CN116296900A - 一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，具体而言，公开了一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统及方法，采用碳酸盐岩和凹形水层模拟河底岩层环境，通过设置的输气管路以及伸缩控制系统和管路控制系统，用于模拟输送状态下管道的压力变化情况，并通过压力测量系统获得其受断层剪切影响的压力变化，可用于研究输气管道在正常运行过程中两端不同倾斜角度的倾斜段受到断层剪切力作用的条件下，输气管道内压力的变化情况，为管路的安全及稳定运行奠定了基础。

Description

一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统及方法

技术领域

本发明是一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统及方法，具体涉及一种测量河底输气管道受断层剪切影响的压力变化控制系统及方法，属于输气管道测量技术领域。

背景技术

近年来，随着城市燃气用户的快速增加，城市燃气管网覆盖面越来越广，面对中国西部地区复杂地形，输气管道铺设过程中穿越河流就成了不可避免的问题。输气管道在穿越河流铺设完成并实际运行后，管道内输送的天然气为高压、易燃、易爆。在输气管道穿越河流时，在河底遇到地质条件复杂多变，如导水断层、裂隙、岩洞、河谷深槽等突水危险地段，往往会出现地层内的岩层有断层出现，断层的出现对输气管道而言将产生剪切力，使输气管道发生断裂、扭曲、位移，从而影响输气管道的安全运行和使用寿命。因此，对于输气管道在河底穿越时，有必要设计测量河底输气管道受断层剪切影响的压力变化装置进行研究，这将对现场进行河底输气管道设计和铺设时，进行充分考虑地质条件和断层情况，采取相应的措施保证管道的安全和稳定运行具有重要意义。

现有技术中，公开号为CN217384335U的实用新型专利公开了一种测量输气管道不同堵塞位置压力与流量影响装置，该装置采用甲烷气瓶和输气管道连通，用于模拟天然气输气管路，并在管路中设置微颗粒漏斗，将微颗粒与甲烷气体在管路中进行循环，以模拟真实输气工况；并在输气管道中部设置蝶阀，输气管道的两端部分别设置第一压力传感器和第二压力传感器，通过蝶阀关闭来模拟完全堵塞点，能达到完全堵塞的效果，同时通过第一压力传感器、第二压力传感器和流量传感器来进行测量，以获得完全堵塞后堵塞点前后的压力变化以及完全堵塞点前方的流量变化情况。由此可见，该专利是通过测量装置来模拟管道堵塞前后工况，并结合压力传感器和流量传感器来获取输气管道内堵塞前后的压力及流量变化，属于管道内的压力测量，且仅适用于管道堵塞工况，并不能实现输气管道外受断层剪切影响的工况模拟以及输气管道外的压力测量。

发明内容

本发明旨在提供一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统，采用碳酸盐岩和凹形水层模拟河底岩层环境，通过设置的输气管路以及伸缩控制系统和管路控制系统，用于模拟输送状态下管道的压力变化情况，并通过压力测量系统获得其受断层剪切影响的压力变化，为此，本发明还提供了基于该控制系统来测量河底输气管道剪切应力变化的方法，可用于研究输气管道在正常运行过程中两端不同倾斜角度的倾斜段受到断层剪切力作用的条件下，输气管道内压力的变化情况，为管路的安全及稳定运行奠定了基础。

本发明通过下述技术方案实现：一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统，包括输气管路、矩形箱体、伸缩控制系统、压力测量系统和管路控制系统，

所述输气管路包括甲烷气瓶和输气管道，输气管道的两端部分别为倾斜的第一倾斜段和第二倾斜段，甲烷气瓶依次经第一球阀、加压泵、气体流量计、第二球阀连接至第一倾斜段，第二倾斜段经第三球阀连接至第一球阀和加压泵之间并形成回路；

所述矩形箱体内设有碳酸盐岩和凹形水层形成的模拟河底岩层环境，输气管道设于碳酸盐岩内，第一倾斜段和第二倾斜段分别向矩形箱体顶部倾斜，矩形箱体顶部至第一倾斜段之间、矩形箱体顶部至第二倾斜段之间均设有隔离其上方岩层的倾斜板；

所述伸缩控制系统包括驱动控制器和连接驱动控制器的两组伸缩器，两组伸缩器分别对应设于第一倾斜段和第二倾斜段上方岩层隔离区域的矩形箱体顶部，两组伸缩器的伸缩杆上均设有挤压岩层的平板；

所述压力测量系统包括压力监测系统，以及分别连接压力监测系统的两组压力传感器和两组受挤压传感器，两组压力传感器分别位于第一倾斜段和第二倾斜段的中段，两组受挤压传感器分别位于第一倾斜段和第二倾斜段上方的岩层隔离区域内；

