专利名称：一种斜坡海床上管道在位稳定性的机械加载模拟装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及近海工程、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。
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，本实用新型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，该装置可模拟海流载荷下，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，本实用新型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。 本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本实用新型由于在土 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、本实用新型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、本实用新型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、本实用新型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、本实用新型 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。本实用新型结构设计巧 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是本实用新型装置操作方案一结构示意图图2是本实用新型装置操作方案二结构示意图图3是本实用新型装置操作方案三结构示意图图4是本实用新型装置操作方案四结构示意图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。如图1 4所示，本实用新型的装置包括一土槽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。本实用新型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实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可 以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排 除在本实用新型的保护范围之外。
权利要求1.一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。
专利摘要本实用新型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，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。本实用新型装置结构设计巧妙，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G01M10/00GK201795915SQ20102052916
公开日2011年4月13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, 中国科学院力学研究所, 中海石油研究中心