CN116818396A - 测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，公开了测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统及方法，包括矩形箱体、油相管路、水相管路和测量控制机构，矩形箱体内设水层、输油管道、泥层和至少两个锚固点；油相管路包括原油储罐、加压泵、第一液体流量计、第一球阀、液体加热器和第二球阀；水相管路包括储水罐、输水泵、第二液体流量计、第三球阀和第四球阀；测量控制机构包括振动传感器以及分别连接振动传感器和加压泵监测控制器。本发明通过油相管路、水相管路、测量控制机构和矩形箱体配合形成模拟海底输油管棘轮效应的测试装置，可以获得棘轮效应下锚固点的振动位移数据，适用于研究棘轮效应对海底输油管作业运行时的影响的变化情况。

Description

测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体的说，是测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统及方法。

背景技术

棘轮效应是指在海底输油管道进行作业时，海底输油管道在正常运营过程中，经常出现停输的情况，在重复性启动、关停所产生的循环荷载会造成海底管道管端位移累积增大，使管道发生累积塑性变形。由于棘轮效应广泛存在于海底输油管道中，因此，也是工程设计中必须要考虑到的重要因素。

对于海底输油管道而言，棘轮效应的主要危害在于会增大海底管道营运期间的轴向位移，使管道产生塑性变形，发生管道屈曲变形，严重时造成管道局部屈服破坏。因此，在对海洋开发的过程中，对海底输油管道工程设计要求也在逐步提高。例如：公开号为CN114676605A的发明专利记载的一种适用于海底管道棘轮效应评估的方法，该方法通过考虑服役期间真实的流动保障要求和管土作用影响，准确的模拟了海底管道服役过程中启动、关断操作对于管道在位状态的影响，并通过绘制棘轮效应位移-循环曲线计算出管道在热循环荷载作用下所产生的棘轮位移，将计算出的管端总位移作为基础数据，用于与海底管道相连接的水下结构物的结构设计，从而实现了对海底管道进行棘轮效应的评估的有益效果。由此可知，该方法是通过构建海底管道服役过程中的数据模型而实现其棘轮效应的评估，但在海洋油气的管道开发过程中，建立相关的测量装置，通过测量装置模拟棘轮效应在海底输油管道作业运行时的影响，来实现海底输油管道工程设计也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统，分别通过油相管路、水相管路、测量控制机构和矩形箱体配合形成模拟海底输油管棘轮效应的测试装置，可以获得棘轮效应下锚固点的振动位移数据，适用于研究棘轮效应对海底输油管作业运行时的影响的变化情况，为此，本发明还提供了采用该控制系统测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的方法。

本发明通过下述技术方案实现：测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统，包括矩形箱体、油相管路、水相管路和测量控制机构，

所述矩形箱体内由上至下依次设水层和泥层，泥层内设输油管道，输油管道通过至少两个锚固点固定于矩形箱体底部；

所述油相管路包括原油储罐、加压泵、第一液体流量计、第一球阀、液体加热器和第二球阀，原油储罐依次通过加压泵、第一液体流量计和第一球阀连接输油管道的原油进口，输油管道的原油出口依次通过液体加热器和第二球阀连接原油储罐；

所述水相管路包括储水罐、输水泵、第二液体流量计、第三球阀和第四球阀，储水罐依次通过输水泵、第二液体流量计和第三球阀连接水层的进水口，水层的出水口通过第四球阀连接储水罐；

所述测量控制机构包括振动传感器和监测控制器，振动传感器设于锚固点上，监测控制器通过电信号分别连接振动传感器和加压泵。

所述输油管道水平设于泥层高度方向的四等分点处，且输油管道上方的泥层高度为15cm。

所述振动传感器设于锚固点近输油管道的位置。

所述锚固点设于输油管道水平方向的五等分点处，包括第一个锚固点和第二锚固点，第一锚固点近输油管道的原油进口设置，第二锚固点近输油管道的原油出口设置。

所述第一锚固点上的振动传感器与输油管道的原油进口同侧设置，第二锚固点上的振动传感器与输油管道的原油出口同侧设置。

采用上述控制系统测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的方法，按以下流程进行测量：

S1.依次开启储水罐、输水泵、第二液体流量计、第三球阀和第四球阀，使水层注满水后，模拟实际工况下的海平面；

S2.依次开启原油储罐、加压泵、第一液体流量计、第一球阀、液体加热器和第二球阀，形成原油循环回路，利用监测控制器控制加压泵的开停时间，模拟实际工况下海底输油管的棘轮效应；