所述管路控制系统用于控制甲烷气瓶、第一球阀、加压泵、第二球阀以及第三球阀的开启和关闭。

所述凹形水层位于矩形箱体中上部，用于模拟实际工况下的河流。

所述输气管道于碳酸盐岩内按中间水平且两端对称倾斜而设置，倾斜角度为30°～60°。

所述倾斜板对称设置，倾斜板的倾斜角度与矩形箱体顶部所在水平面的夹角呈60°～120°。

所述伸缩器上，位于伸缩杆至矩形箱体侧壁一侧的平板长度大于位于伸缩杆至倾斜板一侧的平板长度。

一种测量河底输气管道剪切应力变化的方法，采用上述控制系统，按以下流程进行测量：

S1.启动管路控制系统和压力监测系统，首先控制甲烷气瓶、第一球阀、加压泵、第二球阀以及第三球阀开启，使加压泵、第二球阀、输气管道、第三球阀连通并形成回路，待压力监测系统上显示的两组压力传感器的压力趋于稳定后，控制甲烷气瓶和第一球阀关闭；

S2.甲烷气体于回路中继续循环1min后，启动伸缩控制系统，通过驱动控制器控制两组伸缩器的伸缩杆同时伸长，使平板往下运动并将对应岩层隔离区域内的岩层往下挤压，压力监测系统获取压力传感器的压力和受挤压传感器的挤压力并进行记录；

S3.根据伸缩杆伸长过程中压力和挤压力的变化，获得压力变化曲线图以及受挤压力变化曲线图，并计算两者压力变化的最大值，即测量过程结束。

所述步骤S2中，通过驱动控制器控制伸缩杆在伸长过程中，分别在伸缩杆伸长至2cm、4cm、6cm、8cm时，停止10s后再继续伸长。

所述测量时，根据控制系统中输气管道两端的不同倾斜角度，分别进行测量。

所述测量时，调整输气管道两端的倾斜角度为30°、45°和60°。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明专用于河底输气管道设置及铺设而设计，考虑到河底地层条件影响下可能出现断层而对输气管道产生剪切压力，并对输气管道的安全及稳定运行带来影响，为此，本发明通过设置加压泵、第二球阀、输气管道、第三球阀形成的循环回路实现甲烷气体循环，实现模拟输气管道正常运行的过程；将输气管道设置于矩形箱体内，并通过矩形箱体内的碳酸盐岩和凹形水层来模拟河底岩层环境；然后通过伸缩控制系统对岩层挤压以模拟管道受到的剪切力，并由此获得管道的压力变化曲线及挤压力变化曲线，可为河底输气管道的设计和现场铺设提供理论依据。

（2）本发明首次采用倾斜管段来模拟管道所受断层剪切的压力变化，通过伸缩控制系统控制两组伸缩器上的平板往下运动，挤压第一倾斜段和第二倾斜段的对应岩层，模拟管道受到的断层剪切力，提高了测量的真实性。

（3）本发明通过伸缩控制系统和压力测量系统可实现管道压力变化曲线及挤压力变化曲线的显示，伸缩控制系统通过控制伸缩器的伸缩杆伸长至2cm、4cm、6cm、8cm时，停止10s后再继续伸长，同时通过压力测量系统的压力传感器和受挤压传感器对相应状态下的压力和挤压机进行测量和记录，可提高检测的精确度，以保证后续压力变化曲线及挤压力变化曲线的有效性。

（4）本发明通过将输气管道的两端对称设置为第一倾斜段和第二倾斜段，可以在倾斜角度为60°、45°、30°时分别测量输气管道受断层剪切力的影响，从而提高测量范围，保证管道设计及铺设的准确性。

综上所述，本发明提供的是一种能够真实模拟河底输气管道实际运行过程，同时又能够准确测量输气管道受到断层剪切后管道内的压力变化情况的测量方法及系统，测量效果准确，是保证管道安全和稳定运行的关键。

