一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪的制作方法
专利名称:一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪的制作方法
【专利摘要】一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，由半球形器体、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，加载臂的一端垂直固定于半球形器体底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半球形器体的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定以方便并入数据采集系统；半球形探测仪垂直设置于海床上。本实用新型的优点是：对于已建和拟建海底管道与地基土的极限阻力提供可靠的测试手段；对于已建管道是否发生效应进行评估；确定可能发生棘轮效应的海底管道设置合理的减缓或抑制管道轴向运动的相关设备的数量和类型，在保证管道安全的前提下降低项目成本。
【专利说明】
-种智能海底管±轴向作用的半球形探测仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及深海岩±现场勘察及监测领域，特别是一种智能海底管±轴向作 用的环形探测仪。
【背景技术】
[0002] 海底管道是海洋工程设备中的重要组成部分，其安全是深海油气输运的重要保 证，由于前期勘察，设计及施工过程的复杂性，其成本远高于陆地管道(仅近海管道施工费 用就高于同类陆地管道的1-2倍）。尤其随着海洋油气的开采从近海逐渐步入深海乃至超深 海，管道的长度骤然增长，预计我国在十二五期间，铺设海底管道的长度将超过1000km，因 此科学、安全的海底管道设计方案使巨额的工程成本得W削减和优化。
[0003] 深海的管道运行环境不同于近海工况，波浪和流体等动荷载对于管道的影响将会 大幅降低。因此，深海管道通常采用直接铺设于海床上的方式。由于深海表层±-般较为松 软，海底管道会在自重作用下部分或全部沉入地基±中。铺设于海床上的管道在正常运行 的工况下往往处于高溫高压的状态，由于管道内部溫度应力的变化，管道有膨胀或压缩的 趋势。地基与管道界面处的摩擦力对管道的变形具有约束作用。如果运种约束作用力很大 使得管道不能自由伸展变形，管道可能发生屈曲，一旦屈曲发生，管道的轴向力会大幅降 低，同时在屈曲段发生轴向补偿效应，屈曲段中过大的弯曲变形将会导致管道破坏。如果运 种约束力较小，由于管道运行过程中有效轴向应力的不对称性(主要来源于管道运行过程 中非等时的启停机操作、海床坡度W及管道中油气密度的变化），使得管道轴向与地基±产 生较大的相对位移，运种现象称之为棘轮效应。伴随着棘轮效应的加剧，整体管道轴向会发 生较大位移，可能导致管道间连接件及末端设备的应力过载破坏或者管道中间段的应力 (或应变)过大而发生破坏。
[0004] 对于管道屈曲问题，随着海洋工程实践经验的积累，相关的设计规范不断得W优 化和改进，尤其是近十年来由全球多所高校及研究机构依托工业界的支持倡导的SAFEBUCK JIP项目，为整体屈曲设计提供比较完备的解决方案。因此，海底管道的整体屈曲测试原理 不纳入本专利的研究范畴。
[0005] 而对于棘轮现象，国内外的研究还较少，目前基本上局限于理论方面的探讨，同时 数据多来源于室内测试。由于深海±体多W正常固结软粘±为主，其浅层±体，更具有强度 低、易扰动的特点。因此常规的实验室原状态测试往往不能给出准确的±工参数，特别是设 及到海底管道的设计时，由于浅层±体承受的有效应力仅为2-lOkPa，远低于实验室中能够 得到的可靠数据的应力水平。为此，现场测试深海粘±特性的探测设备应运而生，并已逐步 应用到实际工程实践中，例如:T-bar探测仪，尽管能够很好探测±体(粘±)的不排水抗剪 强度，但是对于管±作用中所需要的管±接触特性依旧无法评估。此后，。