[發(fā)明專利]模擬海底管系結(jié)構與海床土體軸向相互作用的方法及裝置

有效

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• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN103969068A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設計）人: 高福平;汪寧;胡存;臧志鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發(fā)明涉及海洋油氣工程、海洋土力學、海底管道工程等技術領域，特別涉及模擬海底管系結(jié)構與海床土體軸向相互作用的方法及裝置。

背景技術

海底管道和海底光纜等管系結(jié)構已被廣泛用于海洋油氣輸運及通訊信號傳輸。如何確保海底管系結(jié)構的在位穩(wěn)定性是海洋工程設計和安全運營面臨的關鍵問題。對于在水平海床上鋪設的海底管道而言，側(cè)向和垂向管土相互作用是管道在位穩(wěn)定性的主要內(nèi)涵，國際上已進行了較為系統(tǒng)深入的研究。然而，海床地形地貌復雜多變，我國南海海域分布著大陸坡斜坡海床及深水盆地。海床地表坡度的存在對海底管系結(jié)構的在位穩(wěn)定性分析設計提出了更高要求。順坡鋪設的海底管道當受到水下重力作用時，可引起軸向整體屈曲等結(jié)構失穩(wěn)問題。

對于斜坡鋪設的海底管系結(jié)構而言，海床土體提供的軸向抗滑力是保證管道軸向穩(wěn)定的關鍵因素。當軸向抗滑力不足以平衡管道軸向外力時，長距離鋪設的海底管道的結(jié)構內(nèi)力將沿管軸進行傳遞并累積，最終導致管道因軸向壓力過大而發(fā)生整體屈曲，甚至發(fā)生斷裂而造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。

抗滑力的大小與多種因素有關：根據(jù)經(jīng)典摩擦理論，抗滑力的大小與管道的水下重量、管道嵌入床面的深度以及表面的粗糙系數(shù)正相關。而對于低滲透系數(shù)的海床，當管道沿軸向快速運動時，產(chǎn)生的孔隙水壓力消散不及，將減小管道與土顆粒之間的有效接觸應力，從而降低管道的抗滑能力。

可見，針對海底管道和海床間軸向相互作用的研究對于管道結(jié)構穩(wěn)定性具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

為實現(xiàn)對海底管道和海床間軸向相互作用的研究，本發(fā)明提供一種模擬海底管系結(jié)構與海床土體軸向相互作用的方法及裝置。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種模擬海底管系結(jié)構與海床土體軸向相互作用的方法，其包括以下步驟：（1）選一模型管道，根據(jù)需要給模型管道配重，然后在模型管道上安裝測量其軸向滑動阻力的拉力傳感器，并在模型管道表面固定所需粗糙度的防水砂紙；（2）選一水槽，然后在水槽內(nèi)制造出所需坡度的模擬海床；（3）給模型管道安裝導向約束裝置，使模型管道只能在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向平動，同時在導向約束裝置上安裝測量模型管道沿其軸向及垂直模擬海床床面方向位移的位移測量裝置，然后將模型管道置于水槽內(nèi)的模擬海床上；（4）沿模型管道軸向?qū)δＰ凸艿兰虞d，使模型管道軸向滑動，同時，用數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)同步采集模型管道的軸向位移值、模型管道在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。

一種模擬海底管系結(jié)構與海床土體軸向相互作用的裝置，其包括水槽、模擬海床、模型管道、導向約束裝置、管道軸向加載裝置、管道軸向位移測量裝置、管道沉降測量裝置、管道軸向滑動阻力測量裝置和數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，所述模擬海床位于水槽內(nèi)，所述模型管道置于模擬海床上，所述導向約束裝置用于將模型管道的運動約束在模型管道軸向及垂直模擬海床床面方向，所述管道軸向加載裝置用于對模型管道軸向牽引，管道軸向位移測量裝置、管道沉降測量裝置和管道軸向滑動阻力測量裝置均與數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)用于同步采集模型管道的軸向位移值、模型管道在垂直模擬海床床面方向上的位移值和模型管道軸向滑動阻力值。

優(yōu)選地，所述模型管道由彼此分離的牽引管頭和管道測試段活動拼接而成，所述管道軸向滑動阻力測量裝置為拉力傳感器，所述拉力傳感器置于模型管道內(nèi)，且位于牽引管頭和管道測試段之間，拉力傳感器的兩端分別與牽引管頭和管道測試段連接。

優(yōu)選地，所述導向約束裝置包括安裝平臺，水平導軌、水平滑塊、豎直導軌、豎直滑塊和固定連接件，所述安裝平臺固定設置且其傾角可調(diào)，所述水平導軌固定在安裝平臺上，所述水平滑塊滑動地設置在水平導軌上，所述豎直導軌固定在水平滑塊上，所述豎直滑塊滑動地設置在豎直導軌上，且豎直滑塊通過固定連接件與模型管道固定連接。

優(yōu)選地，所述管道軸向加載裝置包括鋼索、定滑輪組和可調(diào)速步進電機，所述鋼索繞過定滑輪組，鋼索的一端與可調(diào)速步進電機的動力輸出部分連接，鋼索的另一端與模型管道的牽引管頭連接。

優(yōu)選地，所述管道軸向位移測量裝置包括第一激光位移傳感器和第一反射板，所述第一激光位移傳感器固定在安裝平臺上，所述第一反射板固定在水平滑塊上，第一激光位移傳感器和第一反射板正對。

優(yōu)選地，所述管道沉降測量裝置包括第二激光位移傳感器和第二反射板，所述第二激光位移傳感器固定在豎直導軌上，第二反射板固定在豎直滑塊上，第二激光位移傳感器和第二反射板正對。

優(yōu)選地，所述管道測試段的中心設置有管軸，所述管軸為不銹鋼螺桿，所述管軸上旋合有盤形配重。