附图说明

图1为本发明控制系统（倾斜角度为60°时）的结构示意图。

图2为本发明伸缩器的结构示意图。

图3为本发明控制系统（倾斜角度为45°时）的结构示意图。

图4为本发明控制系统（倾斜角度为30°时）的结构示意图。

图5为本发明方法进行测量的流程图。

图6为本发明在不同倾斜角度下伸缩杆向下伸长2cm、4cm、6cm、8cm时输气管道内的压力变化曲线图。

图7为本发明在不同倾斜角度下伸缩杆向下伸长2cm、4cm、6cm、8cm时碳酸盐岩的受挤压力变化曲线图。

其中，1—矩形箱体，2—甲烷气瓶，3—输气管道，4—第一倾斜段，5—第二倾斜段，6—第一球阀，7—加压泵，8—气体流量计，9—第二球阀，10—碳酸盐岩，11—凹形水层，12—倾斜板，13—驱动控制器，14—伸缩器，15—伸缩杆，16—平板，17—压力监测系统，18—压力传感器，19—受挤压传感器，20—第三球阀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例是一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统。

该控制系统主要由输气管路、矩形箱体1、伸缩控制系统、压力测量系统和管路控制系统组成，其中，输气管路和管路控制系统配合，用于模拟输气管道3的正常运行过程；矩形箱体1和伸缩控制系统配合，用于模拟河底岩层对输气管道3产生的剪切力；压力测量系统用于获取输气管道3受到的压力和挤压力，并通过压力变化曲线及挤压力变化曲线进行显示，通过对压力及挤压力变化的最大值进行记录，以完成输气管道3受断层剪切影响的压力测量。

如图1所示，输气管路包括依次连接的甲烷气瓶2、第一球阀6、加压泵7、气体流量计8、第二球阀9、输气管道3和第三球阀20，输气管道3采用中间水平且两端对称倾斜的方式而设计，例如：可采用第一倾斜段4和第二倾斜段5通过接头分别连接于水平段的两端以组成所需结构的输气管道3，第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度可于30°～60°之间任意调整，对于本实施例中而言，第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度均为60°，因此，在输气管路中，甲烷气瓶2依次经第一球阀6、加压泵7、气体流量计8、第二球阀9连接至输气管道3的第一倾斜段4，输气管道3的第二倾斜段5经第三球阀20连接至第一球阀6和加压泵7之间，在加压泵7的作用下，加压泵7、气体流量计8、第二球阀9、输气管道3和第三球阀20形成回路（即循环回路）。使用时，为形成上述回路，可在管路控制系统的配合下，通过控制甲烷气瓶2、第一球阀6、加压泵7、第二球阀9以及第三球阀20的开启和关闭，实现气路循环。

矩形箱体1内设有碳酸盐岩10和凹形水层11形成的模拟河底岩层环境，其中，凹形水层11被设置于矩形箱体1的中上部，用于模拟实际工况下的河流；输气管道3被放置于碳酸盐岩10内，第一倾斜段4和第二倾斜段5分别向矩形箱体1顶部倾斜，矩形箱体1顶部至第一倾斜段4之间、矩形箱体1顶部至第二倾斜段5之间均设有隔离其上方岩层的倾斜板12。倾斜板12的倾斜角度与矩形箱体1顶部所在水平面呈一定夹角，夹角可设置为60°～120°，参见图1所示，在本实施例中，倾斜板12的作用是将第一倾斜段4和第二倾斜段5上方的岩层进行隔离，以形成岩层隔离区域，便于后续通过岩层挤压来模拟断层剪切力，优选的，将第一倾斜段4和第二倾斜段5上方的倾斜板12对称设置，且其与矩形箱体1顶面（即顶部所在水平面）的夹角均为60°。

如图1所示，伸缩控制系统包括驱动控制器13和连接驱动控制器13的两组伸缩器14，两组伸缩器14分别对应设于第一倾斜段4和第二倾斜段5上方岩层隔离区域的矩形箱体1顶部，两组伸缩器14的伸缩杆15上均设有挤压岩层的平板16。使用时，通过驱动控制器13可以控制两组伸缩器14的伸缩杆15往下伸长，从而使平板16往下运动，并将对应岩层隔离区域内的岩层往下挤压，实现输气管道3受到断层剪切力目的。为保证断层剪切力的有效性和真实性，进一步对平板16进行调整，使平板16在对应岩层隔离区域内，距离矩形箱体1侧壁和距离倾斜板12的长度不同，参见图2所示。具体的，将位于伸缩杆15至矩形箱体1侧壁一侧的平板长度a大于位于伸缩杆15至倾斜板12一侧的平板长度b，优选的，两组伸缩器14对称设置，伸缩器14的平板长度a为平板长度b的1.5倍。

