含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验装置及方法

摘要

本发明提出一种含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验装置及方法，其特征在于：在波流水槽（1）中的动床试验段（2）设有变坡海床模型（3），所述变坡海床模型（3）上铺设有悬链线管道（4），所述悬链线管道（4）位于变坡海床模型（3）上的外表面设有若干组位移传感器（5）和电阻应变片（6），顶端连接三维驱动装置（7）；以驱动悬链线管道（4）在横向、纵向和竖向三个方向的循环往复运动。目的在于有效模拟铺设管道与不同型式斜坡海床的动力相互作用。

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程铺管试验技术领域，尤其涉及一种含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验装置及方法。

背景技术

海底管道是海洋油气重要的集输运手段，被誉为海上油气田生产系统的“生命线”。随着海洋油气资源的开发逐渐走向深海，油气管道需要从浅海铺向深海，深海环境条件恶劣，海床存在斜坡，铺设管道与斜坡海床动力相互作用导致管道受力变形响应显著，成为当前铺管设计与施工亟需考虑解决的问题。目前已有的铺管模型试验装置系统中，往往都是在平坦海床上进行的，忽略了斜坡海床对管道动力响应的影响，无法模拟铺设管道与斜坡海床的动力相互作用，现有技术可以参考中国专利202121548128.3。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验装置及方法，目的在于有效模拟铺设管道与不同型式斜坡海床的动力相互作用。该系统结构简单新颖，试验功能强大，变坡海床模型能够对复杂海床环境进行便捷处理，以便有效模拟多种型式的斜坡海床，在驱动装置和波流水槽提供的海洋环境铺管动力条件下，进行铺管动力模型试验研究。基于该装置，本发明还提供一种含变坡海床模型的铺管动力试验研究方法。

本发明具体采用以下技术方案：

一种含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验装置，其特征在于：在波流水槽（1）中的动床试验段（2）设有变坡海床模型（3），所述变坡海床模型（3）上铺设有悬链线管道（4），所述悬链线管道（4）位于变坡海床模型（3）上的外表面设有若干组位移传感器（5）和电阻应变片（6），顶端连接三维驱动装置（7）；以驱动悬链线管道（4）在横向、纵向和竖向三个方向的循环往复运动。

进一步地，所述波流水槽（1）底部为水平混凝土面，中部设有动床试验段（2），所述动床试验段（2）为一段有一定深度的试验坑；所述波流水槽（1）两侧为玻璃水槽壁，水槽壁顶部铺设有三维驱动装置（7）的水平钢架导轨。

进一步地，所述变坡海床模型（3）包括架设在动床试验段（2）坑底的可调节倾斜式工作台（10），以及工作台面上用螺栓安装设置的预制长方体木盒（11），用于填装预制饱和砂土或粘土，以模拟海床土壤。

进一步地，所述三维驱动装置（7）竖向运动的滑块（15）上接有一钢制杆件（16），所述悬链线管道（4）顶部嵌套在钢制杆件（16）上，并悬垂在变坡海床模型（3）的海床土壤表面，末端与海床接触，形成一段触地段管道。

进一步地，所述悬链线管道（4）顶部嵌套在钢制杆件（16）上的连接部安装有管道连接器。

进一步地，所述悬链线管道（4）上的若干组位移传感器（5）和电阻应变片（6）为等间距设置，且电阻应变片（6）采用防水薄膜包裹。

进一步地，所述可调节倾斜式工作台（10）由相互之间构成可调式转动连接的工作台面和圆弧底座（13）；摇把（12）作为二者可调式转动连接的延伸部，用于手动控制工作台沿圆弧面滑动，以向前向后倾斜；所述圆弧底座（13）侧面有角度刻度，用于设定工作台的倾斜角度，以实现不同倾斜方向、不同角度的斜面海床模拟。