11旨'0岩±工程公 司研发了一种新型的深海探测仪化gro SMARTPIPE，W进行深海管±作用的相关研究。然 而，该设备的明显缺陷是无法克服管段两端明显的边界效应。因此，为了获取准确的海底浅 层±体的工程设计指标，真实地掲示pipeline walking的机理W及提供更为可靠的管道轴 向摩阻力设计参数，本专利阐述了一种新型的海底管道管±轴向作用的探测设备:半球形 探测仪。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是针对上述存在问题，提供一种智能海底管±轴向作用的半球 形探测仪，该探测设备，掲示海底管道热棘轮效应，勘测海底浅层±体的工程设计指标:不 排水抗剪强度指标(粘±)及管道初始埋深指标、管道固结沉降量指标、管道轴向剪切特性 指标W及管道轴向摩阻力的固结硬化指标，从而完善海洋岩±的现场勘察和监测设备，为 海底管道设计提供更为可靠的工程参数，优化传统的海底管道设计方案。
[0007] 本实用新型的技术方案：
[0008] -种智能海底管±轴向作用的半球形探测仪，由半球形器体、加载臂、四个孔压传 感器和四条孔压传感器引线组成，加载臂及半球形器体采用侣合金材质，直径为500mm、壁 厚为50mm，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直径为200mm， 圆孔直径为5mm;直径25mm、高度1000mm的加载臂的一端垂直固定于半球形器体底部的中 屯、，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半球形器体 的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定W方便并入数据采集系统;半球形 探测仪垂直设置于海床上。
[0009] 本实用新型的有益效果是：
[0010] 1)对于已建和拟建海底管道与地基±的极限阻力提供可靠的测试手段；
[0011] 2)探求海底管道热棘轮效应所发生的的力学机制，利用合理的计算方法设计避免 或减轻海底管道发生热棘轮效应对于海底管道的危害，对于已建管道是否发生效应进行评 估；
[0012] 3)确定可能发生棘轮效应的海底管道设置合理的减缓或抑制管道轴向运动的相 关设备的数量和类型，从而在保证管道安全的前提下降低项目成本，本实用新型填补了深 海现场勘察管±轴向作用的空白。
【附图说明】
[0013] 图1为半球形探测仪立体结构示意图。
[0014] 图2为半球形探测仪俯视结构示意图。
[0015] 图3为半球形探测仪仰视结构示意图。
[0016] 图4为半球形探测仪侧视结构示意图。
[0017] 图中：1、加载臂;2、孔压传感器引线;3、半球形器体;4、孔压传感器。
【具体实施方式】 [001引实施例；
[0019] -种智能海底管±轴向作用的半球形探测仪，如图1-4所示，由半球形器体3、加载 臂1、四个孔压传感器4和四条孔压传感器引线2组成，加载臂1及半球形器体3采用侣合金材 质，直径为500mm、壁厚为50mm，半球形器体3的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在 平面的直径为200mm，圆孔直径为5mm;直径25mm、高度1000 mm的加载臂1的一端垂直固定于 半球形器体3底部的中屯、，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器4 分别固定于半球形器体3的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线2与加载臂1固定W方便 并入数据采集系统;半球形探测仪垂直设置于海床上。
[0020] 本实用新型的技术分析：
[0021] 该半球形探测仪基于海底管道实际安装铺设及正常运行过程的综合考虑，运用了 =种等效类比手段:海底管道测试过程的等效类比、探测设备和海底管道几何尺寸等效类 比W及探测设备和海底管道运动方式的等效类比设计而出，可测量管道安装过程所需的不 排水抗剪强度指标(粘±)及埋深指标、安装后管道固结沉降量和运行过程中管道轴向剪切 刚度及轴向摩阻力的固结硬化指标。
