覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验方法
【专利摘要】一种覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验方法，采用以下步骤：一：给试验锚模型加载，试验锚模型沿水平力方向运动；二：其锚杆在锚链的拉力的拖引下，锚爪向下张开并插入地基土中；三：在试验锚模型达到最大值时为最大锚爪力；四：若最大锚抓力大于试验锚模型的外力时，则锚爪姿态稳定；当其遇到碎石保护结构，超过最大锚抓力时，则试验锚模型被拖动；五：在试验锚模型的锚抓力减小，并以锚杆为轴转动的同时，两锚爪所受底土的作用力不等，造成试验锚模型错抓底姿态失衡，最终锚爪翻转，抓力大大减小。本发明通过对不同碎石形成的保护结构进行模型试验，搞清碎石结构对海底管道的保护机理，达到施工质量和保护海底管道不受拖锚危害的要求。
【专利说明】覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模拟试验方法，尤其涉及一种对海底管道起保护作用的覆盖海底管道 的碎石结构抗拖锚模型的试验方法。
【背景技术】
[0002] 海底管道作为输送石油、天然气、水、化学物质和一些其他的特殊气液体的通道， 被视为海洋油气资源开发、运输的生命线。
[0003] 随着我国海洋石油、天然气的不断开发，逐渐呈现出油气田周边海事活动频繁，并 濒临航道、航路、锚地等高风险区域。通航船舶意外事件、紧急抛锚以及船舶走锚等，将对穿 越航道的海底管道形成巨大的破坏风险，管道的安全运营将面临严峻的挑战。能否保证穿 越航道的海底管道的安全性事关整个油气田开发的成败。
[0004] 为了防止此类风险，在海底管道的安全性评估方面，最常用的方法就是DNV (挪威 船级社）推荐的方法。DNV(挪威船级社）提出了一种在事故性外荷作用下，海底管道保护 的风险评估方法，对于海底管道受损坏程度、选择性保护措施、损坏频率和结果评估都提出 了建议。然而，面对拖锚对海底管道的安全性影响，DNV(挪威船级社）或者其他海洋工程 规范，并未给出相应的试验方法。
[0005] 现在通常的做法是：在埋设管道的沟槽中，采用碎石填埋覆盖在管道上面，以形成 碎石保护结构。但，对于这种结构对海底管道的保护机理和保护效果研究较少。
[0006] 随着逐渐涌现出的一些需跨越大型航道的海底管道工程项目，通航船舶的吨位在 15万吨级以上，其携带的锚的重量大于20. 4吨甚至达到35吨。工程界已有的"抗拖锚试 验"已经不能满足要求，无法覆盖此类工程实际。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种覆盖海底管道 的碎石结构抗拖锚模型的试验方法，其通过对不同比尺的锚、不同形状的保护结构、不同级 配的碎石形成的保护结构进行模型试验，搞清碎石结构对海底管道的保护机理，能够达到 施工质量和保护海底管道不受拖锚危害的要求，解决了重量大于20. 4吨锚的抗拖问题；为 海底管道保护结构的形状、尺寸和厚度提供了设计的参考和依据。
[0008] 本发明的目的是由以下技术方案实现的：
[0009] -种覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验方法，其特征在于：采用以下试 验步骤：
[0010] 第一步：启动加载装置给试验锚模型加载，试验锚模型在受到加载装置的持续水 平外力作用下，沿水平力方向开始运动；
[0011] 第二步：试验锚模型在地基土中被拖动的过程，也是试验锚模型的抓底过程，此 时，试验锚模型的锚杆在锚链的拉力的拖引下，锚爪向下张开，并插入地基土中，仅保持有 限的抓力；
[0012] 第三步：在试验锚模型被拖动时，随着锚爪插入地基土深度的增加，抓力也猛增， 在试验锚模型被拖动5- 6倍锚长的距离时，达到最大值，此时，该抓力称为最大锚爪力或 走铺抓力；
[0013] 第四步：若最大试验锚模型的锚抓力大于当时作用于试验锚模型的外力时，则试 验锚模型的锚爪姿态稳定；当试验锚模型遇到碎石保护结构时，试验锚模型提供的被动土 压力过大，并且，超过最大锚抓力时，则试验锚模型被拖动；在拖动过程中，试验锚模型的锚 抓力减小；