如图1所示，压力测量系统包括压力监测系统17，以及分别连接压力监测系统17的两组压力传感器18和两组受挤压传感器19，两组压力传感器18分别位于第一倾斜段4和第二倾斜段5的中段，用于测量第一倾斜段4和第二倾斜段5内的压力变化情况，两组受挤压传感器19分别位于第一倾斜段4和第二倾斜段5上方的岩层隔离区域内，用于测量第一倾斜段4和第二倾斜段5内的受挤压情况，由此获得的压力变化和受挤压情况最终由压力监测系统17进行显示。具体操作时，可利用驱动控制器13将伸缩杆15向下伸长的长度分别控制在2cm、4cm、6cm、8cm时，分别测量输气管道3受到的断层剪切力，以获得输气管道3内的压力变化情况以及碳酸盐岩10受到伸缩杆15向下伸长2cm、4cm、6cm、8cm时的受挤压情况。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于：矩形箱体1内第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度设置为45°，参见图3所示，图3中仅示出矩形箱体1及矩形箱体1内输气管道3的结构。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别仅在于：矩形箱体1内第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度设置为30°，参见图4所示，图4中仅示出矩形箱体1及矩形箱体1内输气管道3的结构。

实施例4：

本实施例是一种测量河底输气管道剪切应力变化的方法，具体是采用上述实施例1至实施例3所示的控制系统（调整输气管道3上第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度依次为60°、45°和30°）进行的测量，以获得不同输气管道3在倾斜角度条件下受到断层剪切力的影响。

由图5所示，测量流程如下：

首先，启动管路控制系统和压力监测系统17，控制甲烷气瓶2、第一球阀6、加压泵7、第二球阀9开启，使甲烷气瓶2内的甲烷气体经过加压泵7加压，气体流量计8的计量后，从输气管道3的第一倾斜段4进入，甲烷气体在输气管道3内从右往左运动，最终从输气管道3的第二倾斜段5流出，然后马上开启第三球阀20，甲烷气体通过第三球阀20后进入加压泵7进行加压循环，循环2min，待压力监测系统17上显示的两组压力传感器18的压力趋于稳定后，控制甲烷气瓶2和第一球阀6关闭；

甲烷气体于加压泵7、气体流量计8、第二球阀9、输气管道3、第三球阀20形成的循环回路内进行循环，继续循环1min后，启动伸缩控制系统，通过驱动控制器13控制两组伸缩器14的伸缩杆15同时向下伸长2cm，同时平板16往下运动2cm，在伸长过程中，平板16并将对应岩层隔离区域内的岩层往下挤压，岩层受到挤压后，分别形成对输气管道3内的第一倾斜段4和第二倾斜段5剪切力进而模拟实际工况下输气管道3受到断层剪切作用。在此过程中，压力监测系统17的两组压力传感器18和两组受挤压传感器19分别获取第一倾斜段4和第二倾斜段5内的压力以及挤压力的变化情况，并通过压力监测系统17进行显示。

当平板16往下运动2cm后停止10秒；伸缩器14继续控制伸缩杆15往下伸长至4cm后停止10秒；然后，伸缩器14再继续控制伸缩杆15往下伸长至6cm后停止10秒；最后，伸缩器14继续控制伸缩杆15往下伸长至8cm后停止伸长，压力监测系统17显示伸缩器14向下伸长过程中的压力以及挤压力的变化情况，并示出压力变化曲线图以及受挤压力变化曲线图，取两者压力变化的最大值进行记录，即整个测量过程结束。

在具体测量时，当第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度为60°时，通过上述测量流程获得对应的压力变化；然后将第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度调整为45°，再采用相同测量流程获得对应的压力变化；最后将第一倾斜段4和第二倾斜段5的倾斜角度调整为30°，再采用相同测量流程获得对应的压力变化，其压力变化曲线图以及受挤压力变化曲线图具体参见图6和图7所示。根据其压力变化曲线以及受挤压力变化曲线，即可获得不同条件下（倾斜角度不同）的输气管道3压力变化的最大值，具体参见下表1所示。

表1

参见图6和上表1可见，在输气管道3的不同倾斜角度下，随着伸缩杆15向下伸长的长度不断增加，输气管道3内受到的压力也随之增加。在倾斜角度为45°时，随着伸缩杆15向下伸长2cm、4cm、6cm、8cm时，输气管道3受到的剪切力相比倾斜角度为30°、60°均有所增加，由此表明，在输气管道3的倾斜角度为45°时，碳酸盐岩10对输气管道3的剪切力最大。输气管道3的倾斜角度为30°时，输气管道3内监测出的压力最小，即此时碳酸盐岩10对输气管道3的剪切力最小。