[0022] 1.海底管道测试过程等效类比处理：
[0023] 考虑到海底管道从铺设安装到正常运行整个过程中浅层±体的排水状况，半球形 探测仪的测试过程被等效地划分为=个阶段(详见表1):
[0024] 1)管道安装阶段:将实际的管道自重由等效竖向荷载来代替，通常可W用竖向贯 入距离和时间来控制安装过程中的不排水工况，及安装过程中的初始管道埋深；
[0025] 2)管道安装后固结阶段:将实际的管道安装后的固结压力（即管道自重)用等效的 竖向荷载代替，具体地，完成1)阶段测试之后，维持贯入到目标埋深处的对应竖向力，等待 孔隙水压力彻底消散；
[0026] 3)管道正常运行阶段:将实际的管道运行时的溫度应力的热棘轮效应由转向正反 交替的循环剪切来代替，并由不同的剪切速度控制剪切过程中的排水程度，由转向正反切 换时的滞留时间控制间歇式的固结时间。
[0027] 表1半球形探测仪探测过程等效处理措施 [002引
[0029] 2.半球形探测仪与海管几何尺寸等效类比处理：
[0030]尽管用有限长的管道作为探测设备的几何形状可能更为简单及直观地测试相关 工程参数，但是由于其在轴向剪切过程中，两端不断推±将造成明显的端部效应，因此本专 利采用了半球形剪切面W避免端部效应对探测结果的影响。然而，基于此理念设计的半球 形探测仪在结构形状上区别于海管，所W需对其和海管在几何尺寸的相关参数(见图1)上 进行合理等效类比（详见表2)，W方便直接探测相关工程设计参数。
[0031 ]表2半球形探测仪与海管在几何尺寸上的等效处理措施
[0033] 3.半球形探测仪与海管运动方式等效类比处理：
[0034] 半球形剪切面的设计思想的引入，使得真实海管的轴向运动可W用轴对称旋转运 动来等效类比，对应的受力类比示意图见图1，而竖向的海管运动无需进去相关类比处理。 此外，在不同的测试过程中，对应等效类比参数见表3。
[0035] 表3半球形探测仪与海管进行运动方式等效处理后的相关参数换算
[0036]
[0037] 本实用新型借上述=种等效类比手段，成功地将海底管道的铺设过程及后期的正 常运行过程转化为半球形探测仪竖向贯入测试及旋转剪切测试，并在测试中通过有效的数 据采集系统记录半球形探测仪贯入深度，沉降水平，剪切距离，孔隙水压力的时间响应W及 施加的竖向荷载和剪切时的扭矩响应，W便获取海管设计中所需的浅层±体的抗剪强度指 标，固结系数指标，轴向摩阻力指标等关键工程设计参数。
[0038] 本实用新型的具体勘察工作，步骤如下：
[0039] 1.下潜安装过程:保证支撑测试设备的基架平稳坐落于预测的海床位置。
[0040] 2.测试海底管道铺装过程的工程参数：
[0041] 1)控制半球形探测仪的贯入速度，确保其在贯入过程中保持不排水工况，通常结 合±体的固结系数需提前设定贯入距离及时间，此过程采用竖向位移控制，记录过程中的 时间（t)、竖向位移(W)、竖向承载力(V)及孔隙水压力(P);
[0042] 2)最好重复做一组的贯入过程，但是切换成竖向力控制，需确保施加在半球形探 测仪上的竖直向荷载等效于具体工程中海管的自重，保证真实工况下的低正应力状态；
[0043] 3)维持竖向力不变(V)，等待孔隙水压力完全消散，记录此固结过程中的时间（t)、 竖向位移(W)及孔隙水压力(P)。
[0044] 3.测试海底管道正常运行过程的工程参数：
[0045] 1)半球形探测仪保持恒定的旋转剪切角速度，顺时针及逆时针交替(每旋转180切 换方向）旋转，直至没有明显的孔隙水压力变化；
[0046] 2)半球形探测仪保持恒定的不排水旋转剪切角速度，顺时针及逆时针交替（每旋 转180切换方向）旋转，但是，每次旋转方向切换时确保一个驻留时间，W便剪切产生的孔隙 水压力发生部分消散，直至没有明显的孔隙水压力变化。
[0047] 注：恒定的旋转角速度的选取需要考虑实际工程中±体的固结系数，建议值为 0.0179deg/s，其对应工况为海底管道初始埋深为0.5D，±体为正常固结的高岭±。
