线模型22埋设于所述海床模型21上，所述造波系统3用于驱动所述试验水槽1内的水体形成波浪；所述检测系统4设于所述试验模型2的上方，所述检测系统4用于采集所述试验模型2的形状数据并根据所述形状数据生成三维模型。
需要说明的是，在所述浅埋海底管道冲刷测试装置中，所述试验水槽1用于盛装海水，所述试验模型2设于所述试验水槽1内，通过所述造波系统3驱动所述试验水槽1内的水体形成波浪，从而达到模拟仿真海床冲刷的实际环境的目的，最终通过所述检测系统4采集所述试验模型2的形状数据并根据所述形状数据生成三维模型，测试结果与实际情况的偏差更小。在本实施例中，所述试验水槽1的长优选为16米，宽优选为0.4米，高为0.5米；所述海床模型21优选由海泥堆积形成；所述管线模型22优选由多组管道构成，所述管道优选由PVC材料制成，外径为30毫米～50毫米，壁厚为5毫米；所述管线模型22浅埋设于所述海床模型21上。
结合图1～图2所示，所述造波系统3包括推板式造波机31和消波器；所述推板式造波机31用于驱动所述试验水槽1内的水体形成波浪，所述消波器用于消除反射波，尽可能避免反射波在所述推板式造波机31与所述试验水槽1的侧壁之间往复运动，形成二次甚至多次反射波，这些反射波与入射波相互干扰、相互叠加，形成非常复杂的波系，对冲刷测试试验的测试精度造成不良影响。
如图1所示，所述海床模型21设有斜坡部211，所述斜坡部211与所述推板式造波机31相向设置，所述管线模型22设于所述斜坡部211上。由于在海流、波浪等海洋环境载荷的长期作用下，海床容易被冲刷形成一定坡度的斜坡，因此设置一定倾斜度的斜坡部211，以更好地模拟仿真海床冲刷的实际环境。在本实施例中，所述斜坡部211的倾斜角度可根据试验需求设置；所述管线模型22浅埋设于所述斜坡部211上。
结合图1～图2所示，所述消波器包括第一消波器32、第二消波器33和第三消波器34；所述第一消波器32设于所述试验水槽1的一侧壁与所述推板式造波机31之间，优选设在所述推板式造波机31的背面；所述第二消波器33设于所述推板式造波机31与所述海床模型21之间；所述第三消波器34设于所述海床模型21与所述试验水槽1的另一侧壁之间。其中，所述第一消波器32用于消除所述试验水槽1的一侧壁与所述推板式造波机31之间的反射波，所述第二消波器33用于消除所述推板式造波机31与所述海床模型21之间的反射波，所述第三消波器34用于消除所述海床模型21与所述试验水槽1的另一侧壁之间的反射波。在本实施例中，所述第一消波器32、第二消波器33和第三消波器34均优选由海绵层、消波管道等消波部件构成。
结合图1和图3所示，所述造波系统3还包括波高仪35和控制器36；所述波高仪35设于所述试验水槽1内并与所述控制器36连接，所述波高仪35用于检测波浪的波高和周期，所述控制器36与所述推板式造波机31连接并用于控制所述推板式造波机31。在本实施例中，所述波高仪35优选由波高传感器和波高放大器及相关配件组成；所述控制器36优选为PLC控制器36。
其次，所述检测系统4包括扫描器41和计算机42；所述扫描器41用于扫描所述试验模型2以生成所述形状数据，所述计算机42与所述扫描器41连接并用于根据所述形状数据生成所述三维模型。具体地，所述扫描器41包括导轨411、滑动机构412和扫描仪413；所述导轨411设于所述试验水槽1内并位于所述海床模型21的上方，所述扫描仪413通过所述滑动机构412设于所述导轨411上并可沿所述导轨411来回移动，所述计算机42分别与所述滑动机构412和扫描仪413连接。在本实施例中，所述扫描仪413优选为水下三维激光ULS-100扫描仪，以能够在水下对所述试验模型2进行扫描并生成相应的点云数据；所述计算机42通过三维模型生成软件(例如Bentley ContextCapture、Bentley Pointools和BentleyDescartes)将所述扫描仪413发送的点云数据转换为三维模型；此外，所述计算机42通过所述控制器36与所述波高仪35连接，所述计算机42内设有波高采集软件，配合所述波高仪35采集波浪的波高和周期，测试人员也可通过所述计算机42向所述控制器36发送控制指令，进而控制所述推板式造波机31驱动水体产生设定波高和设定周期的波浪。
