海底管段循环加载监控测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海底管线在运营过程中稳定性的设计领域，特别是一种海底管段循环加载监控测试系统。
【背景技术】
[0002]我国每年的石油需求已经超过4亿吨，然而我们每年能生产的却只有1.9亿吨左右，对于进口原油的依赖十分严重。然而我国周边海域富含丰富的油气资源，却尚未开发，为了进一步减少对进口原油的依赖程度，需要大力开展海洋油气资源的开发。
[0003]管线运输在原油、天然气的生产、精炼、储存及使用的全过程中都起到了重要的作用。为了避免在运输过程中石蜡分馏产生的固化影响降低运输难度，海底油气的运输通常需要在温度和压力的联合作用下进行，由于温差和压差的作用，管壁中会产生较大的附加应力，由于受到海底地基土体的约束，管线的自由变形受到限制，致使管壁中的附加应力不断累积最终导致整体屈曲的发生，从而对管线的稳定性造成威胁，为了研宄管线的稳定性问题，诸多学者对相关问题进行了针对性的研宄，提出具有代表性的管线与土体的相互作用模型，但是这些管-土相互作用模型针对的只是管线发生小位移情况，土体抗力与管线水平向位移间的相互关系，管线的最大水平向位移往往不超过两倍管径。在实际情况中，管线的水平向位移能够达到5到20倍管径。此时小位移管-土相互作用模型就不再适用了，与此同时，在海底管线的服役过程中需要进行数百次的开关过程，由于温差和压差的变化，管线会在水平方向上进行往复运动，海底管线的稳定性设计中必须考虑这些问题。因此对于管线水平向大位移往复运动的研宄就具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种海底管段循环加载监控测试系统，该系统能够模拟海底管线发生水平向大位移往复运动时，管线运动轨迹与受到地基土体约束力之间相互关系。
[0005]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种海底管段循环加载监控测试系统，包括试验槽、动力传输装置、数据采集装置、竖向变位装置和实验配件；所述实验配件包括多根直径各不相同的钢管段和铁砂，所述钢管段的长度小于所述试验槽的内腔宽度，在所述钢管段的两端设有堵头，在所述钢管段的侧壁上设有填砂口，在所述填砂口上设有门扇，所述门扇通过合页与所述钢管段的外壁连接，在所述钢管段内形成有容纳所述铁砂的腔室；试验时，一根所述钢管段作为被测管段被填土掩埋或直接放置在所述试验槽内，所述被测管段沿所述试验槽的宽度方向设置；在所述被测管段上方设有所述竖向变位装置，所述竖向变位装置包括固接在所述被测管段上方的连接板，在所述连接板的四个角部各设有一与其垂直的竖向导轨，在所述竖向导轨上设有滑块I，所述滑块I与传力板固接，在所述传力板的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块II，所述滑块II装配在水平纵向导轨上，所述水平纵向导轨沿所述试验槽的长度方向固定在所述试验槽的顶面上，在所述传力板和所述连接板之间连接有深度传感器或千分表，在所述连接板上设有中部减重长孔；所述传力板与所述动力传输装置连接，所述动力传输装置包括加力板和丝杠，所述丝杠通过支架支撑在所述试验槽的顶面上，所述加力板上固接有螺母，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述丝杠由伺服电机减速器驱动，所述伺服电机减速器由控制器控制；所述加力板通过滑块III连接在所述水平纵向导轨上，所述加力板与所述传力板通过拉压力传感器连接；所述数据采集系统包括所述拉压力传感器、所述深度传感器或所述千分表、一台动静态应变采集仪、一台计算机和一个摄像头，所述拉压力传感器和所述深度传感器或所述千分表分别与所述动静态应变采集仪连接，所述动静态应变采集仪和所述摄像头分别与所述计算机连接；所述摄像头固定在支撑杆上并获取所述被测管段运动方向前部土体的影像，所述支撑杆固定在所述传力板上。
[0006]所述试验槽的四周是密封的，所述试验槽的侧壁是采用钢化玻璃制成的，在所述试验槽的侧壁上设有沿高度方向设置的刻度。
[0007]所述堵头是由封闭板形成的。
