CN205719082U - 一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪 - Google Patents

Abstract

一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪，由铝合金材质的上层支撑件、环形剪切面、四个固定杆、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，上层支撑件间隔均布四个固定孔和四个传感器引线孔；上层支撑件与环形剪切面通过垂直均布的固定杆固定，其一端与上层支撑件中心垂直固定,另一端连接到海底探测设备的控制执行系统上；孔压传感器固定于环形剪切面上的传感器孔内；垂直的孔压传感器引线与孔压传感器连接并穿过上层支撑件的传感器引线孔分别与加载臂固定以便连接到数据采集系统。本实用新型的优点是：该探测仪可有效地应用于工程前期的实地勘测，为海底管道设计项目提供有力的技术支持，确保工程安全的前提下大幅地节约工程成本。

Description

一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪

技术领域

本实用新型涉及深海岩土现场勘察及监测领域，特别是一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪。

背景技术

随着海底管道逐渐步入深海乃至超深海领域，传统的挖沟填埋以便完全限制管道屈曲和运动的方案很难在深海中实施，随之，侧向屈曲(lateral buckling)海管设计理念被提出，摒弃了传统的设定应力(或力矩)水平而限制屈曲的方法，转而通过控制应变的手段，利用预先设计好的侧向屈曲,安全及有效地释放高温高压海管的热膨胀应力。

侧向屈曲的海管设计方案使得施工便捷，成本大幅降低，但是在运行过程中，海管的间歇式的起停机操作使得管道的轴向位移会产生棘轮效应，通常称之为棘轮现象(pipeline walking)。伴随着棘轮效应的加剧，整体管道轴向会发生较大位移，可能直接导致管道间连接件(spool)及末端设备的应力过载破坏。此外，由于预设侧向的屈曲将整个管道分成了多段较短的子管道段，一方面随着整个子管道段的轴向位移的发展，毗邻的侧向屈曲的弯曲应变被其过度补偿(excessive feed-in)而可能造成局部的屈曲破坏，另一方面子管道段在运行过程中的膨胀和收缩的循环往复特性可能会造成管道自身的疲劳破坏。

显然，这些潜在的工程隐患(或已发生的工程事故)都与棘轮现象的发展程度息息相关，如何能够在不过多地增加工程成本的前提下，有效地控制海管的轴向运动已经变成了工程中不可避免的问题。通常当不采取任何限制海底管道轴向运动的措施时，棘轮现象的程度受限于管道轴向的临界摩阻力，因此对其的准确评估直接决定了相关抑制管道轴向运动的设计及施工成本(如限定管道的桶式浅基础的尺寸和数量)。在现行的设计方案中，往往给出一组管土摩擦系数的上限值和下限值去近似地考虑管土轴向作用的影响，结果可能造成部分管道已经发生不可接受的轴向运动或设计规格过于保守。其根本原因是由于海底管道轴向摩阻力设计参数具有地域和时域多变性，具体地，地域多变性是由于延铺设管道的不同地域位置土体具有明显的不均匀性，时域的多变性性是管道的铺设过程(管道沉降及随后的固结)，运行过程(间歇性往复运动伴随固结的发生)都会引起管道轴向摩阻力的变化。

鉴于此，在海底管道设计前期有必要进行相关的岩土现场勘察和检测。通常可靠的现场检测能够提供详细的土层纹理结构和相关工程设计参数，保障整个工程的可行性、安全性和经济性。伴随着海底岩土勘测技术的发展和进步，一系列海底土工勘测设备应运而生，并且专职于提高重要工程参数的精度和可靠性，以致于有效地服务于海底管道设计、施工和运行的整个过程。例如，静力触探(Cone Penetration Testing-CPT)被广泛地应用于探测海底沙土的土质分类(soil classification)、密度(soil density)及摩擦角(friction angle)等工程指标；T形条状(Tbar)贯入探测较多用于探测海底粘土的不排水抗剪强度；以及为了有效地反应海底土体的固结特性，孔压静力触探(PiezoconePenetration Testing-PCPT)的手段则被采用。但是由于海底管道设计复杂性，诸如上述的勘察设备提供常用的相关设计参数，并不能有效地兼顾海底管道轴向运动的影响，其原因主要是，海管作为广泛应用于深海油气开采的海底浅埋结构物，更多地涉及到海底浅层(或表层)土体的力学特性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述技术分析，提供一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪，该探测设备，揭示海底管道热棘轮效应，勘测海底浅层土体的工程设计指标:不排水抗剪强度指标(粘土)及管道初始埋深指标、管道固结沉降量指标，管道轴向剪切特性指标以及管道轴向摩阻力的固结硬化指标，从而完善海洋岩土的现场勘察和监测设备，为海底管道设计提供更为可靠的工程参数，优化传统的海底管道设计方案。