如图1所示，为了方便测试人员肉眼观察试验过程及结果，所述试验水槽1设有透明外壁。在本实施例中，所述试验水槽1优选为工业铝材框架和钢化玻璃构成，其中钢化玻璃作为试验水槽1的槽壁。
以上为浅埋海底管道冲刷测试装置的具体实施例，在本实施例中，进行浅埋海底管道冲刷测试方法前，测试人员需要先进行试件安装：
(1)在所述试验水槽1的槽壁上画上网格线以及预设斜坡床面线；
(2)将一侧带有挡土结构的海泥、砂土按照预设斜坡床面线铺设在所述试验水槽1内，以形成所述海床模型21；
(3)向所述试验水槽1内注水，当水面高于所述海床模型21的上表面50厘米时，打开排水阀开始排水以使所述海床模型21固结。
(4)启动所述推板式造波机31驱动所述试验水槽1内的水体形成波浪，波浪持续冲刷所述海床模型21，以使所述海床模型21表面形成所述斜坡部211。
(5)依据试验工况将多根管道埋置在所述海床模型21内，并固定这些管道，以形成所述管线模型22。
在其他实施例，测试人员还可通过其他方式进行试件安装，不限于上述步骤，能够形成上述浅埋海底管道冲刷测试装置的结构即可。
如图4所示，图4显示了本发明实施流所提供的一种浅埋海底管道冲刷测试方法的实施流程，包括：
S101，获取试验模型2的初始形状数据并根据所述初始形状数据生成初始三维模型。
首先通过所述扫描仪413采集所述试验模型2的初始形状数据(即初始点云数据)，然后通过所述计算机42内的三维模型生成软件将所述初始点云数据转换为所述初始三维模型，以便于后面的参照比对。
S102，在预设时间内，控制造波系统3驱动试验水槽1内的水体形成具有预设波高和周期的多组波浪。
在本实施例中，在30分钟内，计算机42向所述控制器36发送造波数据，所述控制器36根据所述造波数据控制所述造波系统3驱动水体形成8组波浪，每组波浪的波高和周期与设定值一致。其中，为了避免波浪反射的影响，所述造波系统3每造一组波后，需要等待水面平静后继续造下一组波。
S103，获取试验模型2的当前形状数据并根据所述当前形状数据生成当前三维模型。
与步骤S101同理，在此不再赘述。
S104，根据所述初始形状数据和当前形状数据得到差异三维模型。
测试人员可通过观察比较所述初始三维模型、当前三维模型和差异三维模型，更直观地得出海床冲刷深度及相应的海底管道变形情况，从而测试出每种海底管道的抗冲刷能力和对应的预埋深度。
具体地，步骤S104包括：
(1)将所述初始形状数据与所述当前形状数据匹配在同一个坐标系内。
(2)将同一个坐标系内的初始形状数据和当前形状数据进行重合比对得到差异形状数据。
将所述初始形状数据与所述当前形状数据重合后，将其中三维坐标相等的点云数据剔除，从而得到所述差异形状数据。其中，所述初始形状数据、当前形状数据和差异形状数据均为点云数据。
(3)根据所述差异形状数据生成所述差异三维模型。
与步骤S101中生成所述初始三维模型的过程同理，在此不再赘述。
综上所述，采用本发明实施例，能够模拟仿真海床冲刷的实际环境，测试结果与实际情况的偏差更小。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，包括试验水槽、试验模型、造波系统以及检测系统；
所述试验模型和造波系统均设于所述试验水槽内，所述试验模型包括海床模型和管线模型，所述管线模型埋设于所述海床模型上，所述造波系统用于驱动所述试验水槽内的水体形成波浪；
所述检测系统设于所述试验模型的上方，所述检测系统用于采集所述试验模型的形状数据并根据所述形状数据生成三维模型。
2.根据权利要求1所述的浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，所述造波系统包括推板式造波机和消波器；
所述推板式造波机用于驱动所述试验水槽内的水体形成波浪，所述消波器用于消除反射波。
3.根据权利要求2所述的浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，所述海床模型设有斜坡部，所述斜坡部与所述推板式造波机相向设置，所述管线模型设于所述斜坡部上。
4.根据权利要求2所述的浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，所述消波器包括第一消波器、第二消波器和第三消波器；
所述第一消波器设于所述试验水槽的一侧壁与所述推板式造波机之间；
