一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法及装置

本发明属于海洋工程，尤其是涉及一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法及装置。

背景技术：

1、海底管道是海洋油气开采过程中重要的运输工具。在海底环境下，管道会受到波浪力、水压力作用；同时，管道还受到自身重力，其下方海床土样提供的垂向支撑力和侧向土阻力的综合作用。现实情况中，海床与管道之间存在不同的位置关系，并将导致两者之间作用力的截然不同。

2、近底、浅埋和埋地管道是常见的三种管道类型，三种情况下的管道受力大不相同，管土相互作用关系尚不十分明确。同时，在管道工程中，我们希望能够限制管道的周向转动，只在水平方向上自由移动，而本领域目前并没有相关研究。

3、因此，在限制管道转动的情况下，能有效的测量近底、浅埋和埋地管道承受的水压力、土压力和侧向位移，进而确定管道的稳定性条件是海底管道工程中的关键问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明要解决的问题是提供一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法及装置，利用该方法及装置可有效模拟海底管道所处的海底环境，模拟管道与海床的不同位置关系，从而有效检测海底管道的波浪稳定性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法，包括如下步骤：

3、s1、制备土样，模拟海床：

4、s2、测量管道初始沉降量：

5、将管道放入水槽内，当管道与海床接触时，释放管道，使其在自身重力作用下产生初始沉降，同时采用激光位移传感器测量并记录管道在海床中的初始沉降量；

6、s3、测试管道在波浪作用下的稳定性：

7、将管道两端安装于可升降的水平梁上，限制管道转动，将管道升降至测试初始位置，通过造波模拟波浪环境，在波浪作用下，管道沿水平梁产生水平位移，测量管道在不同初始位置的水平位移量、附加沉降量、所受的水压力值，以及管道在失稳过程中下方土样的位移量，通过所测量的数据分析出不同初始位置下管道的波浪稳定性情况。

8、在步骤s1中，所述海床通过砂雨法制备的砂土土样制成，可以更好地模拟了砂土海床。

9、在步骤s3中，通过摄像机对管道的水平位移量和附加沉降量进行记录；通过激光粒子图像测速仪测量管道侧向失稳过程中下方土样的位移量；通过水压力传感器、土压力传感器和加速度传感器测量管道所受水压力值、土压力值和振动响应值；通过波高仪测量波浪数据。

10、在步骤s3中，不同初始位置下的管道与海床之间的位置关系包括近底、浅埋和深埋。

11、进一步地，近底表示管道直接放置于海床上；浅埋表示管道有接近一半的部位被埋于海床中，但管道的大于一半的部位仍在海床之上；埋地表示管道完全埋入海床中。

12、本发明还提出了一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试装置，包括水槽、管道升降机构、管道限制转动机构和参数测量组件，

13、所述水槽用于放置土壤，用于模拟管道所处的海床环境；所述管道升降机构安装于水槽内，该管道升降机构用于对管道进行垂直升降处理；所述管道限制转动机构安装于管道升降机构上，该管道限制转动机构用于限制管道周向转动，使管道在水平方向自由移动；所述参数测量组件用于测量管道失稳中的数据。

14、进一步地，所述水槽采用透明的钢化玻璃制成，以便观察和测量管道在波浪作用下失稳的动力过程。

15、进一步地，所述管道升降机构包括伺服电机、梯形丝杠、支撑柱和滑动座，所述梯形丝杠安装于支撑柱内，所述滑动座安装于梯形丝杠上，该滑动座与梯形丝杠相互配合，该滑动座在伺服电机的带动下沿着梯形丝杠上下移动，通过伺服电机可精确控制移动距离；所述支撑柱上设置有两个行程开关，用以控制滑动座上下移动的上下限；所述滑动座带动管道升降。

16、进一步地，所述滑动座包括导向滑框和丝杠连接块，所述丝杠连接块位于导向滑框内部，该丝杠连接块通过其内部的螺纹孔与梯形丝杠相连，所述导向滑框和丝杠连接块之间设置有凹字形空腔，该导向滑框通过凹字形空腔套设于支撑柱上。

17、进一步地，所述管道限制转动机构包括端板、悬挂杆、螺纹杆和套筒，所述端板焊接于管道两端，用于防止流体进入管道内部，且对管道周向位移进行约束，限制管道转动；所述端板中心位置焊接有端杆，所述端杆水平设置，该端杆通过螺纹杆与悬挂杆相连，并通过垫圈和螺母进行加固处理，所述悬挂杆焊接于套筒侧壁，所述套筒套设于水平梁上，该套筒可沿水平梁自由移动，实现管道在波浪作用下的水平移动；所述水平梁焊接于滑动座上，随滑动座升降，该水平梁端部焊接有限位板，以防止套筒滑出水平梁。