[0014] 第五步：在试验锚模型的锚抓力减小，试验锚模型以锚杆为轴转动的同时，两锚爪 所受底土的作用力不等，造成试验锚模型错抓底姿态失衡，最终锚爪翻转，抓力大大减小。
[0015] 为实现上述方法所采用的一种覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验装置， 其特征在于：包括：一试验槽、加载装置和数据采集装置；其中，试验槽中依次放置地基土、 海底管道、碎石保护结构及放置在海底管道底部地基土中的试验锚模型；该试验锚模型分 别与加载装置数据采集装置相连。
[0016] 所述加载装置由动力设备及与动力设备连接的钢丝绳组成，钢丝绳与试验锚模型 相连，用于为试验锚模型提供拉力。
[0017] 所述试验槽的槽壁为钢化玻璃。
[0018] 所述数据采集装置包括：用于测量试验锚模型拖力的拉力传感器、非接触式全场 应变仪及3D位移测量仪；其中，拉力传感器、非接触式全场应变及3D位移测量仪分别与计 算机采集装置相连接。
[0019] 所述碎石保护结构的高度为：600mm，底部宽度为：500mm，在拖锚一侧的坡度为： 1:3,另一侧为：1:0.6。
[0020] 本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其通过对不同比尺的锚、不 同形状的保护结构、不同级配的碎石形成的保护结构进行模型试验，搞清碎石结构对海底 管道的保护机理，能够达到施工质量和保护海底管道不受拖锚危害的要求，解决了重量大 于20. 4吨锚的抗拖问题；为海底管道保护结构的形状、尺寸和厚度提供了设计的参考和依 据。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明局部立面布置示意图。
[0022] 图2为本发明局部立面剖面布置示意图。
[0023] 图3为本发明现场局部平面布置示意图。
[0024] 图4为本发明锚的抓力特征曲线示意图。
[0025] 图中主要标号说明：
[0026] 1.试验锚模型；2.地基土； 3.试验槽；4.碎石保护结构；5.海底管道；6.钢丝绳； 7.动力设备、8.槽壁。
【具体实施方式】
[0027] 如图1 一图3所示，本发明包括：试验槽3、加载装置和数据采集装置；其中，试验 槽3中依次放置地基土 2、海底管道5、碎石保护结构4及放置在海底管道5底部地基土 2 中的试验锚模型1 ;试验锚模型1分别与加载装置数据采集装置相连；通过上述连接构成一 抗拖锚模型的试验结构。
[0028] 上述加载装置由动力设备7及与动力设备7连接的钢丝绳6组成，钢丝绳6与试 验锚模型1相连，用于为试验锚模型1提供拉力；
[0029] 上述试验槽3的槽壁为钢化玻璃，试验槽3的尺寸为：3000x1000x600mm ;上述数 据采集装置包括：用于测量试验锚模型1拖力的拉力传感器、非接触式全场应变及3D位移 测量仪；其中，拉力传感器、非接触式全场应变及3D位移测量仪分别与计算机采集装置相 连接，用于在加载试验过程中，检测试验锚模型1的实时位移和拉应力。
[0030] 上述碎石保护结构4是由平均粒径d5(l = 20mm的碎石构成；碎石保护结构4的高 度为：600mm，底部宽度为：500mm，在拖锚一侧的坡度为1:3,另一侧为：1:0. 6。
[0031] 地基土 2是由细砂或粘性土来模拟，细砂的平均粒径d5Q = 0. 50mm ;粘性土的不排 水强度平均为12kPa。
[0032] 试验锚模型1为：按商船常用的霍尔锚按比例缩放制作，分为两种尺寸：
[0033] 霍尔锚A :锚爪长200_，重6kg。
[0034] 霍尔锚B :锚爪长400mm，重75kg。
[0035] 本发明采用以下试验步骤：
[0036] 第一步：如图4所示，启动加载装置给试验锚模型1加载，试验锚模型1在受到加 载装置的持续水平外力作用下，沿水平力方向开始运动；
[0037] 第二步：试验锚模型1在地基土 2中被拖动的过程，也是试验锚模型1的抓底过 程，此时，试验锚模型1的锚杆在锚链的拉力的拖引下，锚爪向下张开，并插入地基土 2中， 曲线dQ，从0- dQ锚爪未插入地基土 2中，仅保持有限的抓力；
[0038] 第三步：在试验锚模型1被拖动时，随着锚爪插入地基土 2深度的增加，抓力也猛 增，在试验锚模型1被拖动5- 6倍锚长的距离时，达到最大值，此时，该抓力称为最大锚爪 力或走锚抓力，图中曲线屯位置；