[0048] 本实用新型不仅可运用于勘察深海管±的轴向运动机制，测量相关的工程设计参 数，而且适合于浅海非填埋直接铺设海管的轴向管±作用的相关监测。考虑到现有的海洋 实地勘察技术和手段，本设备可W借助海上钻井平台进行勘测浅层±体的不排水抗剪强度 和管道铺设后的相关固结指标(如固结沉降，孔隙水压力的消散状况等），最佳的实施方式 应该结合工程前期的勘察船，在计划铺设管道区域内每间隔1-5公里(在较均匀的地质区域 可W选取较大的测量间隔)进行系统的管±轴向作用的勘察。首先，需将半球形探测仪通过 加载臂(参见图2中加载臂1)与常规海洋岩±勘察设备连接，即：加载臂1上安装压力传感器 和测扭矩传感器后与勘察设备中的控制执行系统和数据采集系统连接，并将安装在半球形 探测仪底部的四个孔压传感器4通过引线2并入数据采集系统；同时，为了保证半球形探测 仪贯入和旋转的稳定性，整个底部半球形剪切面3需与中屯、加载臂IW螺纹方式固定;此外， 半球形剪切面3需涂抹防腐保护层并控制表面的粗糖度跟真实海底管道的一致。
【主权项】
1.一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，其特征在于：由半球形器体、加载臂、 四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，加载臂及半球形器体采用铝合金材质，直径 为500mm、壁厚为50mm，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直 径为200mm，圆孔直径为5mm;直径25mm、高度1000mm的加载臂的一端垂直固定于半球形器体 底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半 球形器体的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定以方便并入数据采集系 统;半球形探测仪垂直设置于海床上。
【文档编号】G01V9/00GK205720728SQ201620353326
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】闫玥, 练继建
【申请人】天津大学
【专利摘要】一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，由半球形器体、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，加载臂的一端垂直固定于半球形器体底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半球形器体的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定以方便并入数据采集系统；半球形探测仪垂直设置于海床上。本实用新型的优点是：对于已建和拟建海底管道与地基土的极限阻力提供可靠的测试手段；对于已建管道是否发生效应进行评估；确定可能发生棘轮效应的海底管道设置合理的减缓或抑制管道轴向运动的相关设备的数量和类型，在保证管道安全的前提下降低项目成本。
【专利说明】
-种智能海底管±轴向作用的半球形探测仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及深海岩±现场勘察及监测领域，特别是一种智能海底管±轴向作 用的环形探测仪。
【背景技术】
[0002] 海底管道是海洋工程设备中的重要组成部分，其安全是深海油气输运的重要保 证，由于前期勘察，设计及施工过程的复杂性，其成本远高于陆地管道(仅近海管道施工费 用就高于同类陆地管道的1-2倍）。尤其随着海洋油气的开采从近海逐渐步入深海乃至超深 海，管道的长度骤然增长，预计我国在十二五期间，铺设海底管道的长度将超过1000km，因 此科学、安全的海底管道设计方案使巨额的工程成本得W削减和优化。
