專利名稱：檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法及其模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及近海工程、海洋土力學、海底管道工程領域，尤其是一種 檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法及其模擬裝i背景技術海底管道是海洋石油開發(fā)過程中輸送油氣的有效工具。在海流載荷下，海底管道將受到水平拖曳力和垂向升力的水動力作用；同時，管道 還受到自身重力，其下方土體提供的豎直支持力和側向阻力的綜合作用。 當土體所提供側向阻力不足以平衡海流引起的拖曳力時，管道將產生水 平位移，而失去穩(wěn)定性，當管道各段發(fā)生的水平位移量不相同時，管道 將受力彎曲，嚴重時可引起管道線路斷裂事故。可見，在海洋環(huán)境載荷 下，直接鋪設在海床上的海底管道的側向穩(wěn)定性直接關系到管道系統(tǒng)能 否正常運營。從而，在一定的管道初始沉降量下，能有效的測量管道所 能承受的最大水平土阻力，進而確定管道的穩(wěn)定性條件成為海底管道工 程中的關鍵問題。發(fā)明內容針對現有技術存在的問題,太發(fā)明的首要目的是提供一種檢測海底直 鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法，利用該方法可有效模擬海底直鋪管道鋪 設的環(huán)境，從而有效檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性。本發(fā)明的進一步目 的是提供一種實施上述方法的模擬裝置。為實現上述目的，本發(fā)明檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法， 具體為1) 制備土樣，模擬海床；2) 安裝試驗管道當管道與海床剛剛接觸時，釋放管道使其在自身 重力作用下產生初始沉降，同時采用激光位移傳感器測量管道在土體中 的初始沉降量。3)通過步進電機對所述管道施加斜向拉力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時測量所述步進電機的拉力、管道側 向失穩(wěn)過程中的水平位移和附加沉降量、以及管道側向失穩(wěn)過程中下方 土體的位移場，通過所測量的數據可分析出海底直鋪管道側向穩(wěn)定性情 況。一種實施上述方法的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置,該模 擬裝置包括土槽及土樣制備系統(tǒng)、機械加載系統(tǒng)、參數測量系統(tǒng)，土樣 制備系統(tǒng)用于在所述土槽內制備海底土樣，以便模擬管道的承壓土體； 機械加載系統(tǒng)用于模擬單向海流對管道的水平拖戈力和垂向升力作用； 參數測量系統(tǒng)用于對實驗中的數據測量。進一步，所述土槽采用透明的鋼化玻璃制成，以便測量中觀察管道側 向失穩(wěn)的動力過程；所述土樣制備系統(tǒng)采用砂雨法制備砂土土樣。進一步，所述機械加載系統(tǒng)包括步進電機、自動微調裝置、拉繩、才莫 型管道，自動微調裝置上設置有定滑輪，拉繩一端固定連接在步進電機 的傳動軸上，拉繩另一端繞過所述定滑輪后與模型管道固定連接，所述 自動微調裝置可調整所述定滑輪在豎直方向上運動，從而保證在管道側 向失穩(wěn)過程中使得所述拉繩與土體水平面的夾角不t進一步，所述拉繩與土體水平面的夾角范圍為40' ~ 60°之間。進一步，所述模型管道上設置有中心軸并且管道兩端自由，所述拉繩 固定連接在所述中心軸上，從而使得管道可同時發(fā)生轉動和平行移動。進一 步，所述模型管道上固定設置有防止管道轉動的雙平行四邊形枳i 構，所述拉繩與模型管道固定連接后，使得模型管道只能發(fā)生平行移動。進一步，所述參數測量系統(tǒng)包括激光位移傳感器、拉力傳感器、激光 粒子圖像測速儀和土壓力傳感器，拉力傳感器設置在所述拉繩上，用于 測量所述步進電機施加的拉力值；激光位移傳感器用于測量所述模型管 道在土體中的初始沉降量；激光粒子圖像測速儀用于測量所述模型管道 側向失穩(wěn)過程中下方土體的位移場；土壓力傳感器設置在所述模型管道 下外邊緣上，并用于測量所述才莫型管道所承受的土壓力。利用本發(fā)明檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法及其模擬裝置， 可有效模擬海底直鋪管道的承壓土體、單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力等，并可實時測量穩(wěn)定性參數，從而可模擬分析海底直鋪管道的側向穩(wěn)定性。
