一种深海管线运动模拟试验系统

1.本发明涉及深海石油开发运输技术领域，尤其涉及一种深海管线运动模拟试验系统。


背景技术：

2.目前，深海已成为全球油气开采的重要区域，深海管线是深海油气开采的关键装备，起到了在海上浮体与水下生产系统之间进行油气输送和作业控制的重要作用。随着作业水深的增加，管线系统所受的环境载荷更加复杂，这对深海管线的在位安全作业带来了更多的挑战。
3.为保障深海管线的在位安全作业及全寿命周期内的稳定运行，开展深海管线实验是最行之有效的方法。
4.海洋工程领域常采用水池试验进行浮式结构(浮式平台、海上风机、浮式生产储卸油装置等)的动力响应分析，但水池试验成本昂贵，且试验周期较长。
5.现有的无水深海管线运动模拟试验系统缺乏对触地段管土作用的模拟，无法全面模拟深海管线系统在位运动。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种深海管线运动模拟试验系统。
7.本发明是通过以下技术方案予以实现：
8.一种深海管线运动模拟试验系统，包括运动模拟支架及顶侧开口的土箱，所述土箱用于装填实验土，所述运动模拟支架包括上层运动架、下层运动架及多个支撑立柱，所述支撑立柱垂直固接至地面，所述上层运动架与下层运动架均由多根首尾相固接的桁架围成，所述上层运动架与下层运动架均垂直于支撑立柱，所述上层运动架与下层运动架均滑动连接至支撑立柱，所述下层运动架与支撑立柱间设有第一驱动组件，所述上层运动架与支撑立柱间设有第二驱动组件，所述下层运动架上方安装有多根承载杆，所述承载杆用于承载土箱，所述上层运动架内侧固接有连架，所述连架下方通过第一振动台连接有海洋平台模型，所述海洋平台模型与土箱之间布置有管线模型，所述管线模型一端安装至海洋平台模型，所述管线模型另一端安装至土箱内壁，所述管线模型位于箱体内的部分安装有用于测量其运动状态的传感器。
9.优选地，所述下层运动架由四根首尾相固接的桁架围成，所述下层运动架整体呈矩形，所述支撑立柱的个数为四，四个支撑立柱分别布置于下层运动架的四个角端，所述土箱整体呈长方体，所述土箱顶部四周外侧均设置有开口向下的搭接槽，所述承载杆设置有四根，四根承载杆与四个搭接槽一一对应适配，所述承载杆的端部与对应的桁架间还设置有用于使两者保持相对固定的锁紧结构。
10.优选地，四根承载杆中有两根相交叉的承载杆的表面设有第一刻度。
11.优选地，所述土箱顶部四周内侧布置有两根相垂直的定位杆，两根所述定位杆均平行于土箱底面，其中一根定位杆与土箱的一个侧壁平行，各定位杆两端分别滑动连接至对应的土箱侧壁，所述定位杆表面设有第二刻度。
12.优选地，所述下层运动架的每根桁架上方均布置有滑杆，所述滑杆两端固接至对应的桁架，所述承载杆的端部下方均设有承载块，所述锁紧结构包括辅助螺钉及对称布置于承载块两侧的抱臂，所述抱臂顶端铰接至承载块，所述辅助螺钉用于连接两个抱臂的底端，两个抱臂的相对侧均设有抱紧部，所述抱紧部内侧形状与滑杆外形相适配，当旋紧辅助螺钉时，抱臂抱紧至对应的滑杆。
13.优选地，所述承载块底端连接有可转动的滑轮，所述抱紧部顶端设有用于避让滑轮的避让口，所述滑轮与对应的滑杆相抵接，所述滑轮的转动轴线平行于对应的承载杆。
14.优选地，还包括第二振动台，所述第二振动台设于土箱与底面之间，用以带动土箱运动。
15.优选地，所述上层运动架和/或连架的下侧安装有摄像机。