进一步地，其试验方法，包括以下步骤：

步骤S1：使用量纲分析法，根据几何、运动和动力相似原则进行缩尺比换算，确定满足试验条件的管道、变坡海床模型和钢制杆件的最佳尺寸；

步骤S2：用水浸泡海床土，制备饱和海床土样，测定土样基本特征参数，将土样铺设在变坡海床模型的木盒中；

步骤S3：在选定好材料和尺寸的管道外表面根据试验需要以一定间隔布置位移传感器和电阻应变片，并采用防水薄膜包裹粘合；

步骤S4：将管道上端与三维驱动器竖向滑块连接的钢制杆件嵌套相连，并用管道连接器加固嵌套处；管道下部铺设在变坡海床模型土样表面，在自重条件下形成悬链线形状；

步骤S5：在波流水槽中蓄水，达到预定水深后，启动波流水槽的造流和造波系统，设定好流速、波高和周期；

步骤S6：待水槽中形成稳定的水流和波浪后，启动三维驱动装置，分别设置好三个方向滑块运动的幅度和周期，由此带动管道顶端运动；

步骤S7：位移和应变数据采集系统以一定采样频率采集试验过程中管道各测点的位移和应变数据，试验结束后，先关闭数据采集系统，再关闭三维驱动器以及造流和造波系统。

该试验用以模拟斜坡海床下铺设管道的动力响应，波流水槽生成波浪和海流，三维驱动设备模拟波流条件下铺管船运动对管道顶端的激励作用。

进一步地，在模拟不同型式和坡角斜坡海床下铺管时，只需在步骤S2中调节可调节倾斜式工作台的倾斜度，即可分别模拟正坡和负坡海床，设置不同坡角的斜坡海床；然后重复步骤S3到步骤S7，即可得到在不同斜坡型式和坡角的海床下铺设管道的位移和应变响应结果。

相比于现有技术，本发明及其优选方案具有以下有益效果：该含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验系统结构简单新颖，试验功能强大，波流水槽能够模拟波浪和海流环境，通过驱动设备牵引管道顶端进行三维周期运动，可以有效模拟铺管船运动对管道的激励作用。通过变坡海床模型能够对复杂海床环境的模拟进行便捷处理，以便模拟多种型式的斜坡海床。位移传感器和电阻应变片能够测得试验中管道位移和应变时程，由此得到管道受力变形响应。该试验装置系统能够有效模拟铺设管道与斜坡海床动力相互作用，开展斜坡海床下铺管动力模型试验研究。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例整体结构示意图一。

图2为本发明实施例整体结构示意图二（不含变坡海床模型）。

图3为本发明实施例变坡海床模型结构示意。

图4为本发明实施例可调节倾斜式工作台结构示意。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1~图4所示，本实施例提供了一种含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验装置，包括波流水槽1，波流水槽中的动床试验段2设有变坡海床模型3，海床上铺设有悬链线管道4，管道外表面设有若干组位移传感器5和电阻应变片6，管道顶端连接着三维驱动装置7，以驱动其在横向、纵向、竖向三个方向循环往复运动。

在本实施例中，波流水槽总长55m，宽1m，高1.5m，底部为水平混凝土面，中部设有动床试验段，动床试验段为长1.5m，宽1m，深0.6m的试验坑，水槽两侧为玻璃水槽壁8，水槽壁顶部为水平钢架导轨9。

在本实施例中，变坡海床模型3包括架设在动床试验段坑底的可调节倾斜式工作台10，可调节倾斜式工作台材质为铸铁，整体尺寸为0.7m×0.3m×0.4m，工作台面上用螺栓安装有预制长方体木盒11，尺寸为0.8m×1.2m×0.2m，木盒中填装有预制饱和砂土或粘土。

其中，调节倾斜式工作台10由相互之间构成可调式转动连接的工作台面和圆弧底座13构成，此处可调式转动连接应理解为包含公知技术中可实现工作台面倾斜度通过转动可调的任意连接方式，比如齿轮齿条等连接方式。

在本实施例中，变坡海床模型3下部的可调节倾斜式工作台10通过摇把12手动控制工作台沿圆弧面滑动，可以向前向后倾斜，侧面有角度刻度，以设定工作台的倾斜角度，由此可以模拟不同方向和坡角的斜面海床。