圖1為本發(fā)明實施例1的結構示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例2的結構示意圖。
具體實施方式
實施例1如圖1所示，本發(fā)明檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置包括土 槽及土樣制備系統(tǒng)l、機械加載系統(tǒng)2、參數測量系統(tǒng)3，其中土槽及土 樣制備系統(tǒng)l包括土槽ll、 土體12, 土槽11采用透明的鋼化玻璃制成， 以便測量中觀察管道的狀態(tài)；土體12為采用>&少雨法制備的^^土土樣制成， 從而更好的模擬了砂土海泉機械加載系統(tǒng)2包括步進電機21、自動微 調裝置25、拉繩22、模型管道23，本實施例中模擬管道23為兩端自由， 管道中心設置有中心軸24，這種管道在失穩(wěn)時既發(fā)生平動又發(fā)生滾動； 自動微調裝置25上設置有定滑輪251，拉繩22 —端固定連接在步進電機 21的傳動軸上，拉繩22另一端經由定滑輪251后與中心軸24固定連接， 從而使得管道可同時發(fā)生轉動和平行移動，自動微調裝置25可調整定滑 輪251在豎直方向上運動，從而保證拉繩22與土體水平面的夾角不變， 這樣使得當步進電機輸出的拉力一定時，通過拉繩22作用在模型管道23 上的水平拖拽力和垂直拉力保持一定的比值，從而更好的反映單向海流 作用下管道所受水動力載荷的特點。參數測量系統(tǒng)3包括激光位移傳感 器32和34、拉力傳感器31、激光粒子圖像測速儀33和土壓力傳感器35, 拉力傳感器31設置在拉繩22上，用于測量步進電才幾n施加的拉力值， 激光位移傳感器34用于測量模型管道23在土體12中的初始沉降量，激 光位移傳感器32用于測量模型管道23在失穩(wěn)過程中的水平位移量，激 光粒子圖像測速儀33用于測量模型管道23側向失穩(wěn)過程中下方土體的 位移場，土壓力傳感器35設置在模型管道23下外邊緣上，并用于測量 模型管道23所承受的土壓力。工作時，首先制備海底土樣，在土槽11內填充土體12來模擬海床； 安裝模型管道23:當管道與海床剛剛接觸時，釋放模型管道23使其在自身重力作用下產生初始沉降，同時采用激光位移傳感器34測量模型管道 23在土體中的初始沉降量；通過步進電機21對模型管道23施加斜向拉 力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時通過拉 力傳感器31測量步進電機21的拉力、通過激光位移傳感器32、 34測量 模型管道23側向失穩(wěn)過程中的水平位移和附加沉降量、以及通過激光粒 子圖像測速儀33測量管道側向失穩(wěn)過程中下方土體的位移場，其中對于 模型管道23側向失穩(wěn)過程中的水平位移和附加沉降量，也可通過設置數 字攝像系統(tǒng)來記錄，這樣可更加直觀的表現管道在失穩(wěn)過程中的狀態(tài)。 通過所測量的所有數據即可分析出海底直鋪管道側向穩(wěn)定性情況。 實施例2本實施例中模擬管道23上設置有雙平行四邊形機構26的防滾裝置， 在雙平行四邊形機構26的約束下，模擬管道23只能發(fā)生移動。本實施 例中其他模擬裝置和方法與實施例l中相同。對于本發(fā)明檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法及其模擬裝置， 通過步進電機21、拉繩22施加的拉力來模擬海流的水動力,可通過改變 電機的輸出扭力或改變拉繩22與土體水平面的夾角來改變拉力值，通常 拉繩22與土體水平面的夾角改變范圍為40。 60'之間。模擬管道23重量 (單位長度)通過增減配重來實現，可通過在管道表面粘貼不同目的砂 紙來改變其表面粗糙度。
權利要求
1、檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法，具體為1)制備土樣，模擬海床；2)安裝試驗管道當管道與海床剛剛接觸時，釋放管道使其在自身重力作用下產生初始沉降，同時采用激光位移傳感器測量管道在土體中的初始沉降量。3)通過步進電機對所述管道施加斜向拉力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時測量所述步進電機的拉力、管道側向失穩(wěn)過程中的水平位移和附加沉降量、以及管道側向失穩(wěn)過程中下方土體的位移場，通過所測量的數據可分析出海底直鋪管道側向穩(wěn)定性情況。