16.优选地，所述土箱底部设有多个万向轮。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明结构简单，相对于在水环境下开展实验，能够降低成本且操作简单易行，通过更换不同的管线模型及更换管线模型与海洋平台模型的连接方式，能够模拟张力腿平台、单柱式平台、半潜式平台、浮式生产储卸油装置、海上风机等多种海洋平台，管线模型与土箱内的实验土接触部分相互作用能够模拟真实情况下深海管线触地段与海床的管土作用，全面模拟深海管线的在位运动，使得工作人员能够根据深海管线的运动状态对深海管线进行设计校核，有效保障深海管线的在位安全作业及全寿命周期内的稳定运行；通过设置土箱，无需在整个试验区域内铺设实验土，可节省实验费用，减少实验准备时间；并且在实验过程中，可通过直接更换不同的土箱从而模拟不同类型的实验土，大幅缩短实验时间；第一振动台能够有效模拟海洋平台的真实运动状态；第二振动台能够有效模拟地震载荷等引起的海床土体振动，进一步提高模拟效果；通过设置第一刻度，便于工作人员对土箱进行定位；通过设置第二刻度，便于对管线模型的触地点进行定位，同时便于采集管土作用后在土箱表面形成的实验土沟槽数据，进而便于工作人员分析深海管线的运动状态；锁紧结构在旋紧辅助螺钉时能够使承载杆端部与滑杆保持相对固定，在旋松辅助螺钉时能够在不完全拆卸承载杆的情况下，实现承载杆相对于滑杆的移动，能够提高工作效率；在通过推动承载杆对土箱位置进行调整时，滑轮可以起到省力效果；摄像机，用于采集管线模型的运动影像及实验土沟槽的形成影像，进一步便于工作人员分析深海管线的运动状态。
附图说明
19.图1是本发明的结构示意图；
20.图2是本发明所述土箱的结构示意图；
21.图3是本发明所述锁紧结构的结构示意图。
22.图中：1、下层运动架；2、滑杆；3、承载杆；4、第二振动台；5、土箱；6、第一驱动组件；7、支撑立柱；8、摄像机；9、管线模型；10、海洋平台模型；11、第二驱动组件；12、第一振动台；13、上层运动架；14、连架；15、万向轮；16、定位杆；17、搭接槽；18、承载块；19、滑轮；20、抱
臂；21、抱紧部。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.如图1-图3所示，本发明提供的一种深海管线运动模拟试验系统，包括运动模拟支架及顶侧开口的土箱5，所述土箱5用于装填实验土，所述运动模拟支架包括上层运动架13、下层运动架1及多个支撑立柱7，所述支撑立柱7垂直固接至地面，所述上层运动架13与下层运动架1均由多根首尾相固接的桁架围成，所述上层运动架13与下层运动架1均垂直于支撑立柱7，所述上层运动架13与下层运动架1均滑动连接至支撑立柱7，所述下层运动架1与支撑立柱7间设有第一驱动组件6，用于驱动下层运动架1沿支撑立柱7作升降运动，从而模拟不同的海床深度，所述上层运动架13与支撑立柱7间设有第二驱动组件11，用于驱动上层运动架13沿支撑立柱7作升降运动，从而模拟海面高度变化，第一驱动组件6与第二驱动组件11可以选用液压缸、升降机等组件，具体的，在本实施例中，
26.所述第一驱动组件6包括固接至各支撑立柱7中部的第一电动马达，每个支撑立柱7对应的第一电动马达个数为四，用以提高第一驱动组件6的驱动稳定性，所述第一电动马达的输出轴绕接有第一牵引索，所述第一牵引索一端固接至第一电动马达的输出轴，所述第一牵引索另一端固接至下层运动架1，所述第二驱动组件11包括固接至各支撑立柱7顶部的第二电动马达，每个支撑立柱7对应的第二电动马达个数为四，用以提高第二驱动组件11的驱动稳定性，所述第二电动马达的输出轴绕接有第二牵引索，所述第二牵引索一端固接至第二电动马达的输出轴，所述第二牵引索另一端固接至上层运动架13，