S3.利用监测控制器实时收集和记录振动传感器测量的振动位移数据，获得棘轮效应对锚固点的关系曲线，测量过程结束。

所述测量时，控制加压泵开启运行5秒后，停止10秒，以此反复循环20～60分钟，同时在反复循环过程中收集和记录振动位移数据。

所述振动位移数据包括锚固点的横向振动位移和锚固点的纵向振动位移。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明结构简单，采用特有内部结构的矩形框体，分别在油相管路和水相管路的配合下，即可实现模拟海底输油管道正常作业运行的过程，其中，水相管路与矩形箱体中的水层配合模拟实际工况下的海平面；油相管路和矩形箱体中的输油管道配合模拟实际工况下的海底输油管。

（2）本发明针对振动传感器，根据与输油管道的相对位置，通过合理设置振动传感器在第一锚固点/第二锚固点上的位置，能够有效保证第一锚固点/第二锚固点的振动位移数据测量的准确性。

（3）本发明利用监测控制器，在对加压泵的开停时间实现一定持续时间下、启动和停止交替的、反复循环的操作条件下，测量循环所造成的海底输油管锚固点的振动情况，能够真实性的模拟海底输油管路的棘轮效应，保证测量的真实性。

综上所述，本发明专为海底输油管道工程中棘轮效应对输油管道锚固点的影响而设计，不仅能真实的模拟海底输油管实际作业过程，同时能够准确测量海底输油管道受到棘轮效应后的变化情况，测量效果准确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的逻辑控制图。

图3为测量时间与锚固点处振动位移最大值关系曲线图。

其中，1—矩形箱体，2—水层，3—泥层，4—输油管道，5—原油储罐，6—加压泵，7—第一液体流量计，8—第一球阀，9—液体加热器，10—第二球阀，11—原油进口，12—原油出口，13—储水罐，14—输水泵，15—第二液体流量计，16—第三球阀，17—第四球阀，18—进水口，19—出水口，20—振动传感器，21—监测控制器，22—第一锚固点，23—第二锚固点，24—第五球阀。

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：

本实施例是测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统。

如图1结构所示，该控制系统主要由矩形箱体1、油相管路、水相管路和测量控制机构组成，矩形箱体1内设水层2、泥层3、输油管道4和锚固点，其中，水层2设于矩形箱体1的上部，矩形箱体1的两侧分别设水层2的进水口18和水层2的出水口19；水层2下方为泥层3，输油管道4水平设于泥层3内，为真实模拟海底输油管的实际工况，可以将泥层3沿其高度方向平均分为四份，输油管道4设于泥层3的四等分点处，将输油管道4上方至水层2之间的泥层3高度设为15cm即可。锚固点的数量至少设置两个，可如图1所示，选择设置两个锚固点，即第一锚固点22和第二锚固点23，两个锚固点对称设于矩形箱体1中心线的两侧。例如在一个具体的实施例中，将输油管道4沿其水平方向平均分为五份，两个锚固点分别设于输油管道4的五等分点处，第一锚固点22近输油管道4的原油进口11设置，第二锚固点23近输油管道4的原油出口12设置。

