专利名称：斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置及方法
技术领域：
本发明涉及近海工程、海洋土力学、海底管道工程等，特别是关于一种斜坡海床上 管道在位稳定性的机械加载模拟装置及方法。
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，斜坡海床 上与斜坡海床倾斜方向垂直，水平铺设的管道将受到平行于海床的拖曳力和垂直于海床的 升力的水动力作用；同时，管道还受到其下方土体提供的垂直于海床的支持力和在位阻力， 以及自身重力的作用，当土体在位阻力不足以平衡海流引起的拖曳力时，管道将产生大的 水平位移而失稳。在斜坡海床上与斜坡海床倾斜方向平行铺设的管道，由于自身重力的作 用，存在向下滑动的趋势，管道受到自重、下方土体支持力和管_ 土摩擦力作用，当管-土摩 擦力不足以平衡管道自重时，需要在管道上施加一额外拉力，当这个拉力达到一定程度时， 可能会造成管道损坏。由此可见，直接铺设于海床上的海底管道，在海洋环境载荷下的在位 稳定性，关系到管道系统能否正常运营，因此，铺设管道之前模拟管道在海底的受力状况及 验证其在位稳定性尤为重要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载 模拟装置及方法，该装置及方法可模拟海流载荷下，斜坡海床上管道的受力状况及验证管 道的在位稳定性。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种斜坡海床上管道在位稳定性的 机械加载模拟装置，其特征在于它包括一透明土槽，所述土槽内设置有一上表面倾斜的土 体，所述土体上表面铺设有一模型管道；所述模型管道上设置有一用于施加拉力的机械加 载装置；所述机械加载装置上设置有拉力传感器、与土体上表面垂直的垂向激光位移传感 器、与土体上表面平行的平行激光位移传感器。所述模型管道与所述土体的倾斜方向垂直，水平铺设在所述土体上表面，所述机 械加载装置包括分别设置在所述土槽两相对侧壁上的竖向支撑结构，两所述支撑结构上设 置有一位于所述模型管道上方、且与所述土体上表面平行的斜梁；所述斜梁底面设置有滑 动轨道，所述滑动轨道上设置有一滑块；所述平行激光位移传感器设置在所述土体高起端 的所述支撑结构上，所述垂向激光位移传感器设置在所述斜梁的底面；所述滑块竖向设置 有两连接所述模型管道两轴端的拉索，每一拉索上设置有一所述拉力传感器，所述滑块沿 所述斜梁方向设置另一拉索，该拉索通过依次设置在所述支撑结构上的两个定滑轮，连接 一设置在所述土槽外部的电机。所述两定滑轮分别设置在所述土体高起端的所述支撑结构上。所述两定滑轮分别设置在所述土体低端的所述支撑结构上。所述滑块移动方向后端的滑动轨道上设置有一防滚装置，所述防滚装置的另一端
4分别连接所述模型管道两端面。所述模型管道与所述土体的倾斜方向一致，铺设在所述土体上表面，所述机械加 载装置包括一设置在所述土槽顶部的横梁，设置在所述土槽侧壁上的支撑结构，所述平行 激光位移传感器设置在所述土体高起端的所述支撑结构上，所述垂向激光位移传感器设置 在所述横梁的底面；所述模型管道端部设置有一拉索，所述拉索通过设置在所述支撑结构 上的定滑轮连接设置在所述土槽外部的电机；所述模型管道与所述定滑轮之间的拉索上设 置有所述拉力传感器。所述拉索设置在所述模型管道的上端部，所述定滑轮设置在所述土体高起端的所 述支撑结构上。所述拉索设置在所述模型管道的下端部，所述定滑轮设置在所述土体低端的所述 支撑结构上。一种上述装置的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟方法，其包括以下步 骤1)采用砂雨法在土槽内制备给定倾斜角度的土体；2)与土体的倾斜方向垂直，在土体 上表面水平安放模型管道，通过垂向激光位移传感器测量模型管道在土体上表面的初始沉 降量；3)启动电机，通过滑块上设置的拉索，对模型管道施加沿土体上表面向上或向下的 机械斜拉力；4)通过拉力传感器测量施加在模型管道上的拉力；通过平行激光位移传感器 测量模型管道沿土体上表面仅发生平动情况下的水平位移，或者测量模型管道沿土体上表 面既发生平动又发生转动情况下的水平位移；通过垂向激光位移传感器测量模型管道在土 体上表面的垂向位移；5)通过增减配重块，改变模型管道的重量，返回步骤2)进行不同重 量模型管道的模拟分析。