27.所述下层运动架1上方安装有多根承载杆3，所述承载杆3用于承载土箱5，通过调整承载杆3安装至下层运动架1的具体位置，能够调整土箱5相对于运动模拟支架的位置，即可以在特定区域内设置实验土，无需在整个试验区域内铺设实验土，可节省实验费用，减少实验准备时间，所述上层运动架13内侧固接有连架14，所述连架14下方通过第一振动台12连接有海洋平台模型10，所述第一振动台12为六自由度振动台，工作人员可根据具体的实验需求选用合适规格的六自由度振动台作为第一振动台12，用于带动海洋平台模型10进行六自由度运动，从而能够有效模拟海洋平台的真实运动状态，所述海洋平台模型10与土箱5之间布置有管线模型9，工作人员可根据实验需求选用钢管、棉线管、聚酯管、塑胶管或复合软管作为管线模型9，用以模拟不同的深海管线，所述管线模型9一端安装至海洋平台模型10，工作人员可根据实验需求以悬挂或者套管等方式将管线模型9安装至海洋平台模型10，用以模拟不同的深海管线连接方式，通过更换不同的管线模型9及更换管线模型9与海洋平台模型10的连接方式，能够模拟张力腿平台、单柱式平台、半潜式平台、浮式生产储卸油装置、海上风机等多种海洋平台，所述管线模型9另一端安装至土箱5内壁，管线模型9与土箱5内的实验土接触部分相互作用能够模拟真实情况下深海管线触地段与海床的管土作用，全
面模拟深海管线的在位运动，所述管线模型9位于箱体内的部分安装有用于测量其运动状态的传感器，包括位移传感器、速度传感器和/或加速度传感器，用以测量管线模型9触地段的运动状态，便于工作人员分析真实情况下的深海管线运动状态，使得工作人员能够根据深海管线的运动状态对深海管线进行设计校核，有效保障深海管线的在位安全作业及全寿命周期内的稳定运行。所述下层运动架1由四根首尾相固接的桁架围成，所述下层运动架1整体呈矩形，所述支撑立柱7的个数为四，四个支撑立柱7分别布置于下层运动架1的四个角端，所述土箱5整体呈长方体，所述土箱5顶部四周外侧均设置有开口向下的搭接槽17，所述承载杆3设置有四根，四根承载杆3与四个搭接槽17一一对应适配，其中一对相对的搭接槽17低于另一对相对的搭接槽17，从而避免四根承载杆3发生干涉，所述承载杆3的端部与对应的桁架间还设置有用于使两者保持相对固定的锁紧结构，通过调整承载杆3端部与对应桁架的锁紧位置，能够对土箱5与海洋平台模型10的相对位置进行调整，工作人员可定制多个土箱5，并根据实验需求提前在不同的土箱5内铺设不同类型的实验土，在实验过程中，可通过直接更换不同的土箱5从而模拟不同类型的实验土，大幅缩短实验时间。
28.四根承载杆3中有两根相交叉的承载杆3的表面设有第一刻度，工作人员通过读取两根承载杆3交点处的第一刻度数据能够计算出土箱5的具体位置，从而便于对土箱5进行定位。
29.所述土箱5顶部四周内侧布置有两根相垂直的定位杆16，两根所述定位杆16均平行于土箱5底面，其中一根定位杆16与土箱5的一个侧壁平行，各定位杆16两端分别滑动连接至对应的土箱5侧壁，所述定位杆16表面设有第二刻度，通过移动两根定位杆16并参照两根定位杆16交点处的第二刻度数据，便于对管线模型9的触地点进行定位，同时便于采集管土作用后在土箱5表面形成的实验土沟槽数据，进而便于工作人员分析深海管线的运动状态。
30.所述下层运动架1的每根桁架上方均布置有滑杆2，所述滑杆2与对应的桁架相平行，所述滑杆2两端固接至对应的桁架，所述承载杆3的端部下方均设有承载块18，所述锁紧结构包括辅助螺钉及对称布置于承载块18两侧的抱臂20，所述抱臂20顶端铰接至承载块18，其中一个抱臂20底端设有与辅助螺钉相对应的螺纹孔，另一个抱臂20底端设有与辅助螺钉外径相适配的通孔，所述辅助螺钉的螺纹段穿过通孔后螺纹连接至螺纹孔，两个抱臂20的相对侧均设有抱紧部21，所述抱紧部21内侧形状与滑杆2外形相适配，
31.当旋紧辅助螺钉时，抱臂20抱紧至对应的滑杆2，此时承载杆3的端部与对应的滑杆2保持相对固定；
32.当旋松辅助螺钉时，抱臂20能够沿对应的滑杆2滑动，便于对土箱5的位置进行调整。