2、 一種實施權利要求1所述方法的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬 裝置，其特征在于，該模擬裝置包括土槽及土樣制備系統(tǒng)、機械加載 系統(tǒng)、參數測量系統(tǒng)，土樣制備系統(tǒng)用于在所述土槽內制備海底土樣， 以便模擬管道的承壓土體；機械加載系統(tǒng)用于模擬單向海流對管道的 水平拖曳力和垂向升力作用；參數測量系統(tǒng)用于對實驗中的數據測 量。
3、 如權利要求2所述的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置，其特 征在于，所述土槽采用透明的鋼化玻璃制成，以^更測量中》見察管道側 向失穩(wěn)的動力過程；所述土樣制備系統(tǒng)采用砂雨法制備砂土土樣。
4、 如權利要求2所達的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置，其特 征在于，所述機械加載系統(tǒng)包括步進電機、自動微調裝置、拉繩、模 型管道，自動微調裝置上設置有定滑輪，拉繩一端固定連接在步進電 機的傳動軸上，拉繩另一端繞過所述定滑輪后與模型管道固定連接， 所述自動微調裝置可調整所述定滑輪在豎直方向上運動，從而保證在 管道側向失穩(wěn)過程中使得所述拉繩與土體水平面的夾角不t
5、 如權利要求4所述的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置，其特 征在于，所述拉繩與土體水平面的夾角范圍為40° 60°之間。
6、 如權利要求4所述的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置，其特 征在于，所述模型管道上設置有中心軸并且管道兩端自由，所述拉繩固定連接在所述中心軸上，從而使得管道可同時發(fā)生轉動和平行移 動。
7、 如權利要求4所述的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置，其特 征在于，所述模型管道上還可固定設置有防止管道轉動的雙平行四邊 形機構，當所述拉繩與模型管道固定連接后，使得模型管道只能發(fā)生 平4亍移動。
8、 如權利要求2所述的檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬裝置，其特 征在于，所述參數測量系統(tǒng)包括激光位移傳感器、拉力傳感器、激光 粒子圖像測速儀和土壓力傳感器，拉力傳感器設置在所述拉繩上，用 于測量所述步進電機施加的拉力值；激光位移傳感器用于測量所述模 型管道在土體中的初始沉降量；激光粒子圖像測速儀用于測量所述才莫 型管道側向失穩(wěn)過程中下方土體的位移場；土壓力傳感器設置在所述 模型管道下外邊緣上，并用于測量所述模型管道所承受的土壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測海底直鋪管道側向穩(wěn)定性的模擬方法及其模擬裝置，首先制備土樣，模擬海床；安裝試驗管道當管道與海床剛剛接觸時，釋放管道使其在自身重力作用下產生初始沉降，同時采用激光位移傳感器測量管道在土體中的初始沉降量。通過步進電機對管道施加斜向拉力，來模擬單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同時測量步進電機的拉力、管道側向失穩(wěn)過程中的水平位移和附加沉降量、管道側向失穩(wěn)過程中下方土體的位移場以及側向土壓力。利用本發(fā)明的模擬方法及其模擬裝置可有效模擬海底直鋪管道的承壓土體、單向海流對管道的水平拖曳力和垂向升力等，并可實時測量管道地基極限側向土阻力等穩(wěn)定性參數，從而可模擬分析海底直鋪管道的側向穩(wěn)定性。
文檔編號G01M99/00GK101221097SQ20081005664
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權日2008年1月23日
發(fā)明者吳應湘, 波 趙, 閆術明, 雒承才, 高福平 申請人:中國科學院力學研究所