無約束管段橫向運動全過程監控測試系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了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；一根空心鋼管或PVC管作為被測管線被填土掩埋或直接放置于試驗槽內；在被測管線的一側設有傳力系統；傳力系統包括傳力板和固接在其下面的三個推板，推板與被測管線垂直，傳力板與加載系統連接。本發明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。
【專利說明】無約束管段橫向運動全過程監控測試系統
【技術領域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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.
[0007]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；
[0008]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I倍管徑；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]在所述試驗槽上沿高度方向設有刻度。
[0013]所述試驗槽是由有機玻璃制成的四周密封槽。
[0014]所述堵頭是由PVC制成的。
[0015]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。
[0016]具體地說，加載系統能夠直接通過控制界面設定加載速率與位移的大小，能夠保證復雜條件下管線與地基土體的相互作用速率保持不變，亦可通過改變管線運動速率的大小，研究運動速率變化對土體抗力的影響。傳力系統主要由推板和傳力板組成，其中推板直接作用于被測管線，使被測管線在豎向與水平徑向處于無約束的運動狀態，從而模擬了工程中管線的真實工作狀態；傳力板上平行設有三個壓力傳感器，加載過程中使各傳感器的輸出壓力相等，可以保證推板對管線施加均布推力；加載系統主要由伺服電機減速器驅動螺旋傳動機構，螺旋傳動機構帶動加力板，加力板通過三個并聯的拉壓力傳感器推動傳力板前行。絲杠與導軌貫穿整個試驗槽保證了整個系統加荷與運動的穩定性。試驗槽由帶刻度的有機玻璃制成，便于觀察管線與地基土體的作用過程及記錄前方土壩的形成高度，研究不同埋深、不同加載速率下土體對管線的阻力；四周密封的試驗槽也可以加水，模擬海底管線的水下工作狀態。數據采集系統可以即時、精確的記錄管線所受的土體阻力大小和管線前方土壩的形成全過程，了解管線橫向運動過程中土阻力的發揮過程。試驗管線為不同管徑的空心鋼管及PVC管，便于加配重鋼筋改變管線重量，以研究不同管徑、不同自重與不同曲率管線所受土體阻力的大小；管線兩端配有棱臺型堵頭與試驗槽兩側內壁接觸，既消除了試驗管線的端部效應，也最大化的減少了管線兩端與試驗槽內壁的摩擦，降低實驗誤差。
[0017]綜上所述，本發明通過室內試驗模型，模擬管線發生橫向運動過程中受到的土體抗力，并測試管土相互作用過程中管線的真實運動路徑與地基土體的變形過程，為海底管線在高溫高壓聯合作用下整體屈曲的研究提供土體抗力的模型。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的結構示意圖；
[0019]圖2為圖1的俯視圖；
[0020]圖3為本發明被測管線的結構示意圖。
[0021]圖中:1、試驗槽；2、伺服電機減速器；3、支架；4、拉壓力傳感器；5、傳力板；6、推板；7、絲杠；8、導軌；9、加力板；10、計算機；11、動靜態應變采集儀；12、攝像機；13、配重鋼筋；14、堵頭；15、被測管線。
【具體實施方式】
[0022]為能進一步了解本發明的
【發明內容】
、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0023]請參閱圖1?圖3，一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1、數據采集系統和試驗管線。
[0024]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15被填土掩埋在所述試驗槽I內，被測管線15內裝有配重鋼筋13，被測管線15內也可不裝配重鋼筋，兩端的堵頭14與所述試驗槽I的內壁接觸，所述被測管線15的下部土體厚度大于I倍管徑。
[0025]在所述被測管線15的一側設有所述傳力系統；所述傳力系統包括傳力板5和固接在其下面的至少兩個推板6，所述推板6與所述被測管線15垂直，所述傳力板5連接在導軌8上，所述導軌8固定在所述試驗槽I的頂面上。
[0026]所述傳力板5與所述加載系統連接，所述加載系統包括加力板9和絲杠7，所述絲杠7通過支架3支撐在所述試驗槽I的頂面上，所述加力板9中心位置固接有螺母，所述螺母通過螺紋連接在所述絲杠7上，所述加力板9的兩端連接在導軌8上，所述絲杠7由伺服電機減速器2驅動，所述加力板9連接在所述導軌8上，所述加力板9與所述傳力板5通過三個并聯的拉壓力傳感器4連接。
[0027]所述數據采集系統包括所述拉壓力傳感器4、一臺動靜態應變采集儀11、一臺計算機10和一臺攝像機12，所述拉壓力傳感器4與所述動靜態應變采集儀11連接，所述動靜態應變采集儀11與所述計算機10連接；所述攝像機13和所述傳力系統分置在所述被測管線15的兩側。
[0028]在本發明中，被測管線處于完全無約束狀態，僅依靠加力板的推動作用使其與土體相互作用。
[0029]在本實施例中，在所述試驗槽I上沿高度方向設有刻度。所述試驗槽I是采用有機玻璃制成的四周密封槽。所述堵頭14采用PVC制成。配重鋼筋的長度為lm，每根配重鋼筋的重量為1.803kg。
[0030]試驗開始前，首先測定填土的物理力學特性，當填土為無粘性土時，需測定的物理力學指標為土體容重、含水率、密實度及天然坡角。通過控制土體的密實度將其裝入試驗槽內，根據有限元的計算結果可知，管線橫向運動產生的土體塑性區域在深度方向小于I倍管徑，因此管線的下部土體厚度應大于I倍管徑，然后安放試驗管段，管段上覆土體厚度按照試驗需要填入，可取為1/4倍、1/2倍、I倍管徑；當填土為粘性土時，需測定的物理力學指標為土體容重、含水率、塑限、液限及抗剪強度，通過控制土體的含水率和容重將其裝入試驗槽內，且下部土體厚度大于I倍管徑，然后安放試驗管段，上覆土體厚度按照試驗需要分別取1/4倍、1/2倍、I倍管徑。填土及試驗管段安放完成后，將加載系統、傳力系統、數據采集系統如圖1進行連接。
[0031]試驗開始后，依次啟動計算機、動靜態應變儀。首先對應變儀進行平衡、清零，而后打開伺服電機設定試驗加荷速率，可按照lmm/S、2mm/S和10mm/S的運動速率推動管線做橫向運動，打開攝像機準備記錄管線運動過程。管線開始運動后，應變儀采集管線的位移與受到的土體抗力，攝像機監測管線運動全過程的運動軌跡及土體的變形規律。
[0032]試驗結束后，依次關閉伺服電機、應變儀及攝像機，整理試驗數據。
[0033]盡管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種無約束管段橫向運動全過程監控測試系統，其特征在于，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I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。
2.根據權利要求1所述的無約束管段橫向運動全過程監控測試系統，其特征在于，在所述試驗槽上沿高度方向設有刻度。
3.根據權利要求1所述的無約束管段橫向運動全過程監控測試系統，其特征在于，所述試驗槽是由有機玻璃制成的四周密封槽。
4.根據權利要求1所述的無約束管段橫向運動全過程監控測試系統，其特征在于，所述堵頭是由PVC制成的。
【文檔編號】G01N3/00GK104075936SQ201410322758
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】劉潤, 劉文彬, 洪兆徽, 王樂, 紀玉誠 申請人:天津大學