一种上述装置的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟方法，其包括以下步 骤1)采用砂雨法在土槽内制备给定倾斜角度的土体；2)与所述土体的倾斜方向一致，在 土体上表面安放模型管道，通过垂向激光位移传感器测量模型管道在土体上表面的初始沉 降量；3)启动电机，通过模型管道上设置的拉索，对模型管道施加沿土体上表面向上或向 下的机械斜拉力；4)通过拉力传感器测量施加在模型管道上的拉力；通过平行激光位移传 感器测量模型管道沿土体上表面的水平位移；通过垂向激光位移传感器测量模型管道在土 体上表面的垂向位移；5)通过增减配重块，改变模型管道的重量，返回步骤2)进行不同重 量模型管道的模拟分析。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于在土槽内进行模 拟试验，而土槽四周侧壁采用透明的钢化玻璃制成，因此，可以便于测量过程中，观察土槽 内模型管道的状况。2、本发明由于在与土体上表面的倾斜方向垂直，水平铺设模型管道时， 可以在斜梁底面设置用于测量垂向位移的垂向激光位移传感器，在模型管道和滑块之间设 置拉力传感器，在支撑结构上设置用于测量沿斜坡方向位移的平行激光位移传感器，因此， 可以通过上述设备的测量数据，分析出海底管道的稳定性情况。3、本发明在与土体上表面 的倾斜方向垂直，水平铺设模型管道时，可以在模型管道两侧设置防滚装置，以模拟模型管 道在失稳时仅发生平动，而不发生转动的情况；也可以不设置防滚装置，以模拟模型管道在 失稳时，发生自由转动和平动的情况。4、本发明由于在与土体上表面的倾斜方向一致，铺设 模型管道时，在横梁底面设置用于测量垂向位移的垂向激光位移传感器，在拉动模型管道 的拉索上设置拉力传感器，在支撑结构上设置用于测量沿斜坡方向位移的水平激光位移传感器，因此，可以通过上述设备的测量数据，分析出海底管道的抗滑动阻力及稳定性情况。 5、本发明可以通过设置在土槽外部的电机，对模型管道施加向上或向下的拉力，因此，可用 于模拟沿斜坡海床向上流动的海流对管道的水平拖曳力和垂向升力。本发明结构设计巧 妙，操作方便，易于实现，可广泛用于斜坡海床上管道在位稳定性的模拟测量过程中。
图1是本发明装置操作方案一结构示意2是本发明装置操作方案二结构示意3是本发明装置操作方案三结构示意4是本发明装置操作方案四结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1 4所示，本发明的装置包括一土槽1，土槽1的四周侧壁为透明的钢化玻 璃。土槽1内预置有一上表面具有一定倾斜角度的土体2，用于模拟斜坡海床。土体2上表 面铺设有一模型管道3 ；模型管道3上设置有一用于施加拉力的机械加载装置；机械加载装 置上设置有拉力传感器4、与土体2上表面垂直的垂向激光位移传感器5、与土体2上表面 平行的平行激光位移传感器6。如图1、图2所示，当模型管道3与土体2上表面的倾斜方向垂直，水平铺设在土 体2上表面时，机械加载装置包括分别设置在土槽1两相对侧壁上的竖向支撑结构7，两支 撑结构7上设置有一位于模型管道3上方、且与土体2上表面平行的斜梁8 ；斜梁8底面设 置有滑动轨道，滑动轨道上设置有一滑块9。滑块9竖向设置有两连接模型管道3两轴端的 拉索10，拉力传感器4设置在模型管道3与滑块9之间的每一拉索10上。滑块9沿斜梁8 方向设置另一拉索11，拉索11通过依次设置在支撑结构7上的两个定滑轮12，连接一设置 在土槽1外部的电机13。垂向激光位移传感器5设置在斜梁8的底面，平行激光位移传感 器6设置在土体2高起端的支撑结构7上。