冻土区腐蚀管道安全性研究及地基塌陷的模拟试验装置

摘要

本申请公开了冻土区腐蚀管道安全性研究及地基塌陷的模拟试验装置。该模拟试验装置包括震动台、冻融循环箱、模拟降雨装置、锈蚀管道、温度控制器、湿度传感器、位移传感器、流量传感器、应变采集仪、第一压力传感器和液氮冻结器。本技术方案中，通过将冻融循环箱与震动台结合，可以较真实模拟冻土地区的冻融状态下腐蚀管道安全性能和地震影响时受力状态，同时可以模拟冻土地区受地震影响时可能发生的地基塌陷过程。

说明书

技术领域

本申请涉及土工试验设备的技术领域，尤其涉及冻土区腐蚀管道安全性研究及地基塌陷的模拟试验装置。

背景技术

随着天然气石油资源的不断开采，在油气田的开发、生产、运输中，输油管道起着决定性的作用，故而被称之为“生命线工程”，直埋管道的使用也越来越多。随着石油的勘探和开发工作不断地深入，油田逐步进入中后期，输油量不断增加，管道不可避免的发生腐蚀破坏。特别是腐蚀管道穿越冻土地区时，土体的冻胀和融沉对管道产生的影响较大。当管道在冻土区发生腐蚀破坏时，管道壁变薄或局部变薄，这样会使得管道在受外力作用时，抵抗变形的能力大大减弱，如果不能有效评估腐蚀管道的安全性，及时更换或维修，可能会引起管道整体破坏或者造成原油泄漏事故。同时，考虑到我国地震带主要分布在东北及西北部地区，地震时有发生，如青海玉树等，地震会对管道造成很大的破坏，因此研究冻土地区地震对腐蚀管道的影响及管道的抗震性能就显得尤为重要。

对于同时受到冻胀、融沉、地震影响的腐蚀管道，目前的模型试验装置还不能兼顾三者共同作用造成的影响，管道腐蚀深度，腐蚀长度等参数对冻土地区埋地管道力学性能以及抗震性能的影响缺乏行之有效的监测手段。

发明内容

有鉴于此，本申请提供冻土区腐蚀管道安全性研究及地基塌陷的模拟试验装置，能够较真实和直观的模拟地震作用下地基的塌陷。

本申请提供一种冻土区腐蚀管道安全性研究及地基塌陷过程的模拟试验装置，其特征在于，包括震动台、冻融循环箱、模拟降雨装置、锈蚀管道、温度传感器、湿度传感器、位移传感器、流量传感器、应变采集仪、第一压力传感器和液氮冻结器；

所述液氮冻结器的液氮输出端通入所述内箱体的内腔，所述内箱体的底板通过弹簧与震动台四角连接，内箱体底板穿设有用于控制内箱体砂子流出速度的流量传感器，所述流量传感器的下方装有用以监测砂子重量以量化塌陷速率的第一压力传感器；位于所述内箱体的内腔的模拟土体内放置有电阻丝加热片，内箱体的底部填充有含有分层布置的砂土与染色后彩砂，其上铺设不透水层，高度不超过内箱体侧壁下部开孔高度；

所述锈蚀管道置于不透水层上方，并在其四周置有用于测量由冻胀引起的土压力变化的所述称重传感器，所述应变采集仪用于监测锈蚀管道的管道应变，所述位移传感器用以监测锈蚀管道由震动引起的位移；所述温度传感器用以监测模拟土体的温度；所述湿度传感器用以监测模拟土体的湿度；

所述模拟降雨装置用于对内箱体进行模拟降雨。

可选地，所述内箱体材质为高强度透明帕姆pasmo板。

可选地，所述模拟降雨装置包括用以储水的水箱和与所述水箱连通的蓬头。

可选地于，所述液氮冻结器包括供液管、冻结管和出气管，所述供液管在冻结管内长度大于出气管在冻结管内长度，液氮通过供液管进入冻结管后在其内蒸发，带走冻结管周围土层中大量热量，使得模拟土体急速冻结。

可选地，所述控制面板包括依次电连接的温度控制器、微型计算机和触摸显示屏。

可选地，所述流量传感器连接所述微型计算机。

可选地，所述压力传感器连接所述微型计算机。

可选地，所述称重传感器为BPMS薄膜。

可选地，所述温度传感器与湿度传感器置于模拟砂土的中部位置。

以上提供模拟试验装置，与现有技术相比至少具备以下有益效果：

(1)本申请的模型实验装置包括锈蚀管道、冻融循环箱，可以考虑冻土地区锈蚀管道受土体冻胀影响使应力应变状态，对管道安全性进行讨论。

(2)、本申请的管涵模型实验装置包括冻融循环箱与震动台，可以考虑土体冻胀状态下锈蚀管道以及地基受地震影响时，管道位移及地基塌陷状态。

(3)、本申请的模型实验装置包括液氮冻结器，较之传统的制冷方法可以将冻结效率大大提高。

(4)、本申请的管涵模型实验装置通过分层铺设模拟砂土与彩砂可以直观的观测到地基土体位移。

(5)、本申请的模型实验装置相比只考虑单一影响因素的传统模型试验装置可同时把地基的冻融影响，地震载荷影响，结合在一起通过位移采集仪以及应变采集仪探究锈蚀管道位移以及可能发生的管道破坏状态。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供模拟试验装置的结构示意图。