压力监测系统17显示输气管道3内压力的最大值呈现减小的趋势，但倾斜角度从45°到60°的曲线斜率大于角度从30°到45°的曲线斜率。

参见图7和上表1可见，随着输气管道3的斜段角度不断增大，碳酸盐岩10受挤压力基本保持不变。

由此可见，本发明控制系统及方法能够真实的模拟实际工况下输气管道3受到断层剪切作用，通过设置输气管道3两端的第一倾斜段4和第二倾斜段5的不同倾斜角度，来测量输气管道3受到断层剪切影响时的管道内压力变化情况，为现场进行河底输气管道3设计和铺设时，进行充分考虑地质条件和断层情况，采取相应的措施保证管道的安全和稳定运行提供具体指导意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测量河底输气管道剪切应力变化的控制系统，其特征在于：包括输气管路、矩形箱体（1）、伸缩控制系统、压力测量系统和管路控制系统，

所述输气管路包括甲烷气瓶（2）和输气管道（3），输气管道（3）的两端部分别为倾斜的第一倾斜段（4）和第二倾斜段（5），甲烷气瓶（2）依次经第一球阀（6）、加压泵（7）、气体流量计（8）、第二球阀（9）连接至第一倾斜段（4），第二倾斜段（5）经第三球阀（20）连接至第一球阀（6）和加压泵（7）之间并形成回路；

所述矩形箱体（1）内设有碳酸盐岩（10）和凹形水层（11）形成的模拟河底岩层环境，输气管道（3）设于碳酸盐岩（10）内，第一倾斜段（4）和第二倾斜段（5）分别向矩形箱体（1）顶部倾斜，矩形箱体（1）顶部至第一倾斜段（4）之间、矩形箱体（1）顶部至第二倾斜段（5）之间均设有隔离其上方岩层的倾斜板（12）；

所述伸缩控制系统包括驱动控制器（13）和连接驱动控制器（13）的两组伸缩器（14），两组伸缩器（14）分别对应设于第一倾斜段（4）和第二倾斜段（5）上方岩层隔离区域的矩形箱体（1）顶部，两组伸缩器（14）的伸缩杆（15）上均设有挤压岩层的平板（16）；

所述压力测量系统包括压力监测系统（17），以及分别连接压力监测系统（17）的两组压力传感器（18）和两组受挤压传感器（19），两组压力传感器（18）分别位于第一倾斜段（4）和第二倾斜段（5）的中段，两组受挤压传感器（19）分别位于第一倾斜段（4）和第二倾斜段（5）上方的岩层隔离区域内；

所述管路控制系统用于控制甲烷气瓶（2）、第一球阀（6）、加压泵（7）、第二球阀（9）以及第三球阀（20）的开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述凹形水层（11）位于矩形箱体（1）中上部，用于模拟实际工况下的河流。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述输气管道（3）于碳酸盐岩（10）内按中间水平且两端对称倾斜而设置，倾斜角度为30°～60°。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述倾斜板（12）对称设置，倾斜板（12）的倾斜角度与矩形箱体（1）顶部所在水平面的夹角呈60°～120°。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述伸缩器（14）上，位于伸缩杆（15）至矩形箱体（1）侧壁一侧的平板长度大于位于伸缩杆（15）至倾斜板（12）一侧的平板长度。

6.一种测量河底输气管道剪切应力变化的方法，其特征在于：采用权利要求1所述控制系统，按以下流程进行测量：

S1.启动管路控制系统和压力监测系统（17），首先控制甲烷气瓶（2）、第一球阀（6）、加压泵（7）、第二球阀（9）以及第三球阀（20）开启，使加压泵（7）、第二球阀（9）、输气管道（3）、第三球阀（20）连通并形成回路，待压力监测系统（17）上显示的两组压力传感器（18）的压力趋于稳定后，控制甲烷气瓶（2）和第一球阀（6）关闭；

S2.甲烷气体于回路中继续循环1min后，启动伸缩控制系统，通过驱动控制器（13）控制两组伸缩器（14）的伸缩杆（15）同时伸长，使平板（16）往下运动并将对应岩层隔离区域内的岩层往下挤压，压力监测系统（17）获取压力传感器（18）的压力和受挤压传感器（19）的挤压力并进行记录；

S3.根据伸缩杆（15）伸长过程中压力和挤压力的变化，获得压力变化曲线图以及受挤压力变化曲线图，并计算两者压力变化的最大值，即测量过程结束。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过驱动控制器（13）控制伸缩杆（15）在伸长过程中，分别在伸缩杆（15）伸长至2cm、4cm、6cm、8cm时，停止10s后再继续伸长。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述测量时，根据控制系统中输气管道（3）两端的不同倾斜角度，分别进行测量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述测量时，调整输气管道（3）两端的倾斜角度为30°、45°和60°。

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