所述第二消波器设于所述推板式造波机与所述海床模型之间；
所述第三消波器设于所述海床模型与所述试验水槽的另一侧壁之间。
5.根据权利要求2所述的浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，所述造波系统还包括波高仪和控制器；
所述波高仪设于所述试验水槽内并与所述控制器连接，所述波高仪用于检测波浪的波高和周期，所述控制器与所述推板式造波机连接并用于控制所述推板式造波机。
6.根据权利要求1所述的浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，所述检测系统包括扫描器和计算机；
所述扫描器用于扫描所述试验模型以生成所述形状数据，所述计算机与所述扫描器连接并用于根据所述形状数据生成所述三维模型。
7.根据权利要求6所述的浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，所述扫描器包括导轨、滑动机构和扫描仪；
所述导轨设于所述试验水槽内并位于所述海床模型的上方，所述扫描仪通过所述滑动机构设于所述导轨上并可沿所述导轨来回移动，所述计算机分别与所述滑动机构和扫描仪连接。
8.根据权利要求1所述的浅埋海底管道冲刷测试装置，其特征在于，所述试验水槽设有透明外壁。
9.一种浅埋海底管道冲刷测试方法，其特征在于，包括：
获取试验模型的初始形状数据并根据所述初始形状数据生成初始三维模型；
在预设时间内，控制造波系统驱动试验水槽内的水体形成具有预设波高和周期的多组波浪；
获取试验模型的当前形状数据并根据所述当前形状数据生成当前三维模型；
根据所述初始形状数据和当前形状数据得到差异三维模型。
10.根据权利要求9所述的浅埋海底管道冲刷测试方法，其特征在于，所述根据所述初始形状数据和当前形状数据得到差异三维模型的步骤包括：
将所述初始形状数据与所述当前形状数据匹配在同一个坐标系内；
将同一个坐标系内的初始形状数据和当前形状数据进行重合比对得到差异形状数据，其中，所述初始形状数据、当前形状数据和差异形状数据均为点云数据；
根据所述差异形状数据生成所述差异三维模型。
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| CN202210799716.7A CN115371952A (zh) | 2022-07-08 | 2022-07-08 | 一种浅埋海底管道冲刷测试装置及方法 |
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| CN202210799716.7A CN115371952A (zh) | 2022-07-08 | 2022-07-08 | 一种浅埋海底管道冲刷测试装置及方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN115371952A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116011356A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-04-25 | 浙江大学 | 一种基于ConvLSTM与OpenFOAM数值计算耦合的海底管缆冲刷预测方法 |
-
2022
- 2022-07-08 CN CN202210799716.7A patent/CN115371952A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116011356A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-04-25 | 浙江大学 | 一种基于ConvLSTM与OpenFOAM数值计算耦合的海底管缆冲刷预测方法 |
| CN116011356B (zh) * | 2023-01-09 | 2023-09-08 | 浙江大学 | 一种基于ConvLSTM与OpenFOAM数值计算耦合的海底管缆冲刷预测方法 |
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