海底管线水平向管土相互作用测试系统

摘要

本发明公开了一种海底管线水平向管土相互作用测试系统，包括试验槽、加载系统、传力系统、数据采集系统和试验配件；试验配件包括被测管段，在被测管段内固接有心轴，在心轴上安装有左右对称的两个滚轮，在滚轮中部设有凹槽，在被测管段上部与滚轮凹槽对应的部位开设有拨板插槽；传力系统包括传力板，在传力板上设有左右对称的两根竖直设置的推板，推板通过直线导轨与传力板滑动连接，在推板的下端设有前后布置的两个拨板；拨板插入在拨板插槽和滚轮凹槽内，一个推板下端的两个拨板分设在一个滚轮的两侧，传力时拨板与滚轮形成滚动摩擦连接。本发明在竖直方向上对管段的运动没有任何约束，从而可将加载系统对管道运动的干扰降到最低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究管土水平向相互作用理论的室内模型试验装置，特别是涉及一种海底管线水平向管土相互作用测试系统。

背景技术

油气资源是国家最重要的战略资源之一，随着大陆油气资源的日渐枯竭及开采难度增大，海洋油气资源逐渐成为了我国未来能源的希望。我国海洋石油资源量为246亿吨，天然气资源量为14万亿立方米，但其中70％蕴藏在开采难度较大的深海区域。因此，为大力开展深海油气资源的开发，就首先需要完善深海的石油开采设施。海底管线在原油、天然气的生产、精炼、储存及使用的全过程中都起到了重要的作用，是油气运输中最快捷、经济、可靠的方式之一。在油气资源的运输过程中，为了避免石蜡分馏的固化影响并降低难度，通常会使管道在100℃以上的设计温度以及10Mpa的设计压力下工作。而在这种高温高压的联合作用下，管道内部会产生巨大的轴向应力，在海床的约束下管道无法自由变形，因此诱发管道的整体屈曲，导致管道失稳、开裂，甚至破坏。另一方面，在地质条件复杂的浅层海床上或穿越潮间带铺设的管线，容易受到不平坦海床作用、波浪或潮汐等动水荷载，以及船锚渔网的撞击拉拽等作用，发生水平向的位移，从而发生失稳乃至破坏。因此，对于管线在位稳定性问题，国内外众多学者进行了深入的研究，开展了不同比尺与结构形式的管道水平向运动的室内模型试验，并通过模型试验结果与理论公式的结合，提出了具有代表性的管土相互作用模型。但是所得到的模型与试验时的加载模式有关，就目前来看，很少有大位移的水平向管土相互作用试验，即要求管道的水平向位移能够达到5～20倍管径。在管道发生较大位移时，由于运动方向上土体的堆积而产生的“动土拱”和“静土拱”，会使管道所受的抗力以及运动轨迹发生较大程度的改变。另外，管道在运行期间时所受到的荷载往往是循环荷载，比如管道因检修开闭而引起的“升温-降温”循环荷载，会引起管道的往复运动。因此，进一步研究管道在循环荷载作用下的大位移往复运动是目前海底管线水平向管土作用的一个研究方向。在以往的管道水平向运动的室内模型试验中，往往采用刚性连接、铰接或齿轮齿条传动的方式来将管段与加载设备固定在一起，这些方法能够保证管段在水平向的自由运动，但难以保证竖直向运动的自由度，从而对试验结果的准确性有一定影响。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种海底管线水平向管土相互作用测试系统，该系统在竖直方向上对管段的运动没有任何约束，从而可将加载系统对管道运动的干扰降到最低。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种海底管线水平向管土相互作用测试系统，包括试验槽、加载系统、传力系统、数据采集系统和试验配件；在所述试验槽的顶面上固定有两根沿其长度方向设置的水平纵向导轨；所述加载系统包括加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，在所述加力板上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述丝杠由伺服电机减速器驱动，所述伺服电机减速器由控制器控制；所述加力板通过设置在其两侧的滑块Ⅰ连接在所述水平纵向导轨上；所述传力系统包括与所述加力板连接的传力板，在所述传力板上设有左右对称的两根竖直设置的推板，所述推板通过直线导轨与所述传力板滑动连接，在所述推板的下端设有前后布置的两个拨板，所述传力板通过设置在其两侧的滑块Ⅱ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述传力板通过拉压力传感器连接；所述试验配件包括被测管段，在所述被测管段内设有与其固接的心轴，在所述心轴上安装有左右对称的两个滚轮，在所述滚轮中部设有凹槽，在所述被测管段上部与滚轮凹槽对应的部位开设有拨板插槽；所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置，所述拨板插入在所述拨板插槽和所述滚轮凹槽内，任意一个所述推板下端的两个所述拨板分别设置在一个所述滚轮的两侧，传力时，所述拨板与所述滚轮形成线接触滚动摩擦连接；所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，所述拉压力传感器与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头用于获取所述被测管段与其周围土体的影像。

