一種海底管道側向移動載荷試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明屬于海洋工程【技術領域】，涉及一種海底管道側向往復移動載荷試驗裝置，包括砂槽、試驗管道、滾筒、牽引機構和測力系統，砂槽的上部邊框為矩形，在上部邊框的兩條短邊之間固定有設置有滑塊的兩道滑軌，滑塊間利用桁架結構相互連接；在試驗管道上垂直固定有兩根鋼桿；在靠近砂槽前端的設置有纏繞有兩根適當長度的鋼絲繩的滾筒；在砂槽上部邊框的不同部位固定有用于支撐、導向或轉向鋼絲繩的多個定滑輪；測力系統用于獲取試驗管道受到的側向水平循環載荷。本發明可在研究管-土相互作用機理時使用，可以降低測量裝置產生的誤差，降低試驗的操作難度，提高常規重力場下的試驗精度。
【專利說明】一種海底管道側向移動載荷試驗裝置
所屬【技術領域】
[0001]本發明屬于海底管道試驗【技術領域】，是一種海底管道側向往復移動載荷測試裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，海洋油氣工程逐漸向深海發展。海底管道的正常工作是深海油氣開發的重要保障，而深海海底管道一般裸置(不開溝埋設)于海床表面，或部分埋置。在管內高溫高壓作用下，裸置在海床表面的管道會發生側向屈曲，產生側向移動，海底管道路由發生遷移，適量的側向屈曲可減小軸向壓力，有利于管道的安全，過大的側向移動會導致局部應力超過屈服極限，從而導致管道結構發生破壞，造成重大工程事故。為了研究管道的側向移動，需要深入了解管-土相互作用機理，確定海底管道側向移動過程受到的側向載荷，這是目前研究管道側向移動的關鍵理論與技術問題。由于深海水深達1000米以上，無法進入實際海底測試管道的側向移動載荷，因此需要在實驗室內設計合理的測試裝置和測試技術，測試裸置海底管道的側向移動載荷，揭示海底管道與土壤之間的相互作用機理。
[0003]管-土相互作用試驗一般分為常規重力場下的試驗和離心試驗。其中常規重力場下的試驗可以確定裸置管道、部分埋置管道或完全埋置管道和土壤的作用關系，但是常規重力場試驗不能完全滿足土壤的動力相似關系，導致測量裝置引入的阻尼力數量級較大，甚至在某些工況下接近土壤對管道的作用力，嚴重影響了試驗的誤差控制，而且在常規重力試驗所采用的一般機械加載方式中，約束管道滾動的裝置比較復雜，并且會引入新的阻尼力，增大誤差。在使用應變片或壓力傳感器的試驗中，人員操作的質量和熟練水平對于試驗結果有十分大的影響。離心試驗通過增加模型場的加速度，在保證原型與模型幾何相似的前提下，可保持土體的力學特性相似，模擬出與原模型相等或相近的載荷水平，但是離心試驗前期設備投入較高，經濟效益底，對于解決工程實際問題有一定的局限性。此外，目前國內對于裸置海底管道在砂土表面運動的研究成果多集中于管道單向運動，對于管道往復運動的研究很少。
[0004]本發明開發了一種新型常規重力場下的機械加載-測量裝置，可以測量裸置管道在砂土表面往復運動過程中受到的土壤作用力。測量裝置不與土壤接觸，設置在土壤和滑動系統之間，不會引入額外阻尼力，減少了誤差項、試驗總誤差減小；此外還有多種有益效果，解決了若干試驗難題(詳見(六))。該裝置機構簡單，功能完全，測量效率高，制造成本較低，有較高的經濟效益和工程實用價值。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于開發一種深海海底管道側向移動載荷測試試驗裝置，用于在實驗室內測試海底管道側向往復移動過程的載荷，該裝置可在研究管-土相互作用機理時使用，可以大大降低測量裝置產生的誤差，降低試驗的操作難度，提高常規重力場下的試驗精度，為管-土相互作用試驗提供一個可靠、高效的力學裝置。本發明的技術方案如下:
[0006]一種海底管道側向往復移動載荷試驗裝置，包括鋪有砂土的砂槽(I)、試驗管道
(4)、滾筒(2)、牽引機構和測力系統(19)，試驗管道(4)裸置于砂土表面，其中，
[0007]砂槽(I)的上部邊框(13)為矩形，在上部邊框(13)的兩條短邊之間固定有兩道相互平行的滑軌(9)，在每道滑軌(9)上均設置有兩個滑塊(8)，四個滑塊(8)之間利用一個主體與所述的兩條邊平行的工字型桁架結構(7)相互連接，桁架結構(7)通過滑塊(8)在滑軌(9)上進行水平方向的前后移動；
[0008]在試驗管道(4)靠近中部的位置垂直固定有兩根鋼桿(5)，在兩個鋼桿(5)的上部同樣的高度利用頂絲各固定有一個軸承座出)，軸承座出)固定在桁架結構(7)上；軸承座
(6)通過頂絲的松開或擰緊使得鋼桿(5)和試驗管道(4)在豎直方向自由移動或固定；
[0009]在靠近砂槽(I)前端的位置固定有與砂槽(I)的上部邊框(13)的所述的兩條邊平行平行的滾筒軸(14)，在滾筒軸(14)上設置有圓柱滾筒(2)，在圓柱滾筒(2)上纏繞有兩根適當長度的鋼絲繩；滾筒軸(14)由牽引機構驅動；
[0010]在砂槽(I)上部邊框(13)的前部固定有四個起支撐和導向作用的定滑輪，兩個位于前部的一側，另外兩個位于前部的另一側；在桁架結構(7)的前部和后部各固定兩個起轉向作用的定滑輪(11);在上部邊框(13)的后部固定有兩個起轉向作用的定滑輪(12)，分別位于后部的兩側；從圓柱滾筒(2)引出的第一根鋼絲，經由上部邊框(13)前部的一側固定的一個定滑輪(16)的導向后到達桁架結構(7)前部，再依次經由桁架結構(7)前部的兩個定滑輪(11)轉向180°，最后經由上部邊框(13)前部的另一側固定的一個定滑輪(17)的導向后回到圓柱滾筒(2);在上部邊框(13)的后部固定有兩個起轉向作用的定滑輪，分別位于后部的兩側；從圓柱滾筒(2)引出的第二根鋼絲，經由上部邊框(13)前部的一側固定的一個定滑輪(15)的導向后從桁架結構(7)下方穿過到達上部邊框(13)的后部，再經由位于上部邊框后部的一個定滑輪(12)轉向180°，到達桁架結構(7)后部，再依次經由桁架結構(7)后部的兩個定滑輪(11)轉向180°，之后再經由上部邊框(13)后部的另一個定滑輪(12)轉向180°，最后再次從桁架結構(7)下方穿過經固定在上部邊框前部的另一側的一個定滑輪(18)的導向后回到圓柱滾筒(2)。
[0011]所述的測力系統(19)包括設置在兩根鋼桿(5)上測力傳感器，用于獲取試驗管道受到的側向水平循環載荷。
[0012]其中，牽引機構包括依次連接的變頻器、電機、變速箱和聯軸器，聯軸器另一端與滾筒軸(14)相連。
[0013]所述的測力傳感器為應變片，在每根鋼桿的適當高度處前后各貼一個應變片，接成全橋，通過導線連接到電阻應變儀。
[0014]本發明的突出優點和解決難題:
[0015]1、測力系統(垂直鋼桿及其上的應變片等)不與土壤接觸，不會引入額外的阻尼力，可減小誤差(直接減少誤差項)，提聞試驗精度；
[0016]2、測力系統(垂直鋼桿及其上的應變片等)設置在管道和滑軌之間，使得滑軌的摩擦阻力不會對試驗結果產生影響，可減小誤差(直接減少誤差項)，提高試驗精度；
[0017]3、垂直桿件上端用軸承座固定。當軸承座上設有頂絲。在只研究土壤側向阻力的試驗中，擰緊頂絲，保持固定端約束；在研究管道側向移動時伴隨的升高或沉陷的試驗中，松開頂絲，使垂直鋼桿在豎直方向自由運動。裝置可靠，靈活，在進行不同組別的試驗時，可以高效切換。
[0018]4、垂直鋼桿與試驗管道垂直焊接，側向設肘板支撐，使管道側向移動時不會發生滾動，排除了試驗過程中因管道滾動而產生的測量值減小或突變，提高了試驗的精確度和穩定性。