本实用新型的技术方案：

一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪，由铝合金材质的上层支撑件、环形剪切面、四个固定杆、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，上层支撑件的直径为500mm、厚度为15mm，上层支撑件间隔均布四个固定孔和四个传感器引线孔，八个孔的圆周中心圆的直径为400mm；环形剪切面为实心结构，其底面为球面、球面直径为200mm，上面为平面、平面外径为500mm、内径为300mm；环形剪切面上间隔均布四个固定孔和四个传感器孔，八个孔的圆周中心圆的直径为400mm；上层支撑件与环形剪切面通过垂直均布的四个固定杆固定，固定杆的直径为150mm、高度为200mm；加载臂的直径为25mm、高度为500mm，其一端与上层支撑件中心垂直固定,另一端连接到海底探测设备的控制执行系统上；四个孔压传感器固定于环形剪切面上的四个传感器孔内；垂直的四条孔压传感器引线与四个孔压传感器连接并穿过上层支撑件的四个传感器引线孔分别与加载臂固定以便连接到数据采集系统。

本实用新型的有益效果是：

该探测仪可以有效地应用于工程前期的实地勘测，以便为随后的海底管道设计提供更为可靠和精确的设计参数。更重要的是，大量宝贵的实地勘察数据不仅能够为今后新的海底管道设计项目提供有力的技术支持，而且为进一步节约成本，优化海底管道设计方案提供了必要的保障。因为运用此设备能够有效地采集一套完备的深海管土轴向作用的真实实验指标(管道铺设和安装过程中主体输油(或天然气)管道段初始沉降量及土体不排水抗剪强度和刚度指标、安装调试过程中的固结沉降量、正常运行过程中的管道轴向剪切刚度及临界轴向摩阻力的固结硬化指标等)，为建立科学可靠的数值模拟模型提供了极具价值的数据库，而在相似海底工况的海底管道设计中运用经济高效合理的数值模型手段无疑能在确保工程安全可靠的前提下大幅地节约工程成本，填补了深海现场勘察管土轴向作用的空白。

附图说明

图1为环形探测仪立体结构示意图。

图2为环形探测仪俯视结构示意图。

图3为环形探测仪仰视结构示意图。

图4为环形探测仪侧视结构示意图。图1为环形探测仪立体结构示意图。

图中：1、加载臂；2、孔压传感器引线；3、上层支撑件；4、固定杆；5、孔压传感器；6、环形剪切面。

具体实施方式

实施例：

一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪，如图1-4所示，由铝合金材质的上层支撑件3、环形剪切面6、四个固定杆4、加载臂1、四个孔压传感器5和四条孔压传感器引线2组成，上层支撑件3的直径为500mm、厚度为15mm，上层支撑件间隔均布四个固定孔4和四个传感器引线孔，八个孔的圆周中心圆的直径为400mm；环形剪切面6为实心结构，其底面为球面、球面直径为200mm，上面为平面、平面外径为500mm、内径为300mm；环形剪切面6上间隔均布四个固定孔和四个传感器孔，八个孔的圆周中心圆的直径为400mm；上层支撑件3与环形剪切面6通过垂直均布的四个固定杆4固定，固定杆4的直径为150mm、高度为200mm；加载臂1的直径为25mm、高度为500mm，其一端与上层支撑件3中心垂直固定,另一端连接到海底探测设备的控制执行系统上；四个孔压传感器5固定于环形剪切面6上的四个传感器孔内；垂直的四条孔压传感器引线2与四个孔压传感器5连接并穿过上层支撑件3的四个传感器引线孔分别与加载臂1固定以便连接到数据采集系统。

本实用新型的技术分析：

该环形探测仪基于海底管道实际安装铺设及正常运行过程的综合考虑，运用了三种等效类比手段：海底管道测试过程的等效类比、探测设备和海底管道几何尺寸等效类比以及探测设备和海底管道运动方式的等效类比设计而出，可测量管道安装过程所需的不排水抗剪强度指标(粘土)及埋深指标、安装后管道固结沉降量和运行过程中管道轴向剪切刚度及轴向摩阻力的固结硬化指标。

1.海底管道测试过程等效类比处理：

考虑到海底管道从铺设安装到正常运行整个过程中浅层土体的排水状况，环形探测仪的测试过程被等效地划分为三个阶段(详见表1)：

1)管道安装阶段：将实际的管道自重由等效竖向荷载来代替，通常可以用竖向贯入距离和时间来控制安装过程中的不排水工况，及安装过程中的初始管道埋深；

2)管道安装后固结阶段：将实际的管道安装后的固结压力(即管道自重)用等效的竖向荷载代替，具体地，完成1)阶段测试之后，维持贯入到目标埋深处的对应竖向力，等待孔隙水压力彻底消散；

3)管道正常运行阶段：将实际的管道运行时的温度应力的热棘轮效应由转向正反交替的循环剪切来代替，并由不同的剪切速度控制剪切过程中的排水程度，由转向正反切换时的滞留时间控制间歇式的固结时间。

表1环形探测仪探测过程等效处理措施

2.环形探测仪与海管几何尺寸等效类比处理：

尽管用有限长的管道作为探测设备的几何形状可能更为简单及直观地测试相关工程参数，但是由于其在轴向剪切过程中，两端不断推土将造成明显的端部效应，因此本专利采用了环形剪切面以避免端部效应对探测结果的影响。然而，基于此理念设计的环形探测仪在结构形状上区别于海管，所以需对其和海管在几何尺寸的相关参数(见图1)上进行合理等效类比(详见表2)，以方便直接探测相关工程设计参数。