其中，图中元件标识如下：

1-杜瓦罐；2-冻结管；3-供液管；4-外箱体；5-蓬头；6-水箱；7-进水阀；8-控制面板；9-内箱体；10-电阻丝加热片；11-温度传感器；12-模拟土体；13-第一压力传感器；14-彩砂；15-位移传感器；16-锈蚀管道；17- 第一压力传感器；18-流量传感器；19-震动台；20-应变采集仪；21-称重传感器；22-湿度传感器；23-排水阀；24-出气管；25-弹簧。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

参考图1，本申请实施例提供的模拟试验装置包括震动台19、冻融循环箱、模拟降雨装置、锈蚀管道16、称重传感器21、温度控制器、湿度传感器22、位移传感器15、流量传感器18、第一压力传感器17、应变采集仪20；其中外箱体4内部通过震动台19与内箱体9连接，震动台19 通过弹簧25连接内箱体9的底部，这样通过震动台19模拟地震。内箱体 9材质采用高强度透明帕姆pasmo板，外箱体4正面采用可透视钢化玻璃；

本申请所述的液氮冻结器由装有液氮的杜瓦罐1以及冻结器组成，杜瓦罐1置于冻融循环箱外，通过输送管道连接内箱体9中冻结器，管道安装有阀门，冻结器由供液管3、冻结管2、出气管24构成，供液管3伸至冻结管2底部，出气管24从冻结管2内伸出，打开管道阀门以后供液管3开始输送液氮，通过温度传感器11监测模拟土体12温度，待到达需求温度，土体冻结后，关闭供液管3阀门。

本申请的进水控制系统为内箱体9上方喷淋装置通过水管连接外箱体 4上部的水箱6出水口，水流大小可通过水箱6出水口处阀门控制，在内箱体9两侧下部位置开有小孔，同时竖向放置透水隔板，便于不透水层上的积水排出，模拟地下水及其流动状态。

称重传感器21在内箱体9内的锈蚀管道16的周围分布，称重传感器 2包括薄膜压力片、传感线，所述薄膜压力片分别布置在锈蚀管道16的四周。温度传感器11在内箱体9内部均匀布置，温度传感器11包括温度传感片、传感线等或者为其它公知形式。温度传感器11、湿度传感器22 置于模拟土体12中。

再次参考图1，本申请震动台19可采用公知的形式，例如其包括台面、动圈、柔性支承连接内箱体9、震动发生器、电器连接件和冷却连接件组成的运动系统，用于发生所需的震动参数，来模拟地震。震动台19 通过弹簧25连接在内箱体9的底部。

温度传感器11、液氮冻结器与电阻丝加热片10共同配合，具体地说，液氮冻结器对模型箱内模拟砂土进行降温，使地基土变成冻土地基，从而达到模拟冻土地基的效果。湿度传感器22用于监测箱内湿度，开启电阻丝加热片10控制箱内温度。

再次参考图1，流量传感器18，包括红外监测设备，可变孔径的流量检测器，通过传感线连接到外箱体4控制面板8，通过微型计算机控制砂土流出速率，从而控制地基沉降。

本申请还提供了如上述的一种地震荷载作用下冻土地基上锈蚀管道16安全性研究及地基塌陷过程的模拟实验装置的实验方法，所述实验方法包括：

1)在内箱体9底部分层铺设砂土与彩砂14至一定高度，后铺设不透水层进行夯实，要求高度低于内箱体9两侧开孔高度。

2)基于实验方案在内箱体9内不透水层上方铺设模拟土体12，在其中预埋薄膜压力片与温度传感片及湿度传感器22，薄膜压力片用于监测锈蚀管道16底部的土体压力进行监测，温度传感片用于监测冻土地基温度，湿度传感器22监测模拟土体12内部湿度。放置管道，掩埋管道且可在管道的左右两侧各放置薄膜压力片，用于监测管道左右两侧的土体压力，在其上部铺设一层薄膜压力片，用于监测管道上部的土体压力，填入模拟土体12至需要高度。

3)关闭排水阀23，开启进水阀7开始模拟降雨，水体与内箱体9之间的隔板底部的孔洞高度等同时，打开排水阀23进行排水，保持排水速率与进水速率相同，箱内水位始终与隔板的孔洞对齐，这样可以更加真实的模拟地下水以及其流动的状态。

4)开启液氮冻结器的进液管阀门，进行降温。监测温度传感系统，使地基温度降至0℃以下，使地基土中含有冰层。待地基土中含有冰层则判定为成为冻土地基，可关闭进水阀7。根据同时开启内箱体9底部震动台19与内箱体9底板小孔，通过第二压力传感器13监测锈蚀管道16 周围土压力的变化，通过位移传感器15监测管道位移，通过流量传感器 18控制砂土流速，第一压力传感器13测得砂子质量，计算地基沉降状态。

5)本申请的锈蚀管道16可取真实锈蚀状态管道也可以取管壁厚薄不一的模拟管道拼接而成，管径可变化。

本申请冻土区腐蚀管道安全性研究及地基塌陷过程的模拟试验装置，可用于研究冻土地区在冻胀、融沉及地震荷载同时作用对锈蚀管道16的影响，对管道受力和变形进行分析，同时较真实和直观的模拟地震作用下地基的塌陷。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。