上述实施例中，模型管道3可以沿土体2上表面发生转动和平动，为了防止模型管 道3转动，滑块9移动方向后端的滑动轨道上可以设置有一防滚装置14，防滚装置14的另 一端分别连接模型管道3两端面。上述实施例中，如图1所示，两定滑轮12可以分别设置在土体2高起端一侧的支 撑结构7上，通过拉索11对模型管道3施加沿土体2上表面向上的斜拉力。上述实施例中，如图2所示，两定滑轮12可以分别设置在土体2低端一侧的支撑 结构7上，通过拉索11对模型管道3施加沿土体2上表面向下的斜拉力。如图3、图4所示，当模型管道3与土体2上表面的倾斜方向一致，铺设在土体2上 表面时，机械加载装置包括一设置在土槽1顶部的横梁15，设置在土槽1侧壁上的支撑结构 7，平行激光位移传感器6设置在土体2高起端的支撑结构7上，垂向激光位移传感器5设 置在横梁15的底面；模型管道3端部设置有一拉索16，拉索16通过设置在支撑结构7上 的定滑轮12连接设置在土槽1外部的电机13 ；拉力传感器4设置在模型管道3与定滑轮 12之间的拉索16上。
上述实施例中，如图3所示，仅土体2高起端一侧设置有一支撑结构7，拉索16设 置在模型管道3的上端部，定滑轮12设置在该支撑结构7上。上述实施例中，如图4所示，土体2高起端和低端分别设置有一支撑结构7，拉索 16设置在模型管道3的下端部，定滑轮12设置在土体2低端一侧的支撑结构7上。上述实施例中，土槽1外部还可以设置有一粒子图像测速仪，通过粒子图像测速 仪可以测试模型管道3下方，土颗粒的位移、速度以及其他数据。上述实施例中，电机13可以是步进电机，也可以是伺服电机。本发明装置主要包括以下四种操作方案。操作方例一，如图1所示，其包括以下步骤1)采用砂雨法制备土体2，使土体2上表面达到给定的倾斜角度，以模拟斜坡海 床。2)与土体2上表面的倾斜方向垂直，在土体2上表面水平铺设模型管道3，当模型 管道3与土体2上表面刚刚接触时，释放模型管道3使其在土体2上表面产生初始沉降，同 时启动斜梁8底部的垂向激光位移传感器5，通过垂向激光位移传感器5，测量模型管道3 在土体2上表面的初始沉降量，即模型管道3的垂向位移。3)在模型管道3两端分别设置防滚装置14，以模拟模型管道3在失稳时，沿土体 2上表面仅发生平动，而不发生转动的情况；或者不设置防滚装置14，直接施加拉力在模型 管道3两轴端中心上，可以模拟模型管道3在失稳时，沿土体2上表面发生自由转动和平动 的情况。4)开启电机13 (位移控制给定电机13转速)，通过滑块9斜上方设置的拉索11 拉动模型管道3，对模型管道3施加机械斜拉力，以模拟沿斜坡海床向上流动的海流对管道 的水平拖曳力和垂向升力，拉力的倾角可调，以模拟海流对管道施加的水平拖曳力和垂直 升力的不同比值。5)通过设置在模型管道3与滑块9之间拉索10上的拉力传感器4，测量施加在模 型管道3上的拉力；通过设置在支撑结构7上的平行激光位移传感器6，测量模型管道3在 位失稳过程中，平行于土体2上表面倾斜方向的位移；通过设置在斜梁8底部的垂向激光位 移传感器5，测量模型管道3在位失稳过程中，在土体2上表面的附加沉降量，即垂向位移。6)通过增减配重块，改变单位长度的模型管道3的水下重量，返回步骤2)进行不 同模型管道3重量的模拟分析。7)通过上述步骤中测量的所有数据即可分析出不同海底管道的稳定性情况。操作方例二与操作方例一的不同之处在于如图2所示，步骤4)中，开启电机13， 通过滑块9斜下方设置的拉索11拉动模型管道3，对模型管道3施加机械斜拉力，以模拟沿 斜坡海床向下流动的海流对管道的水平拖曳力和垂向升力，拉力的倾角可调，以模拟海流 对管道施加的水平拖曳力和垂直升力的不同比值。在上述操作方例一和操作方例二中，由于用于测量模型管道3平行位移和垂向位 移的平行激光位移传感器6和垂向激光位移传感器5，位于水面上，因此，可以在模型管道 3两端的防滚装置14上设置高于水面的附属参考物，通过测量附属参考物沿着土体上表面 方向的位移和垂直于土体上表面的位移，进而得到水面以下模型管道3的平行位移和垂向 位移。