[0003] 深海的管道运行环境不同于近海工况，波浪和流体等动荷载对于管道的影响将会 大幅降低。因此，深海管道通常采用直接铺设于海床上的方式。由于深海表层±-般较为松 软，海底管道会在自重作用下部分或全部沉入地基±中。铺设于海床上的管道在正常运行 的工况下往往处于高溫高压的状态，由于管道内部溫度应力的变化，管道有膨胀或压缩的 趋势。地基与管道界面处的摩擦力对管道的变形具有约束作用。如果运种约束作用力很大 使得管道不能自由伸展变形，管道可能发生屈曲，一旦屈曲发生，管道的轴向力会大幅降 低，同时在屈曲段发生轴向补偿效应，屈曲段中过大的弯曲变形将会导致管道破坏。如果运 种约束力较小，由于管道运行过程中有效轴向应力的不对称性(主要来源于管道运行过程 中非等时的启停机操作、海床坡度W及管道中油气密度的变化），使得管道轴向与地基±产 生较大的相对位移，运种现象称之为棘轮效应。伴随着棘轮效应的加剧，整体管道轴向会发 生较大位移，可能导致管道间连接件及末端设备的应力过载破坏或者管道中间段的应力 (或应变)过大而发生破坏。
[0004] 对于管道屈曲问题，随着海洋工程实践经验的积累，相关的设计规范不断得W优 化和改进，尤其是近十年来由全球多所高校及研究机构依托工业界的支持倡导的SAFEBUCK JIP项目，为整体屈曲设计提供比较完备的解决方案。因此，海底管道的整体屈曲测试原理 不纳入本专利的研究范畴。
[0005] 而对于棘轮现象，国内外的研究还较少，目前基本上局限于理论方面的探讨，同时 数据多来源于室内测试。由于深海±体多W正常固结软粘±为主，其浅层±体，更具有强度 低、易扰动的特点。因此常规的实验室原状态测试往往不能给出准确的±工参数，特别是设 及到海底管道的设计时，由于浅层±体承受的有效应力仅为2-lOkPa，远低于实验室中能够 得到的可靠数据的应力水平。为此，现场测试深海粘±特性的探测设备应运而生，并已逐步 应用到实际工程实践中，例如:T-bar探测仪，尽管能够很好探测±体(粘±)的不排水抗剪 强度，但是对于管±作用中所需要的管±接触特性依旧无法评估。此后，。11旨'0岩±工程公 司研发了一种新型的深海探测仪化gro SMARTPIPE，W进行深海管±作用的相关研究。然 而，该设备的明显缺陷是无法克服管段两端明显的边界效应。因此，为了获取准确的海底浅 层±体的工程设计指标，真实地掲示pipeline walking的机理W及提供更为可靠的管道轴 向摩阻力设计参数，本专利阐述了一种新型的海底管道管±轴向作用的探测设备:半球形 探测仪。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是针对上述存在问题，提供一种智能海底管±轴向作用的半球 形探测仪，该探测设备，掲示海底管道热棘轮效应，勘测海底浅层±体的工程设计指标:不 排水抗剪强度指标(粘±)及管道初始埋深指标、管道固结沉降量指标、管道轴向剪切特性 指标W及管道轴向摩阻力的固结硬化指标，从而完善海洋岩±的现场勘察和监测设备，为 海底管道设计提供更为可靠的工程参数，优化传统的海底管道设计方案。
[0007] 本实用新型的技术方案：
[0008] -种智能海底管±轴向作用的半球形探测仪，由半球形器体、加载臂、四个孔压传 感器和四条孔压传感器引线组成，加载臂及半球形器体采用侣合金材质，直径为500mm、壁 厚为50mm，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直径为200mm， 圆孔直径为5mm;直径25mm、高度1000mm的加载臂的一端垂直固定于半球形器体底部的中 屯、，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半球形器体 的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定W方便并入数据采集系统;半球形 探测仪垂直设置于海床上。
[0009] 本实用新型的有益效果是：
[0010] 1)对于已建和拟建海底管道与地基±的极限阻力提供可靠的测试手段；
[0011] 2)探求海底管道热棘轮效应所发生的的力学机制，利用合理的计算方法设计避免 或减轻海底管道发生热棘轮效应对于海底管道的危害，对于已建管道是否发生效应进行评 估；
[0012] 3)确定可能发生棘轮效应的海底管道设置合理的减缓或抑制管道轴向运动的相 关设备的数量和类型，从而在保证管道安全的前提下降低项目成本，本实用新型填补了深 海现场勘察管±轴向作用的空白。
