[發明專利]無約束管段橫向運動全過程監控測試系統

有效

• 申請號: 201410322758.7
• 申請日: 2014-07-08
• 公開（公告）號: CN104075936A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 劉潤;劉文彬;洪兆徽;王樂;紀玉誠
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張金亭

技術領域

本發明涉及海底管線在運營過程中強度與穩定性的設計領域，特別是一種無約束管段橫向運動全過程監控測試系統。

背景技術

海洋資源的開發是我國未來油氣資源的主要增長點。管線運輸在原油、天然氣的生產、精煉、儲存及使用的全過程中都起到了重要的作用。為了避免在運輸過程中石蠟分餾產生的固化影響并降低運輸難度，海底油氣的運輸通常需要升溫和加壓，在溫度和壓力的聯合作用下，管壁中會產生較大的附加應力，由于受到海底地基土體的約束，管線的自由變形受到限制，致使管壁中的附加應力不斷累積最終導致整體屈曲的發生，從而對管線的穩定性造成威脅。

在溫壓聯合作用下導致管線整體屈曲這一問題中，地基土體對管線的約束力至關重要。一方面，正是由于地基土體的阻力約束了管線的自由變形，導致管線內部的附加應力累積，當累積的附加應力大于管線材料的屈服應力時，管線由于屈服而破壞；另一方面較大的附加應力也會使海底管線產生類似于壓桿穩定的整體屈曲，影響其在位穩定性，在管線整體屈曲的變形過程中，土體對管線橫向變形產生約束，且約束力隨著管線變位的情況而變化，這就決定了管線橫向屈曲的變化過程與特征。由此可見，土體對管線約束力的研究是解釋管線整體屈曲特性的根源。研究結果表明，地基土阻力的作用決定了管線內部附加應力的大小與分布，并控制著管線整體屈曲的形態與節奏。實際工程中，土體對管線的約束力受管線入土深度、土體特性、管線自重及管-土相互作用速率等多種因素的影響。

為了給管線的整體屈曲穩定性設計提供依據，建立多因素作用下土抗力的計算方法，當前非常需要一種無約束管段橫向運動全過程監控測試系統，用于在室內模擬管線在實際工作中的無約束狀態，通過室內模型試驗模擬管線在土體中橫向運動的過程。

發明內容

本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種無約束管段橫向運動全過程監控測試系統，該系統能夠測定管線發生橫向無約束運動時的管線位移與受到地基土體約束力的大小，能夠模擬各種埋設條件下管線在地基土中運動的真實路徑及土體的變形過程，以測定管線的運動軌跡，土體的變形形態及土體對管線約束力的大小，研究管線入土深度、土體物理力學性質、管線自重及管線運動速率、曲率等多種因素對土體抗力的影響，為管線整體屈曲的設計提供土體抗力的數據。

本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：一種無約束管段橫向運動全過程監控測試系統，包括加載系統、傳力系統、試驗槽、數據采集系統和試驗管線；

所述試驗管線包括多組空心鋼管、PVC管及其配重鋼筋，所述空心鋼管及PVC管的兩端設有堵頭，所述配重鋼筋被所述堵頭封堵在相應的所述空心鋼管及PVC管內；同組空心鋼管及PVC管的直徑相同，同組空心鋼管及PVC管內所配的鋼筋數量不同；

任意一根所述空心鋼管或PVC管作為被測管線被填土掩埋或直接放置在所述試驗槽內，被測管線兩端的堵頭與所述試驗槽的內壁接觸，所述被測管線的下部土體厚度大于1倍管徑；

在所述被測管線的一側設有所述傳力系統；所述傳力系統包括傳力板和固接在其下面的三個推板，所述推板與所述被測管線垂直，所述傳力板連接在導軌上，所述導軌固定在所述試驗槽的頂面上；

所述傳力板與所述加載系統連接，所述加載系統包括加力板和絲杠，所述絲杠通過支架支撐在所述試驗槽的頂面上，所述加力板上固接有螺母，所述螺母通過螺紋連接在所述絲杠上，所述絲杠由伺服電機減速器驅動，所述加力板連接在所述導軌上，所述加力板與所述傳力板通過三個并聯的拉壓力傳感器連接；

所述數據采集系統包括所述拉壓力傳感器、一臺動靜態應變采集儀、一臺計算機和一臺攝像機，所述拉壓力傳感器與所述動靜態應變采集儀連接，所述動靜態應變采集儀與所述計算機連接；所述攝像機和所述傳力系統分置在所述被測管線的兩側。

在所述試驗槽上沿高度方向設有刻度。

所述試驗槽是由有機玻璃制成的四周密封槽。

所述堵頭是由PVC制成的。

本發明具有的優點和積極效果是：能夠模擬管線在實際使用中豎向及水平向完全無約束的運動狀態，通過加載系統、傳力系統、試驗槽、數據采集系統和試驗管線五個組成部分的相互配合，可以有效模擬管線在地基土體中橫向運動的過程，并研究管線入土深度、土體物理力學性質、管線自重及管線運動速率、曲率等多種因素條件下土體抗力的大小。