上述操作方例一和操作方例二中的步骤5)中，还可以通过设置在土槽1外部的粒 子图像测速仪，透过透明边壁测量模型管道3在位失稳过程中，在下方土体2上的位移场。操作方例三如图3所示，其包括以下步骤1)采用砂雨法制备土体2，使土体2上表面达到给定的倾斜角度，以模拟斜坡海 床。2)与土体2上表面的倾斜方向一致，在土体2上表面铺设模型管道3，当模型管道 3与土体2上表面刚刚接触时，释放模型管道3使其在土体2上表面产生初始沉降，同时启 动横梁15底部的垂向激光位移传感器5，通过垂向激光位移传感器5测量模型管道3在土 体2上表面的初始沉降量，即模型管道3的垂向位移。3)开启电机13，沿着模型管道3轴线，通过其斜上方设置的拉索16拉动模型管道 3，对模型管道3施加机械斜拉力，使得模型管道3向上产生滑动。4)通过拉索16上设置的拉力传感器4，测量施加的拉力；通过设置在支撑结构7 上的平行激光位移传感器6，测量模型管道3在位失稳过程中，平行于海床方向的位移；通 过设置在横梁15底部的垂向激光位移传感器5，测量模型管道3在位失稳过程中，在土体上 表面的附加沉降量，即垂向位移。5)通过增减配重块，改变模型管道3的重量；通过在模型管道3表面粘贴不同目 数的砂纸，来改变模型管道3表面的粗糙度，返回步骤2)，测量不同模型管道3重量、土体特 性(例如土体相对密度等)及模型管道3表面粗糙度等条件下，土体2对模型管道3向下 的抗滑动阻力。6)通过上述步骤中测量的所有数据即可分析出不同海底管道的稳定性情况。操作方例四与操作方例三的不同之处在于如图4所示，步骤3)中，开启电机13， 沿着模型管道3轴线，通过其斜下方设置的拉索16拉动模型管道3，对模型管道3施加机械 斜拉力，使得模型管道3向下产生滑动。用于模拟模型管道3与土体2上表面的倾斜方向 一致铺设在土体2上，载荷沿土体2上表面向下作用在模型管道3上的情况。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
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权利要求
一种斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其特征在于它包括一透明土槽，所述土槽内设置有一上表面倾斜的土体，所述土体上表面铺设有一模型管道；所述模型管道上设置有一用于施加拉力的机械加载装置；所述机械加载装置上设置有拉力传感器、与土体上表面垂直的垂向激光位移传感器、与土体上表面平行的平行激光位移传感器。
2.如权利要求1所述的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其特征在于所述模型管道与所述土体的倾斜方向垂直，水平铺设在所述土体上表面，所述机械加 载装置包括分别设置在所述土槽两相对侧壁上的竖向支撑结构，两所述支撑结构上设置有 一位于所述模型管道上方、且与所述土体上表面平行的斜梁；所述斜梁底面设置有滑动轨 道，所述滑动轨道上设置有一滑块；所述平行激光位移传感器设置在所述土体高起端的所述支撑结构上，所述垂向激光位 移传感器设置在所述斜梁的底面；所述滑块竖向设置有两连接所述模型管道两轴端的拉索，每一拉索上设置有一所述拉 力传感器，所述滑块沿所述斜梁方向设置另一拉索，该拉索通过依次设置在所述支撑结构 上的两个定滑轮，连接一设置在所述土槽外部的电机。
3.如权利要求2所述的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其特征在 于所述两定滑轮分别设置在所述土体高起端一侧的所述支撑结构上。
4.如权利要求2所述的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其特征在 于所述两定滑轮分别设置在所述土体低端一侧的所述支撑结构上。