本实施例的油相管路和水相管路分别与矩形箱体1内的输油管道4和水层2配合，如图1所示，油相管路包括原油储罐5、加压泵6、第一液体流量计7、第一球阀8、第五球阀24、液体加热器9和第二球阀10，原油储罐5依次通过加压泵6、第一液体流量计7和第一球阀8连接输油管道4的原油进口11，输油管道4的原油出口12依次通过第五球阀24、液体加热器9和第二球阀10连接原油储罐5，并由此连通形成原油循环回路，用于模拟实际工况下的海底输油管。水相管路包括储水罐13、输水泵14、第二液体流量计15、第三球阀16和第四球阀17，储水罐13依次通过输水泵14、第二液体流量计15和第三球阀16连接水层2的进水口18，水层2的出水口19通过第四球阀17连接储水罐13，并由此连通形成循环水回路，用于模拟实际工况下的海平面。

本实施例的测量控制机构能够在模拟实际工况下实现棘轮效应对海底输油管锚固点的影响的测量，具体的，测量控制机构包括振动传感器20和监测控制器21，振动传感器20可采用市售常规型号，自带横向位移和纵向位移的测量功能，安装时可分别设于第一锚固点22和第二锚固点23近输油管道4的位置，为提高测量的准确性，可如图1所示，将第一锚固点22上的振动传感器20与输油管道4的原油进口11同侧设置，将第二锚固点23上的振动传感器20与输油管道4的原油出口12同侧设置。监测控制器21通过电信号分别连接振动传感器20和加压泵6，用于控制加压泵6的开停时间，以模拟实际工况下海底输油管的棘轮效应，同时用于实时收集和记录振动传感器20实时测量的第一锚固点22和第二锚固点23的振动位移数据，并根据分析获得棘轮效应对锚固点的关系曲线。

实施例2：

本实施例是采用实施例1的控制系统测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的方法。

本实施例涉及的测量方法是通过采用设置间接性不断重复性启动、关停20分钟、40分钟、60分钟进行测量循环往复所造成的海底输油管锚固点振动情况，接着通过振动传感器20进行测量，测量出的振动数据传输至监测控制系统进行监测并分析的过程。

如图1和图2所示，当进行测量棘轮效应对海底输油管道4锚固点影响情况时，首先进行间接性不断重复性启动、关停20分钟测量，先依次打开储水罐13、输水泵14、第三球阀16、第四球阀17，使储水罐13内的水从储水罐13流出后经过输水泵14加压，第二液体流量计15计量后从进水口18进入矩形箱体1上部的水层2，水不断进入水层2内，水层2的水位不断提高，最终水层2全部装满水，多余的水从出水口19流出至储水罐13内，形成循环水回路。接着调节输水泵14的排量至最低档，此时模拟实际工况下的海平面。

接着依次打开原油储罐5、加压泵6、第一球阀8、第五球阀24、液体加热器9、第二球阀10，使原油储罐5内的原油通过加压泵6加压，第一液体流量计7计量后从原油进口11流入输油管道4内，原油在输油管道4内从右往左流动，最终从原油出口12流出，通过液体加热器9进行加热，提高原油的流动性，最终流至原油储罐5进行循环使用。通过监测控制器21控制加压泵6的启动与关停来实现间接性不断重复性启动、关停的过程。测量时，启动加压泵6开启运行5秒，停止10秒，又启运行5秒，停止10秒，这样重复20分钟。在整个重复性启动、关停的过程中振动传感器20分别测量第一锚固点22和第二锚固点23处的振动情况，记录的结果通过监测控制器21进行显示，20分钟测量完成后，即整个20分钟测量过程结束。

接着重复上述步骤进行依次测量40分钟、60分钟加压泵6重复性启动、关停来进行测量第一锚固点22和第二锚固点23处的振动情况，并做好结果记录，因测量步骤跟上述步骤一致，在此不再赘述。

将上述测量结果汇总如下表1所示。

表1 测量结果汇总表

测量时间	20分钟	40分钟	60分钟
				锚固点处横向振动位移最大值/mm	0.24	0.45	0.59
锚固点处纵向振动位移最大值/mm	0.71	1.22	1.42