[0008]本发明具有的优点和积极效果是:通过将被测管段固定在竖向变位装置下方，并采用丝杠螺母机构带动竖向变位装置，使被测管段能够模拟海底管线水平向大位移往复运动，进而完成该运动时管线运动轨迹与受到地基土体约束力之间相互关系的测定。本发明将被测管段同动力传输装置和竖向变位装置相连接，通过与数据采集装置以及相关试验配件的相互配合，能够有效地模拟管段在土体中的水平向循环往复运动过程。通过改变试验条件，能够分析研宄被测管段外径、单位长度管段重量、管段水平方向的移动速率、管段的初始埋置深度、管段单向运动的距离、管段循环往复运动的次数以及土体物理性质对于管段运动轨迹以及管段所受水平抗力的变化情况。其中竖向变位装置使得被测管段在水平向移动的过程中可以上下移动，尽可能地模拟了海底管线的真实运动轨迹。通过动力传输装置不仅可以设置被测管段的运动距离的大小还可确保被测管段运动速率按照试验要求变化，可以定速移动也可以在试验过程中分段变速运动，大大增大了试验的可控性，能够细化分析研宄过程。与此同时，钢制连接板、丝杠以及水平纵向导轨能够确保整个传力系统沿着水平方向移动，能够保证试验过程的稳定性，增强试验数据的可靠性。
[0009]在试验过程中，数据采集系统记录下每一时刻被测管段水平向位移、竖直向位移以及受到的水平向抗力的变化情况，并将每一时刻的数据变化情况通过计算机及时而又直观地显示在试验操作人员面前，能够方便及时调整试验过程。同时，摄像头记录下了被测管段与地基土体的作用过程以及被测管段运动方向前部土坝的形成过程，能够用于研宄不同试验条件下土阻力以及被测管段的运动情况。
【附图说明】
[0010]图1为本发明的结构示意图；
[0011]图2为图1的侧视图；
[0012]图3为本发明的竖向变位装置结构示意图；
[0013]图4为本发明的钢管段示意图；
[0014]图5采用本发明测定的不同重量管线在无初始埋置深度时的抗力位移曲线图；
[0015]图6采用本发明测定的不同重量管线在无初始埋置深度时的运动轨迹曲线图。
[0016]图中:1、伺服电机减速器；2、支架；3、拉压力传感器；4、加力板；5、竖向导轨；6、传力板；7、连接板；8、丝杠；9、水平纵向导轨；10、控制器；11、摄像头；12、计算机；13、动静态应变采集仪；14、试验槽；15、被测管段；16、门扇；17、合页；18、滑块I ;19、滑块II ;20、滑块III。
【具体实施方式】
[0017]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0018]请参阅图1?图4，一种海底管段循环加载监控测试系统，包括试验槽14、动力传输装置、数据采集装置、竖向变位装置和试验配件。
[0019]所述试验配件包括多根直径各不相同的钢管段和铁砂，所述钢管段的长度小于所述试验槽14的内腔宽度，在所述钢管段的两端设有堵头，在所述钢管段的上部侧壁上设有填砂口，在所述填砂口上设有门扇16，所述门扇16通过合页17与所述钢管段的外壁连接，在所述钢管段内形成有容纳所述铁砂的腔室。
[0020]铁砂是用来增加钢管段重量的。在本实施例中，钢管段的长度均为lm，在钢管段上部设置一个可以自由开关的门扇，能够方便试验过程中铁砂的添加，从而减小试验操作的难度，减少试验所用时间，通过添加铁砂可以使钢管段的重量从空心重量到完全实心重量的较大范围内变化，有利于模拟各种重量的被测管段运动情况。被测管段采用管径不同且两侧密封的空心钢管，被测管段上部开填砂口便于试验过程中添加铁砂，以便研宄不同管径、不同自重与不同曲率被测管段所受土体阻力的大小；被测管段两端的堵头与试验槽两侧内壁不接触，既消除了被测管段端部对前方土坝的端部效应，也最大化地减少了被测管段两端与试验槽内壁的摩擦，能够降低试验误差。
[0021]试验时，一根所述钢管段作为被测管段15被填土掩埋或直接放置在所述试验槽14内，所述被测管段15沿所述试验槽14的宽度方向设置。
[0022]在所述被测管段15上方设有所述竖向变位装置，所述竖向变位装置包括固接在所述被测管段15上方的连接板7，在所述连接板7的四个角部各设有一与其垂直的竖向导轨5，在所述竖向导轨5上设有滑块I 18，所述滑块I 18与传力板6固接，在所述传力板6的下方左右两侧各设有一个与其固接的滑块II 19，所述滑块II 19装配在水平纵向导轨9上，所述水平纵向导轨9沿所述试验槽14的长度方向固定在所述试验槽14的顶面上，在