在本实施例中，驱动设备安装在水槽壁顶端钢架导轨9上的搭载平台14，驱动电机选用57式步进电机，利用驱动设备控制器操作，可以调控驱动器横向、纵向、竖向三个方向运动的周期和幅度，三向滑块模组行程最大值为200mm，最大水平负载25kg，运动有效精度为0.05mm。

在本实施例中，驱动器竖向运动的滑块15上接有一钢制杆件16，试验管道顶部嵌套在钢制杆件上，嵌套处用管道连接器加固。管道悬垂在变坡海床模型3的预设海床土壤表面，末端与海床接触，形成一段触地段管道。

根据以上装置设计，该含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验系统的工作原理为：波流水槽顶端的驱动设备牵引管道进行三维波频运动，同时管道上半段悬垂，下半段置于预设好的斜坡海床模型上，水槽能够生成规则波、不规则波和水流，由此，构成了整个铺管动力研究试验装置系统，管道表面的位移传感器和电阻应变片连接电脑控制器，能够采集动力试验过程中管道各测点的位移和应变时程，进行斜坡海床下铺管动力模型试验研究。

具体地，本实施例还提供一种含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验方法，包括：

步骤一：使用量纲分析法，根据几何、运动和动力相似原则进行缩尺比换算，确定满足现有试验条件的管道、变坡海床模型和钢制杆件的最佳尺寸。

步骤二：制备饱和海床土样，测定土样基本特征参数，将土样铺设在变坡海床模型的木盒中，设置可调节倾斜式工作台倾斜角度为5°，以模拟斜坡海床。

步骤三：选定好的32mmPE试验管，管长3m，壁厚3mm，在管道外表面每间距10cm间隔布置位移传感器和电阻应变片，并用防水薄膜包裹粘合，避免遇水短路。

步骤四：将管道上端与三维驱动器竖向滑块连接的钢制杆件嵌套相连，用管道连接器加固嵌套处。管道下部铺设在变坡海床模型土壤表面，在自重条件下形成悬链线形状。

步骤五：在波流水槽中蓄水，达到30cm水深后，启动波流水槽的造流和造波系统，设定流速0.2m/s，生成波高为0.06m、周期为1.5s的线性波浪。

步骤六：待水槽中形成稳定的水流和波浪后，启动三维驱动装置，设置三个方向滑块运动的幅度和周期均分别为50mm和4s，由此带动管道顶端运动。

步骤七：分别采用多通道位移数据采集系统和动态应变采集系统以一定采样频率采集试验过程中管道各测点的位移和应变数据，试验结束后，先关闭数据采集系统，再关闭三维驱动器以及造流和造波系统。

进一步地，本实施例的方法在模拟不同型式和坡角斜坡海床下铺管时，只需在步骤二中通过转动可调节倾斜式工作台的摇把，控制工作台向前和向后倾斜，可分别模拟正坡和负坡海床，根据侧面的角度刻度可设置不同坡角的斜坡海床。然后重复步骤三到步骤七，即可得到在不同斜坡型式和坡角的海床下铺设管道的位移和应变响应结果。

本实施例方案与现有技术相比具有以下优点：

（1）海洋环境复杂，有效模拟真实海洋环境是模型试验的关键。本发明的波流水槽能够生成规则波、不规则波和水流，三维驱动设备牵引管道顶端循环反复运动。本试验装置系统提供了铺管试验所需的动力环境条件，可有效模拟海洋环境波浪、海流以及铺管船运动对铺设管道的激励作用。

（2）斜坡海床是海底环境中常见的地形，也是铺管不可避免的边界条件，本发明的变坡海床模型简单实用，能够调节模拟多种型式的斜坡海床，模拟铺设管道与斜坡海床动力相互作用，从而得出斜坡海床下铺设管道动力响应，为海洋油气管道铺设设计与施工提供理论依据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的含变坡海床模型的波流水槽铺管动力研究试验装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。