专利名称：检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟方法及其模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及近海工程、海洋土力学、海底管道工程领域，尤其是一种 检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟方法及其模拟装i背景技术海底管道是海洋石油开发过程中输送油气的有效工具。在海流载荷下，海底管道将受到水平拖曳力和垂向升力的水动力作用；同时，管道 还受到自身重力，其下方土体提供的竖直支持力和侧向阻力的综合作用。 当土体所提供侧向阻力不足以平衡海流引起的拖曳力时，管道将产生水 平位移，而失去稳定性，当管道各段发生的水平位移量不相同时，管道 将受力弯曲，严重时可引起管道线路断裂事故。可见，在海洋环境载荷 下，直接铺设在海床上的海底管道的侧向稳定性直接关系到管道系统能 否正常运营。从而，在一定的管道初始沉降量下，能有效的测量管道所 能承受的最大水平土阻力，进而确定管道的稳定性条件成为海底管道工 程中的关键问题。发明内容针对现有技术存在的问题,太发明的首要目的是提供一种检测海底直 铺管道侧向稳定性的模拟方法，利用该方法可有效模拟海底直铺管道铺 设的环境，从而有效检测海底直铺管道侧向稳定性。本发明的进一步目 的是提供一种实施上述方法的模拟装置。为实现上述目的，本发明检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟方法， 具体为1) 制备土样，模拟海床；2) 安装试验管道当管道与海床刚刚接触时，释放管道使其在自身 重力作用下产生初始沉降，同时采用激光位移传感器测量管道在土体中 的初始沉降量。3)通过步进电机对所述管道施加斜向拉力，来模拟单向海流对管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同时测量所述步进电机的拉力、管道侧 向失稳过程中的水平位移和附加沉降量、以及管道侧向失稳过程中下方 土体的位移场，通过所测量的数据可分析出海底直铺管道侧向稳定性情 况。一种实施上述方法的检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟装置,该模 拟装置包括土槽及土样制备系统、机械加载系统、参数测量系统，土样 制备系统用于在所述土槽内制备海底土样，以便模拟管道的承压土体； 机械加载系统用于模拟单向海流对管道的水平拖戈力和垂向升力作用； 参数测量系统用于对实验中的数据测量。进一步，所述土槽采用透明的钢化玻璃制成，以便测量中观察管道侧 向失稳的动力过程；所述土样制备系统采用砂雨法制备砂土土样。进一步，所述机械加载系统包括步进电机、自动微调装置、拉绳、才莫 型管道，自动微调装置上设置有定滑轮，拉绳一端固定连接在步进电机 的传动轴上，拉绳另一端绕过所述定滑轮后与模型管道固定连接，所述 自动微调装置可调整所述定滑轮在竖直方向上运动，从而保证在管道侧 向失稳过程中使得所述拉绳与土体水平面的夹角不t进一步，所述拉绳与土体水平面的夹角范围为40' ~ 60°之间。进一步，所述模型管道上设置有中心轴并且管道两端自由，所述拉绳 固定连接在所述中心轴上，从而使得管道可同时发生转动和平行移动。进一 步，所述模型管道上固定设置有防止管道转动的双平行四边形枳i 构，所述拉绳与模型管道固定连接后，使得模型管道只能发生平行移动。进一步，所述参数测量系统包括激光位移传感器、拉力传感器、激光 粒子图像测速仪和土压力传感器，拉力传感器设置在所述拉绳上，用于 测量所述步进电机施加的拉力值；激光位移传感器用于测量所述模型管 道在土体中的初始沉降量；激光粒子图像测速仪用于测量所述模型管道 侧向失稳过程中下方土体的位移场；土压力传感器设置在所述模型管道 下外边缘上，并用于测量所述才莫型管道所承受的土压力。利用本发明检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟方法及其模拟装置， 可有效模拟海底直铺管道的承压土体、单向海流对管道的水平拖曳力和垂向升力等，并可实时测量稳定性参数，从而可模拟分析海底直铺管道的侧向稳定性。
图1为本发明实施例1的结构示意图； 图2为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
实施例1如图1所示，本发明检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟装置包括土 槽及土样制备系统l、机械加载系统2、参数测量系统3，其中土槽及土 样制备系统l包括土槽ll、 土体12, 土槽11采用透明的钢化玻璃制成， 以便测量中观察管道的状态；土体12为采用>&少雨法制备的^^土土样制成， 从而更好的模拟了砂土海泉机械加载系统2包括步进电机21、自动微 调装置25、拉绳22、模型管道23，本实施例中模拟管道23为两端自由， 管道中心设置有中心轴24，这种管道在失稳时既发生平动又发生滚动； 自动微调装置25上设置有定滑轮251，拉绳22 —端固定连接在步进电机 21的传动轴上，拉绳22另一端经由定滑轮251后与中心轴24固定连接， 从而使得管道可同时发生转动和平行移动，自动微调装置25可调整定滑 轮251在竖直方向上运动，从而保证拉绳22与土体水平面的夹角不变， 这样使得当步进电机输出的拉力一定时，通过拉绳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，从而更好的反映单向海流 作用下管道所受水动力载荷的特点。参数测量系统3包括激光位移传感 器32和34、拉力传感器31、激光粒子图像测速仪33和土压力传感器35, 拉力传感器31设置在拉绳22上，用于测量步进电才几n施加的拉力值， 激光位移传感器34用于测量模型管道23在土体12中的初始沉降量，激 光位移传感器32用于测量模型管道23在失稳过程中的水平位移量，激 光粒子图像测速仪33用于测量模型管道23侧向失稳过程中下方土体的 位移场，土压力传感器35设置在模型管道23下外边缘上，并用于测量 模型管道23所承受的土压力。