18、进一步地，所述参数测量组件包括激光位移传感器、激光粒子图像测速仪、加速度传感器、水压力传感器、土压力传感器、波高仪和摄像机，所述激光位移传感器安装于悬挂杆端部底侧，用于测量管道初始沉降量；所述激光粒子图像测速仪安装于悬挂杆端部上侧，用于测量管道失稳过程中下方土样的位移场；所述水压力传感器等距布置于管道内壁，用于测量管道所受动态水压力；所述土压力传感器布置于管道外壁下侧，用于测量管道所受土压力；所述加速度传感器等距布置于管道外壁，用于记录管道的振动响应；所述波高仪安装于海床中，用于测量波浪数据；所述摄像机安装于海床一侧，用于记录管道侧向位移、土样剖面数据和附加沉降量。

19、由于采用上述技术方案，本发明的有益效果为：

20、本发明可有效模拟海底管道的承压土体，在限制管道周向位移的基础上，采用管道升降机构对管道进行升降移动，改变管道与海床之间的位置关系，可模拟近底、浅埋和埋地等管土关系；采用造波机模拟波浪环境，记录管道在不同位置状态下的失稳过程，同时实时测量稳定性参数，如管道在波浪作用下的水平位移和管道所受水体压力，以及管道失稳过程中下方土样的位移场，通过所测量的数据可分析出近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性情况。

技术特征：

1.一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法，其特征在于：在步骤s1中，所述海床通过砂土土样制成，所述砂土土样通过砂雨法制备。

3.根据权利要求1所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法，其特征在于：在步骤s3中，通过摄像机对管道的水平位移量和附加沉降量进行记录；通过激光粒子图像测速仪测量管道侧向失稳过程中下方土样的位移量；通过水压力传感器、土压力传感器和加速度传感器测量管道所受水压力值、土压力值和振动响应值；通过波高仪测量波浪数据。

4.根据权利要求1所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法，其特征在于：在步骤s3中，不同初始位置下的管道与海床之间的位置关系包括近底、浅埋和深埋。

5.根据权利要求4所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法，其特征在于：所述近底表示管道直接放置于海床上；所述浅埋表示管道有少于一半的部位被埋于海床中，但管道大于一半的部位仍在海床之上；所述埋地表示管道完全埋入海床中。

6.一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试装置，用于实现近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法，其特征在于：包括水槽、管道升降机构、管道限制转动机构和参数测量组件，所述水槽放置土壤，用于模拟管道所处的海床环境；所述管道升降机构安装于水槽内，该管道升降机构用于对管道进行垂直升降处理；所述管道限制转动机构安装于管道升降机构上，该管道限制转动机构用于限制管道周向转动，使管道在水平方向自由移动；所述参数测量组件用于测量管道失稳中的数据。

7.根据权利要求6所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试装置，其特征在于：所述管道升降机构包括伺服电机、梯形丝杠、支撑柱和滑动座，所述梯形丝杠安装于支撑柱内，所述滑动座安装于梯形丝杠上，该滑动座与梯形丝杠相互配合，该滑动座在伺服电机的带动下沿着梯形丝杠上下移动；所述支撑柱上设置有两个行程开关，用以控制滑动座上下移动的上下限；所述滑动座带动管道升降。

8.根据权利要求7所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试装置，其特征在于：所述滑动座包括导向滑框和丝杠连接块，所述丝杠连接块位于导向滑框内部，该丝杠连接块通过其内部的螺纹孔与梯形丝杠相连，所述导向滑框和丝杠连接块之间设置有凹字形空腔，该导向滑框通过凹字形空腔套设于支撑柱上。

9.根据权利要求7所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试装置，其特征在于：所述管道限制转动机构包括端板、悬挂杆、螺纹杆和套筒，所述端板焊接于管道两端，所述端板中心位置焊接有端杆，所述端杆水平设置，该端杆通过螺纹杆与悬挂杆相连，所述悬挂杆焊接于套筒侧壁，所述套筒套设于水平梁上，所述水平梁焊接于滑动座上，随滑动座升降，该水平梁端部焊接有限位板。

10.根据权利要求9所述的近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试装置，其特征在于：所述参数测量组件包括激光位移传感器、激光粒子图像测速仪、加速度传感器、水压力传感器、土压力传感器、波高仪和摄像机，所述激光位移传感器安装于悬挂杆端部底侧；所述激光粒子图像测速仪安装于悬挂杆端部上侧；所述水压力传感器等距布置于管道内壁；所述土压力传感器布置于管道外壁下侧；所述加速度传感器等距布置于管道外壁；所述波高仪安装于海床中；所述摄像机安装于海床一侧。

技术总结
本发明提供一种近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性测试方法及装置，包括水槽、管道升降机构、管道限制转动机构和参数测量组件，水槽内的海床可有效模拟海底管道的承压土体，在限制管道周向位移的基础上，采用管道升降机构对管道进行升降移动，改变管道与海床之间的位置关系，可模拟近底、浅埋和埋地等管土关系；采用造波机模拟波浪环境，记录管道在不同位置状态下的失稳过程，同时实时测量稳定性参数，如管道在波浪作用下的水平位移和管道所受水体压力，以及管道失稳过程中下方土样的位移场，通过所测量的数据可分析出近底、浅埋和埋地管道的波浪稳定性情况。

技术研发人员：余杨,张志炜,李振眠,刘晓伟,吴金钊,余建星
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15