在所述试验槽的四周设置有钢化玻璃。

在所述试验槽的钢化玻璃上沿高度方向设有刻度。

本发明具有的优点和积极效果是：

一)采用丝杠传递动力，相比于传统的用钢丝绳拉动或皮带传输的方式更加平稳，传力上限也更大。通过计算机控制动力输出，可以有效地设置载荷的施加与卸除，以及设定加载时间、加载距离等，确保了被测管段可按试验预设进行起止运动、定速或变速运动等等，大大增加了试验的可控性。同时，丝杠传动也确保了传力系统的工作稳定性，增强了试验数据的可靠性。

二)还原了实际情况中管线在竖直方向完全无约束的运动状态。在被测管段内设置对称的可自由转动的同心滚轮，前后两个拨板通过管壁上的拨板插槽插入管段内并使其位于滚轮两侧，系统运行时，滚轮与一侧的拨板组成线接触滚动摩擦副，从而带动管段运动。这种设计可以满足循环荷载的施加要求，并且由于拨板与滚轮只有线接触，使得管段在竖直方向上的运动不受任何约束。

三)以两侧拨板推动滚轮进而带动管段运动的形式，加之计算机对加载系统的控制，使得管段可以做不同位移的往复运动，以实现对于循环荷载下管道运动状态的模拟。

四)水平力施加在管段内部，因此加载系统与土完全没有接触，有效地降低了摩擦。另外，试验管段的长度接近试验槽的宽度，故管段两端与试验槽内壁的间隙非常小，从而管段两端与土之间产生的摩擦力也可忽略不计。这种设计最大化地降低了摩擦力的干扰，很好的还原了管道的实际运动状态。

五)为便于观察试验现象，槽壁采用钢化玻璃材质，这为以后试验槽通水模拟水下的管道水平向运动情况提供了可能，并且钢质的试验管段表面允许安置土压力盒或孔压传感器，获取管段进行单一方向或往复运动时的土的应力或孔压的产生与变化，从而为大位移管土相互作用研究提供了试验可能。

综上所述，本发明采用一种线接触滚动摩擦机构来实现加载，相比于以往模型试验系统中管线与加载机构的刚性连接或铰接等连接方式，完全释放了被测管段在竖直方向上的约束，从而使试验中的各种干扰降到了最低。同时，双推板和长导轨的设计也使得循环荷载下管道的大位移往复运动试验得以实现。利用本发明进行试验，可以得到管道运动轨迹以及相应土抗力的变化，通过对试验现象规律性的分析研究，可以进一步提出循环荷载下管土水平向相互作用模型，为管道的在位稳定性提供设计参考。本发明还可用于多种加载形式下管道的运动轨迹及土抗力变化规律的试验研究。尤其是循环荷载作用下管道的大位移往复运动，研究不同土性、管道嵌入深度、加载频率与幅值以及饱和度条件等等因素影响下，管道的运动轨迹、土破坏模式及土抗力变化规律，从而进一步完善水平向管土相互作用理论。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明的被测管段结构示意图；

图4为本发明的传力系统结构示意图。

图中：1、丝杠，2、加力板，3、传力板，4、拉压力传感器，5、支架，6、推板，7、伺服电机减速器，8、控制器，9、被测管段，10、动静态应变采集仪，11、计算机，12、摄像头，13、试验槽，14、滚轮，15、心轴，16、滚轮凹槽，17、拨板插槽，18、直线导轨，19、拨板。