[0039] 第四步：此后，若最大试验锚模型1的锚抓力大于当时作用于试验锚模型1的外力 时，则试验锚模型1的锚爪姿态稳定；当试验锚模型1遇到碎石保护结构4时，试验锚模型 提供的被动土压力过大，并且，超过最大锚抓力时，则试验锚模型1被拖动；在拖动过程中， 试验锚模型1的锚抓力减小，见曲线屯一七。
[0040] 第五步：在试验锚模型1的锚抓力减小，试验锚模型1以锚杆为轴转动的同时，两 锚爪所受底土的作用力不等，造成试验锚模型1错抓底姿态失衡，最终锚爪翻转，抓力大大 减小，即曲线(1 2之后。
[0041] 上述加载装置为现有技术，未作说明的技术为现有技术。
[0042] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡 是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于 本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1. 一种覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验方法，其特征在于：采用以下试验 步骤： 第一步：启动加载装置给试验锚模型加载，试验锚模型在受到加载装置的持续水平外 力作用下，沿水平力方向开始运动； 第二步：试验锚模型在地基土中被拖动的过程，也是试验锚模型的抓底过程，此时，试 验锚模型的锚杆在锚链的拉力的拖引下，锚爪向下张开，并插入地基土中，仅保持有限的抓 力； 第三步：在试验锚模型被拖动时，随着锚爪插入地基土深度的增加，抓力也猛增，在试 验锚模型被拖动5- 6倍锚长的距离时，达到最大值，此时，该抓力称为最大锚爪力或走锚 抓力； 第四步：若最大试验锚模型的锚抓力大于当时作用于试验锚模型的外力时，则试验锚 模型的锚爪姿态稳定；当试验锚模型遇到碎石保护结构时，试验锚模型提供的被动土压力 过大，并且，超过最大锚抓力时，则试验锚模型被拖动；在拖动过程中，试验锚模型的锚抓力 减小； 第五步：在试验锚模型的锚抓力减小，试验锚模型以锚杆为轴转动的同时，两锚爪所受 底土的作用力不等，造成试验锚模型错抓底姿态失衡，最终锚爪翻转，抓力大大减小。
2. 为实现上述方法所采用的一种覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验装置，其 特征在于：包括：一试验槽、加载装置和数据采集装置；其中，试验槽中依次放置地基土、海 底管道、碎石保护结构及放置在海底管道底部地基土中的试验锚模型；该试验锚模型分别 与加载装置数据采集装置相连。
3. 根据权利要求2所述的覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验装置，其特征在 于：所述加载装置由动力设备及与动力设备连接的钢丝绳组成，钢丝绳与试验锚模型相连， 用于为试验锚模型提供拉力。
4. 根据权利要求2所述的覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验装置，其特征在 于：所述试验槽的槽壁为钢化玻璃。
5. 根据权利要求2所述的覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验装置，其特征在 于：所述数据采集装置包括：用于测量试验锚模型拖力的拉力传感器、非接触式全场应变 仪及3D位移测量仪：其中，拉力传感器、非接触式全场应变及3D位移测量仪分别与计算机 采集装置相连接。
6. 根据权利要求2所述的覆盖海底管道的碎石结构抗拖锚模型的试验装置，其特征在 于：所述碎石保护结构的高度为：600mm，底部宽度为：500mm，在拖锚一侧的坡度为：1:3,另 一侧为：1:0.6。
【文档编号】G01N3/00GK104089755SQ201410364985
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】钟文军, 孙国民, 刘志刚, 闫澍旺, 李庆, 马坤明, 雷震名, 冯现洪, 何杨, 杨琥, 孙立强, 李林安, 熊海荣, 郎一鸣, 杨伟 申请人:中国海洋石油总公司, 海洋石油工程股份有限公司