图3为测量时间与锚固点处振动位移最大值关系曲线图，由图3所示，在测量时间分别为20分钟、40分钟、60分钟时，锚固点处纵向振动位移最大值整体比锚固点处横向振动位移最大值。在锚固点处纵向振动过程中，随着测量时间的增大，斜率先增大后减小的趋势；在锚固点处横向振动过程中，随着测量时间的增大，斜率也呈现出先增大后减小的趋势。在横向和纵向上，20分钟到40分钟的斜率整体比40分钟到60分钟斜率大；因振动与塑性变形成正比，所以振动比较大，塑性变形也大。因此，对于海底输油管作业间接性不断重复性启动、关停在20分钟-40分钟对海底输油管锚固点的损害比40分钟-60分钟对海底输油管锚固点的损害大。

本发明能真实的模拟实际工况下海底输油管的作业过程，通过设置间接性不断重复性启动、关停进行测量循环所造成的海底输油管锚固点振动情况，最终得到输油管道4发生塑性变形情况。为现场进行海底输油管设计和铺设时，进行充分考虑地质条件和断层情况提供具体指导意义。

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 (8)

1.测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的控制系统，其特征在于：包括矩形箱体（1）、油相管路、水相管路和测量控制机构，

所述矩形箱体（1）内由上至下依次设水层（2）和泥层（3），泥层（3）内设输油管道（4），输油管道（4）通过至少两个锚固点固定于矩形箱体（1）底部；

所述油相管路包括原油储罐（5）、加压泵（6）、第一液体流量计（7）、第一球阀（8）、液体加热器（9）和第二球阀（10），原油储罐（5）依次通过加压泵（6）、第一液体流量计（7）和第一球阀（8）连接输油管道（4）的原油进口（11），输油管道（4）的原油出口（12）依次通过液体加热器（9）和第二球阀（10）连接原油储罐（5）；

所述水相管路包括储水罐（13）、输水泵（14）、第二液体流量计（15）、第三球阀（16）和第四球阀（17），储水罐（13）依次通过输水泵（14）、第二液体流量计（15）和第三球阀（16）连接水层（2）的进水口（18），水层（2）的出水口（19）通过第四球阀（17）连接储水罐（13）；

所述测量控制机构包括振动传感器（20）和监测控制器（21），振动传感器（20）设于锚固点上，监测控制器（21）通过电信号分别连接振动传感器（20）和加压泵（6）。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述输油管道（4）水平设于泥层（3）高度方向的四等分点处，且输油管道（4）上方的泥层（3）高度为15cm。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述振动传感器（20）设于锚固点近输油管道（4）的位置。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述锚固点设于输油管道（4）水平方向的五等分点处，包括第一锚固点（22）和第二锚固点（23），第一锚固点（22）近输油管道（4）的原油进口（11）设置，第二锚固点（23）近输油管道（4）的原油出口（12）设置。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述第一锚固点（22）上的振动传感器（20）与输油管道（4）的原油进口（11）同侧设置，第二锚固点（23）上的振动传感器（20）与输油管道（4）的原油出口（12）同侧设置。

6.采用权利要求1～5任一项所述控制系统测量棘轮效应对海底输油管锚固点影响的方法，其特征在于：按以下流程进行测量：

S1.依次开启储水罐（13）、输水泵（14）、第二液体流量计（15）、第三球阀（16）和第四球阀（17），使水层（2）注满水后，模拟实际工况下的海平面；

S2.依次开启原油储罐（5）、加压泵（6）、第一液体流量计（7）、第一球阀（8）、液体加热器（9）和第二球阀（10），形成原油循环回路，利用监测控制器（21）控制加压泵（6）的开停时间，模拟实际工况下海底输油管的棘轮效应；

S3.利用监测控制器（21）实时收集和记录振动传感器（20）测量的振动位移数据，获得棘轮效应对锚固点的关系曲线，测量过程结束。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述测量时，控制加压泵（6）开启运行5s后，停止10s，以此反复循环20～60min，同时在反复循环过程中收集和记录振动位移数据。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述振动位移数据包括锚固点的横向振动位移和锚固点的纵向振动位移。