工作时，首先制备海底土样，在土槽11内填充土体12来模拟海床； 安装模型管道23:当管道与海床刚刚接触时，释放模型管道23使其在自身重力作用下产生初始沉降，同时采用激光位移传感器34测量模型管道 23在土体中的初始沉降量；通过步进电机21对模型管道23施加斜向拉 力，来模拟单向海流对管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同时通过拉 力传感器31测量步进电机21的拉力、通过激光位移传感器32、 34测量 模型管道23侧向失稳过程中的水平位移和附加沉降量、以及通过激光粒 子图像测速仪33测量管道側向失稳过程中下方土体的位移场，其中对于 模型管道23侧向失稳过程中的水平位移和附加沉降量，也可通过设置数 字摄像系统来记录，这样可更加直观的表现管道在失稳过程中的状态。 通过所测量的所有数据即可分析出海底直铺管道側向稳定性情况。 实施例2本实施例中模拟管道23上设置有双平行四边形机构26的防滚装置， 在双平行四边形机构26的约束下，模拟管道23只能发生移动。本实施 例中其他模拟装置和方法与实施例l中相同。对于本发明检测海底直铺管道側向稳定性的模拟方法及其模拟装置， 通过步进电机21、拉绳22施加的拉力来模拟海流的水动力,可通过改变 电机的输出扭力或改变拉绳22与土体水平面的夹角来改变拉力值，通常 拉绳22与土体水平面的夹角改变范围为40。 60'之间。模拟管道23重量 (单位长度)通过增减配重来实现，可通过在管道表面粘贴不同目的砂 纸来改变其表面粗糙度。
权利要求
1、检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟方法，具体为1)制备土样，模拟海床；2)安装试验管道当管道与海床刚刚接触时，释放管道使其在自身重力作用下产生初始沉降，同时采用激光位移传感器测量管道在土体中的初始沉降量。3)通过步进电机对所述管道施加斜向拉力，来模拟单向海流对管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同时测量所述步进电机的拉力、管道侧向失稳过程中的水平位移和附加沉降量、以及管道侧向失稳过程中下方土体的位移场，通过所测量的数据可分析出海底直铺管道侧向稳定性情况。
2、 一种实施权利要求1所述方法的检测海底直铺管道側向稳定性的模拟 装置，其特征在于，该模拟装置包括土槽及土样制备系统、机械加载 系统、参数测量系统，土样制备系统用于在所述土槽内制备海底土样， 以便模拟管道的承压土体；机械加载系统用于模拟单向海流对管道的 水平拖曳力和垂向升力作用；参数测量系统用于对实验中的数据测 量。
3、 如权利要求2所述的检测海底直铺管道側向稳定性的模拟装置，其特 征在于，所述土槽采用透明的钢化玻璃制成，以^更测量中》见察管道侧 向失稳的动力过程；所述土样制备系统采用砂雨法制备砂土土样。
4、 如权利要求2所达的检测海底直铺管道側向稳定性的模拟装置，其特 征在于，所述机械加载系统包括步进电机、自动微调装置、拉绳、模 型管道，自动微调装置上设置有定滑轮，拉绳一端固定连接在步进电 机的传动轴上，拉绳另一端绕过所述定滑轮后与模型管道固定连接， 所述自动微调装置可调整所述定滑轮在竖直方向上运动，从而保证在 管道侧向失稳过程中使得所述拉绳与土体水平面的夹角不t
5、 如权利要求4所述的检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟装置，其特 征在于，所述拉绳与土体水平面的夹角范围为40° 60°之间。
6、 如权利要求4所述的检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟装置，其特 征在于，所述模型管道上设置有中心轴并且管道两端自由，所述拉绳固定连接在所述中心轴上，从而使得管道可同时发生转动和平行移 动。
7、 如权利要求4所述的检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟装置，其特 征在于，所述模型管道上还可固定设置有防止管道转动的双平行四边 形机构，当所述拉绳与模型管道固定连接后，使得模型管道只能发生 平4亍移动。
8、 如权利要求2所述的检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟装置，其特 征在于，所述参数测量系统包括激光位移传感器、拉力传感器、激光 粒子图像测速仪和土压力传感器，拉力传感器设置在所述拉绳上，用 于测量所述步进电机施加的拉力值；激光位移传感器用于测量所述模 型管道在土体中的初始沉降量；激光粒子图像测速仪用于测量所述才莫 型管道侧向失稳过程中下方土体的位移场；土压力传感器设置在所述 模型管道下外边缘上，并用于测量所述模型管道所承受的土压力。
全文摘要
本发明公开了一种检测海底直铺管道侧向稳定性的模拟方法及其模拟装置，首先制备土样，模拟海床；安装试验管道当管道与海床刚刚接触时，释放管道使其在自身重力作用下产生初始沉降，同时采用激光位移传感器测量管道在土体中的初始沉降量。通过步进电机对管道施加斜向拉力，来模拟单向海流对管道的水平拖曳力和垂向升力作用；同时测量步进电机的拉力、管道侧向失稳过程中的水平位移和附加沉降量、管道侧向失稳过程中下方土体的位移场以及侧向土压力。利用本发明的模拟方法及其模拟装置可有效模拟海底直铺管道的承压土体、单向海流对管道的水平拖曳力和垂向升力等，并可实时测量管道地基极限侧向土阻力等稳定性参数，从而可模拟分析海底直铺管道的侧向稳定性。
文档编号G01M99/00GK101221097SQ20081005664
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者吴应湘, 波 赵, 闫术明, 雒承才, 高福平 申请人:中国科学院力学研究所