表2环形探测仪与海管在几何尺寸上的等效处理措施

3.环形探测仪与海管运动方式等效类比处理：

环形剪切面的设计思想的引入，使得真实海管的轴向运动可以用轴对称旋转运动来等效类比，对应的受力类比示意图见图1，而竖向的海管运动无需进去相关类比处理。此外，在不同的测试过程中，对应等效类比参数见表3。

表3环形探测仪与海管进行运动方式等效处理后的相关参数换算

本实用新型借上述三种等效类比手段，成功地将海底管道的铺设过程及后期的正常运行过程转化为环形探测仪竖向贯入测试及旋转剪切测试，并在测试中通过有效的数据采集系统记录环形探测仪贯入深度，沉降水平，剪切距离，孔隙水压力的时间响应以及施加的竖向荷载和剪切时的扭矩响应，以便获取海管设计中所需的浅层土体的抗剪强度指标，固结系数指标，轴向摩阻力指标等关键工程设计参数。

本实用新型的具体勘察步骤如下：

1.下潜安装过程：保证支撑测试设备的基架平稳坐落于预测的海床位置。

2.测试海底管道铺装过程的工程参数：

1)控制环形探测仪的贯入速度，确保其在贯入过程中保持不排水工况，通常结合土体的固结系数需提前设定贯入距离及时间，此过程采用竖向位移控制，记录过程中的时间(t)、竖向位移(w)、竖向承载力(V)及孔隙水压力(P)；

2)最好重复做一组的贯入过程，但是切换成竖向力控制，需确保施加在环形探测仪上的竖直向荷载等效于具体工程中海管的自重，保证真实工况下的低正应力状态；

3)维持竖向力不变(V)，等待孔隙水压力完全消散，记录此固结过程中的时间(t)、竖向位移(w)及孔隙水压力(P)。

3.测试海底管道正常运行过程的工程参数：

1)环形探测仪保持恒定的旋转剪切角速度，顺时针及逆时针交替(每旋转180切换方向)旋转，直至没有明显的孔隙水压力变化；

2)环形探测仪保持恒定的不排水旋转剪切角速度，顺时针及逆时针交替(每旋转180切换方向)旋转，但是，每次旋转方向切换时确保一个驻留时间，以便剪切产生的孔隙水压力发生部分消散，直至没有明显的孔隙水压力变化。

注：恒定的旋转角速度的选取需要考虑实际工程中土体的固结系数，建议值为0.0179deg/s，其对应工况为海底管道初始埋深为0.5D，土体为正常固结的高岭土。

本实用新型不仅可运用于勘察深海管土的轴向运动机制，测量相关的工程设计参数，而且适合于浅海非填埋直接铺设海管的轴向管土作用的相关监测。考虑到现有的海洋实地勘察技术和手段，本设备可以借助海上钻井平台进行勘测浅层土体的不排水抗剪强度和管道铺设后的相关固结指标(如固结沉降，孔隙水压力的消散状况等)，最佳的实施方式应该结合工程前期的勘察船，在计划铺设管道区域内每间隔1–5公里(在较均匀的地质区域可以选取较大的测量间隔)进行系统的管土轴向作用的勘察。首先，需将环形探测仪通过加载臂(参见图2中加载臂1)与常规海洋岩土勘察设备连接，即：加载臂1上安装压力传感器和测扭矩传感器后与勘察设备中的控制执行系统和数据采集系统连接，并将安装在环形探测仪底部的四个孔压传感器5通过引线2并入数据采集系统；同时，为了保证环形探测仪贯入和旋转的稳定性，整个底部环形剪切面6由四个柱形空心管4和顶部的一个圆形支撑面3相连，并以螺纹的方式与中心加载臂1固定；此外，环形剪切面6需涂抹防腐保护层并控制表面的粗糙度跟真实海底管道的一致。

Claims (1)

1.一种智能海底管道土体轴向作用的环形探测仪，其特征在于：由铝合金材质的上层支撑件、环形剪切面、四个固定杆、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，上层支撑件的直径为500mm、厚度为15mm，上层支撑件间隔均布四个固定孔和四个传感器引线孔，八个孔的圆周中心圆的直径为400mm；环形剪切面为实心结构，其底面为球面、球面直径为200mm，上面为平面、平面外径为500mm、内径为300mm；环形剪切面上间隔均布四个固定孔和四个传感器孔，八个孔的圆周中心圆的直径为400mm；上层支撑件与环形剪切面通过垂直均布的四个固定杆固定，固定杆的直径为150mm、高度为200mm；加载臂的直径为25mm、高度为500mm，其一端与上层支撑件中心垂直固定,另一端连接到海底探测设备的控制执行系统上；四个孔压传感器固定于环形剪切面上的四个传感器孔内；垂直的四条孔压传感器引线与四个孔压传感器连接并穿过上层支撑件的四个传感器引线孔分别与加载臂固定以便连接到数据采集系统。