33.所述承载块18底端连接有可转动的滑轮19，所述抱紧部21顶端设有用于避让滑轮19的避让口，所述滑轮19与对应的滑杆2相抵接，所述滑轮19的转动轴线平行于对应的承载杆3，当旋松辅助螺钉时，滑轮19能够降低承载杆3端部与对应滑杆2间的摩擦阻力，在通过推动承载杆3对土箱5位置进行调整时，可以起到省力效果。
34.所述土箱5与地面间安装有第二振动台4，所述第二振动台4为六自由度振动台，工作人员可根据具体的实验需求选用合适规格的六自由度振动台作为第二振动台4，用以模拟地震载荷等引起的海床土体振动，进一步提高模拟效果。
35.所述上层运动架13和/或连架14的下侧安装有摄像机8，用于采集管线模型9的运动影像及实验土沟槽的形成影像，进一步便于工作人员分析深海管线的运动状态。
36.所述土箱5底部设有多个具有制动功能的万向轮15，便于工作人员更换土箱5。
37.本发明提供的一种深海管线运动模拟试验系统的工作原理是，根据实验需求定制管线模型，在土箱内铺设实验土；下调下层运动架至地面高度，下调上层运动架至适合安装海洋平台模型和管线模型的高度，将海洋平台模型安装至第一振动台，将管线模型顶端安装至海洋平台模型；上调上层运动架至预设高度；上调下层运动架至适合安装土箱的高度，将四根承载杆移到下层运动架四周，将土箱推进试验区域，移动四根承载杆同时通过调节下层运动架的高度使土箱四周的搭接槽搭设至对应的承载杆，推动承载杆，通过读取两根承载杆交点处的第一刻度数据对土箱进行精准定位；
38.若不需要模拟海床土体的振动，则通过锁紧结构使承载杆的端部与对应的桁架保持相对固定；若需要模拟海床土体的振动，则上调下层运动架，在土箱与地面间安装第二振动台，再下调下层运动架，使承载杆脱离对应的搭接槽，推动承载杆，使承载杆远离土箱，再通过锁紧结构使承载杆的端部与对应的桁架保持相对固定，防止第二振动台带动土箱运动时磕碰到承载杆；
39.将管线模型底端安装至土箱内壁，启动第一振动台，带动海洋平台模型进行六自由度运动，用以模拟海洋平台的真实运动状态；若安装有第二振动台，则根据实验需求启动第二振动台，用以模拟地震载荷等引起的海床土体振动，进一步提高模拟效果。
40.本发明结构简单，相对于在水环境下开展实验，能够降低成本且操作简单易行，通过更换不同的管线模型及更换管线模型与海洋平台模型的连接方式，能够模拟张力腿平台、单柱式平台、半潜式平台、浮式生产储卸油装置、海上风机等多种海洋平台，管线模型与土箱内的实验土接触部分相互作用能够模拟真实情况下深海管线触地段与海床的管土作用，全面模拟深海管线的在位运动，使得工作人员能够根据深海管线的运动状态对深海管线进行设计校核，有效保障深海管线的在位安全作业及全寿命周期内的稳定运行；通过设置土箱，无需在整个试验区域内铺设实验土，可节省实验费用，减少实验准备时间；并且在实验过程中，可通过直接更换不同的土箱从而模拟不同类型的实验土，大幅缩短实验时间；第一振动台能够有效模拟海洋平台的真实运动状态；第二振动台能够有效模拟地震载荷等引起的海床土体振动，进一步提高模拟效果；通过设置第一刻度，便于工作人员对土箱进行定位；通过设置第二刻度，便于对管线模型的触地点进行定位，同时便于采集管土作用后在土箱表面形成的实验土沟槽数据，进而便于工作人员分析深海管线的运动状态；锁紧结构在旋紧辅助螺钉时能够使承载杆端部与滑杆保持相对固定，在旋松辅助螺钉时能够在不完全拆卸承载杆的情况下，实现承载杆相对于滑杆的移动，能够提高工作效率；在通过推动承载杆对土箱位置进行调整时，滑轮可以起到省力效果；摄像机，用于采集管线模型的运动影像及实验土沟槽的形成影像，进一步便于工作人员分析深海管线的运动状态。
41.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。