5.如权利要求2或3或4所述的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其 特征在于所述滑块移动方向后端的滑动轨道上设置有一防滚装置，所述防滚装置的另一 端分别连接所述模型管道两端面。
6.如权利要求1所述的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其特征在 于所述模型管道与所述土体的倾斜方向一致，铺设在所述土体上表面，所述机械加载装置 包括一设置在所述土槽顶部的横梁，设置在所述土槽侧壁上的支撑结构，所述平行激光位 移传感器设置在所述土体高起端的所述支撑结构上，所述垂向激光位移传感器设置在所述 横梁的底面；所述模型管道端部设置有一拉索，所述拉索通过设置在所述支撑结构上的定 滑轮连接设置在所述土槽外部的电机；所述模型管道与所述定滑轮之间的拉索上设置有所 述拉力传感器。
7.如权利要求6所述的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其特征在 于所述拉索设置在所述模型管道的上端部，所述定滑轮设置在所述土体高起端一侧的所 述支撑结构上。
8.如权利要求6所述的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置，其特征在 于所述拉索设置在所述模型管道的下端部，所述定滑轮设置在所述土体低端一侧的所述 支撑结构上。
9.一种如权利要求2 5任一项所述装置的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模 拟方法，其包括以下步骤1)采用砂雨法在土槽内制备给定倾斜角度的土体；2)与土体的倾斜方向垂直，在土体上表面水平安放模型管道，通过垂向激光位移传感器测量模型管道在土体上表面的初始沉降量；3)启动电机，通过滑块上设置的拉索，对模型管道施加沿土体上表面向上或向下的机 械斜拉力；4)通过拉力传感器测量施加在模型管道上的拉力；通过平行激光位移传感器测量模 型管道沿土体上表面仅发生平动情况下的水平位移，或者测量模型管道沿土体上表面既发 生平动又发生转动情况下的水平位移；通过垂向激光位移传感器测量模型管道在土体上表 面的垂向位移；5)通过增减配重块，改变模型管道的重量，返回步骤2)进行不同重量模型管道的模拟 分析。
10. 一种如权利要求6 8任一项所述装置的斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载 模拟方法，其包括以下步骤1)采用砂雨法在土槽内制备给定倾斜角度的土体；2)与所述土体的倾斜方向一致，在土体上表面安放模型管道，通过垂向激光位移传感 器测量模型管道在土体上表面的初始沉降量；3)启动电机，通过模型管道上设置的拉索，对模型管道施加沿土体上表面向上或向下 的机械斜拉力；4)通过拉力传感器测量施加在模型管道上的拉力；通过平行激光位移传感器测量模 型管道沿土体上表面的水平位移；通过垂向激光位移传感器测量模型管道在土体上表面的 垂向位移；5)通过增减配重块，改变模型管道的重量，返回步骤2)进行不同重量模型管道的模拟 分析。
全文摘要
本发明涉及一种斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置及方法，其特征在于它包括一透明土槽，所述土槽内设置有一上表面倾斜的土体，所述土体上表面铺设有一模型管道；所述模型管道上设置有一用于施加拉力的机械加载装置；所述机械加载装置上设置有拉力传感器、垂向激光位移传感器和平行激光位移传感器。本发明装置结构设计巧妙，发明方法操作方便，易于实现，可广泛用于斜坡海床上管道在位稳定性的模拟测量过程中。
文档编号G01M10/00GK101963542SQ20101028152
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者崔金声, 张恩勇, 曹静, 沙勇, 贾旭, 韩希霆, 高福平 申请人:中国海洋石油总公司;中海石油研究中心;中国科学院力学研究所