【附图说明】
[0013] 图1为半球形探测仪立体结构示意图。
[0014] 图2为半球形探测仪俯视结构示意图。
[0015] 图3为半球形探测仪仰视结构示意图。
[0016] 图4为半球形探测仪侧视结构示意图。
[0017] 图中：1、加载臂;2、孔压传感器引线;3、半球形器体;4、孔压传感器。
【具体实施方式】 [001引实施例；
[0019] -种智能海底管±轴向作用的半球形探测仪，如图1-4所示，由半球形器体3、加载 臂1、四个孔压传感器4和四条孔压传感器引线2组成，加载臂1及半球形器体3采用侣合金材 质，直径为500mm、壁厚为50mm，半球形器体3的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在 平面的直径为200mm，圆孔直径为5mm;直径25mm、高度1000 mm的加载臂1的一端垂直固定于 半球形器体3底部的中屯、，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器4 分别固定于半球形器体3的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线2与加载臂1固定W方便 并入数据采集系统;半球形探测仪垂直设置于海床上。
[0020] 本实用新型的技术分析：
[0021] 该半球形探测仪基于海底管道实际安装铺设及正常运行过程的综合考虑，运用了 =种等效类比手段:海底管道测试过程的等效类比、探测设备和海底管道几何尺寸等效类 比W及探测设备和海底管道运动方式的等效类比设计而出，可测量管道安装过程所需的不 排水抗剪强度指标(粘±)及埋深指标、安装后管道固结沉降量和运行过程中管道轴向剪切 刚度及轴向摩阻力的固结硬化指标。
[0022] 1.海底管道测试过程等效类比处理：
[0023] 考虑到海底管道从铺设安装到正常运行整个过程中浅层±体的排水状况，半球形 探测仪的测试过程被等效地划分为=个阶段(详见表1):
[0024] 1)管道安装阶段:将实际的管道自重由等效竖向荷载来代替，通常可W用竖向贯 入距离和时间来控制安装过程中的不排水工况，及安装过程中的初始管道埋深；
[0025] 2)管道安装后固结阶段:将实际的管道安装后的固结压力（即管道自重)用等效的 竖向荷载代替，具体地，完成1)阶段测试之后，维持贯入到目标埋深处的对应竖向力，等待 孔隙水压力彻底消散；
[0026] 3)管道正常运行阶段:将实际的管道运行时的溫度应力的热棘轮效应由转向正反 交替的循环剪切来代替，并由不同的剪切速度控制剪切过程中的排水程度，由转向正反切 换时的滞留时间控制间歇式的固结时间。
[0027] 表1半球形探测仪探测过程等效处理措施 [002引
[0029] 2.半球形探测仪与海管几何尺寸等效类比处理：
[0030]尽管用有限长的管道作为探测设备的几何形状可能更为简单及直观地测试相关 工程参数，但是由于其在轴向剪切过程中，两端不断推±将造成明显的端部效应，因此本专 利采用了半球形剪切面W避免端部效应对探测结果的影响。然而，基于此理念设计的半球 形探测仪在结构形状上区别于海管，所W需对其和海管在几何尺寸的相关参数(见图1)上 进行合理等效类比（详见表2)，W方便直接探测相关工程设计参数。
[0031 ]表2半球形探测仪与海管在几何尺寸上的等效处理措施
[0033] 3.半球形探测仪与海管运动方式等效类比处理：
[0034] 半球形剪切面的设计思想的引入，使得真实海管的轴向运动可W用轴对称旋转运 动来等效类比，对应的受力类比示意图见图1，而竖向的海管运动无需进去相关类比处理。 此外，在不同的测试过程中，对应等效类比参数见表3。
[0035] 表3半球形探测仪与海管进行运动方式等效处理后的相关参数换算
[0036]
[0037] 本实用新型借上述=种等效类比手段，成功地将海底管道的铺设过程及后期的正 常运行过程转化为半球形探测仪竖向贯入测试及旋转剪切测试，并在测试中通过有效的数 据采集系统记录半球形探测仪贯入深度，沉降水平，剪切距离，孔隙水压力的时间响应W及 施加的竖向荷载和剪切时的扭矩响应，W便获取海管设计中所需的浅层±体的抗剪强度指 标，固结系数指标，轴向摩阻力指标等关键工程设计参数。