具体实施方式

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

海底管线的水平向管土相互作用的研究，即观察、分析和总结管道的运动轨迹、土抗力的变化规律以及土体的变形和破坏模式，从而得到相应的管土作用理论模型，为管线的在位稳定性设计提供依据。其中室内模型试验的关键点就在于如何有效地模拟包括循环荷载在内的多种加载形式，以及如何尽可能地减小因摩擦或外界约束而对试验装置的动力传输、管段运动产生的干扰。本发明针对这些问题进行了一些改进。

请参阅图1～图4，一种海底管线水平向管土相互作用测试系统，包括试验槽13、加载系统、传力系统、数据采集系统和试验配件。

在所述试验槽13的顶面上固定有两根沿其长度方向设置的水平纵向导轨。

所述加载系统包括加力板2和丝杠1，所述丝杠1通过支架5支撑在所述试验槽13的顶面上，在所述加力板2上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠1上，所述丝杠1由伺服电机减速器7驱动，所述伺服电机减速器7由控制器8控制；所述加力板2通过设置在其两侧的滑块Ⅰ连接在所述水平纵向导轨上。

所述传力系统包括与所述加力板2连接的传力板3，在所述传力板3上设有左右对称的两根竖直设置的推板6，所述推板6通过直线导轨18与所述传力板3滑动连接，在所述推板18的下端设有前后布置的两个拨板19，所述传力板3通过设置在其两侧的滑块Ⅱ连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板2与所述传力板3通过拉压力传感器4连接。

所述试验配件包括被测管段9，在所述被测管段9内设有与其固接的心轴15，在所述心轴15上安装有左右对称的两个滚轮14，在所述滚轮14中部设有凹槽，在所述被测管段9上部与滚轮凹槽16对应的部位开设有拨板插槽17。

所述被测管段9沿所述试验槽13的宽度方向设置，所述拨板19插入在所述拨板插槽和所述滚轮凹槽内，任意一个所述推板6下端的两个所述拨板19分别设置在一个所述滚轮14的两侧，传力时，所述拨板19与所述滚轮14形成线接触滚动摩擦连接。

所述数据采集系统包括所述拉压力传感器4、一台动静态应变采集仪10、一台计算机11和一个摄像头12，所述拉压力传感器4与所述动静态应变采集仪10连接，所述动静态应变采集仪10和所述摄像头12分别与所述计算机11连接；所述摄像头12用于获取所述被测管段9与其周围土体的影像。

在本实施例中，在所述试验槽13的四周设置有钢化玻璃。在所述试验槽13的钢化玻璃上沿高度方向设有刻度。

试验开始前，首先要测试模拟海床土体的物理力学性质。对于砂性土，应测定土体容重、含水率、密实度及天然坡角等指标。然后向槽内按层填埋砂土，每填一层后击实并用预定的击实密度来控制，直至达到预定标高；对于粘性的填土，应测定土体容重、含水率、塑限、液限及抗剪强度等指标。然后同样按层向槽内填土，每层都要夯实均匀并用环刀取土样测土的密度和含水率，并控制在预定值，直到达到预定标高。粘土铺设完成后，还需要固结24小时使其形成均匀整体。

填土以及置管完成后，将被测管段、加载系统、传力系统和数据采集系统按图1所示进行连接。

进行试验时，依次启动计算机、摄像头、动静态应变仪。其中动静态应变仪使用前应进行平衡和清零，然后打开伺服电机减速器设定试验加荷速率和被测管段水平方向的运动距离以及管线的循环运动次数。加荷速度可以在可1～10mm/s之间变化，水平向位移的最大值由试验槽的大小所限制。试验开始后，动静态应变仪记录水平向抗力的实时变化数据，而摄像头则用来监控和记录管线的运动轨迹和土体变形规律。所得数据都记录在计算机中。

试验完成后，依次关闭伺服电机、应变仪及摄像机，整理以及备份试验数据。

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的情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。