[0038] 本实用新型的具体勘察工作，步骤如下：
[0039] 1.下潜安装过程:保证支撑测试设备的基架平稳坐落于预测的海床位置。
[0040] 2.测试海底管道铺装过程的工程参数：
[0041] 1)控制半球形探测仪的贯入速度，确保其在贯入过程中保持不排水工况，通常结 合±体的固结系数需提前设定贯入距离及时间，此过程采用竖向位移控制，记录过程中的 时间（t)、竖向位移(W)、竖向承载力(V)及孔隙水压力(P);
[0042] 2)最好重复做一组的贯入过程，但是切换成竖向力控制，需确保施加在半球形探 测仪上的竖直向荷载等效于具体工程中海管的自重，保证真实工况下的低正应力状态；
[0043] 3)维持竖向力不变(V)，等待孔隙水压力完全消散，记录此固结过程中的时间（t)、 竖向位移(W)及孔隙水压力(P)。
[0044] 3.测试海底管道正常运行过程的工程参数：
[0045] 1)半球形探测仪保持恒定的旋转剪切角速度，顺时针及逆时针交替(每旋转180切 换方向）旋转，直至没有明显的孔隙水压力变化；
[0046] 2)半球形探测仪保持恒定的不排水旋转剪切角速度，顺时针及逆时针交替（每旋 转180切换方向）旋转，但是，每次旋转方向切换时确保一个驻留时间，W便剪切产生的孔隙 水压力发生部分消散，直至没有明显的孔隙水压力变化。
[0047] 注：恒定的旋转角速度的选取需要考虑实际工程中±体的固结系数，建议值为 0.0179deg/s，其对应工况为海底管道初始埋深为0.5D，±体为正常固结的高岭±。
[0048] 本实用新型不仅可运用于勘察深海管±的轴向运动机制，测量相关的工程设计参 数，而且适合于浅海非填埋直接铺设海管的轴向管±作用的相关监测。考虑到现有的海洋 实地勘察技术和手段，本设备可W借助海上钻井平台进行勘测浅层±体的不排水抗剪强度 和管道铺设后的相关固结指标(如固结沉降，孔隙水压力的消散状况等），最佳的实施方式 应该结合工程前期的勘察船，在计划铺设管道区域内每间隔1-5公里(在较均匀的地质区域 可W选取较大的测量间隔)进行系统的管±轴向作用的勘察。首先，需将半球形探测仪通过 加载臂(参见图2中加载臂1)与常规海洋岩±勘察设备连接，即：加载臂1上安装压力传感器 和测扭矩传感器后与勘察设备中的控制执行系统和数据采集系统连接，并将安装在半球形 探测仪底部的四个孔压传感器4通过引线2并入数据采集系统；同时，为了保证半球形探测 仪贯入和旋转的稳定性，整个底部半球形剪切面3需与中屯、加载臂IW螺纹方式固定;此外， 半球形剪切面3需涂抹防腐保护层并控制表面的粗糖度跟真实海底管道的一致。
【主权项】
1.一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，其特征在于：由半球形器体、加载臂、 四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，加载臂及半球形器体采用铝合金材质，直径 为500mm、壁厚为50mm，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直 径为200mm，圆孔直径为5mm;直径25mm、高度1000mm的加载臂的一端垂直固定于半球形器体 底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半 球形器体的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定以方便并入数据采集系 统;半球形探测仪垂直设置于海床上。
【文档编号】G01V9/00GK205720728SQ201620353326
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】闫玥, 练继建
【申请人】天津大学
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