[0019]5、通過試驗裝置中的滑輪系統，電動機正轉一反轉可以實現管道在砂土表面的往復運動，通過試驗裝置，可以測量試驗管道往復運動時受到的循環載荷，操作簡單，運行高效。在管道往復運動過程中，測量系統輸出的信號通過正負符號反映管道運動方向。
[0020]6、試驗利用定滑輪改變鋼絲繩的牽引方向，不論試驗管道及其上端連接的桁架結構前進還是后退，從定滑輪兩端分別引出的同一根鋼絲繩上的力是相等的，使得試驗管道行進過程中受到的牽引力左右均衡，管道的水平側向移動不會發生偏斜。
[0021]7、電阻應變片貼在垂直鋼桿上，在每根垂直鋼桿的適當高度處前后各貼一個應變片(兩根桿共4個應變片)，接成全橋。試驗前在試驗管道上施加若干單位水平力，標定測量系統采集的輸出信號。有益效果:1)當應變片位置確定之后，信號采集點到試驗管道的距離繼而確定，改變垂直鋼桿上端的固定位置，測量值不會發生改變，提高了試驗精度；2)由于輸入信號與輸出信號的關系通過標定來確定，且試驗均在線彈性范圍內，所以應變片黏貼的對齊程度、豎直程度等對試驗結果不產生影響，排除了因試驗人員的貼片操作引入的試驗誤差，大大提高了試驗精度(直接減少誤差項)。3)由于這種測量方式的優越性，本試驗無需采用高精度測量儀，精度高，成本底，靈活高效，可在工程中得以廣泛應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的管道側向移動試驗裝置整體示意圖；
[0023]圖2為本發明的砂槽一滑軌一牽弓I機構示意圖；
[0024]圖3為本發明的滑動系統示意圖；
[0025]圖4為本發明的桁架結構示意圖；
[0026]圖5為本發明的試驗管道一測量系統示意圖。
[0027]圖中:1、砂槽，2、圓柱滾筒，3、砂土，4、試驗管道，5、垂直鋼桿，6、軸承座，7、桁架結構，8、滑塊，9、滑軌，10、第一組定滑輪(由定滑輪15、定滑輪16、定滑輪17、定滑輪18組成)，11、第二組定滑輪，12、第三組定滑輪，13、砂槽上部邊框，14、滾筒軸，15、測力系統19。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明作進行詳細描述。
[0029]海底管道側向往復移動載荷試驗裝置，包括鋪有砂土 3的砂槽1、牽引機構(圖中未畫出)和圓柱滾筒2，架設在砂槽上部邊框13上的滑動系統，裸置在砂土 3上的試驗管道4，垂直鋼桿5以及桁架結構7等其他裝置。
[0030]砂槽I為長方體，邊框用角鋼焊接，底、前、后、右面鋪設一定厚度的木板，左面為一定強度的玻璃鋼板。砂槽I的上部邊框13為矩形，在上部邊框13的兩條短邊之間固定有兩道滑軌9，在兩道滑軌9上左右各設置有兩個滑塊8，四個滑塊8之間利用一個與所述的兩條短邊平行的桁架結構7相互連接。桁架結構7可以通過滑塊8在滑軌9上進行水平方向的前后移動。在靠近砂槽I前端的位置設有與所述的兩條短邊相互平行的滾筒軸14，在滾筒軸14上固定圓柱滾筒2，圓柱滾筒2上纏繞兩根適當長度的鋼絲繩。
[0031]砂槽I中鋪有適量砂土 3，試驗管道4裸置在砂土 3上。在試驗管道4靠近中部的位置垂直固定有兩根相互平行的鋼桿5，鋼桿5下端與試驗管道4固定處加肘板支撐，且鋼桿5不與土壤接觸。在兩根鋼桿5的上部相同高度處利用頂絲分別固定在一個軸承座6上，軸承座6固定在桁架結構7上。當軸承座6上的頂絲擰緊時，鋼桿5的上端約束形式成為固定端，與祐1架結構固定；當軸承座6上的頂絲松開時,鋼桿5的上端垂向自由度放開,水平自由度仍然約束，試驗管道4和垂直鋼桿5在側向移動過程中可以自由上升或下降。
[0032]砂槽上部邊框13前端固定四個起支撐和導向作用的定滑輪10，后端固定兩個起轉向作用的定滑輪12，桁架結構7前后各固定兩個起轉向作用的定滑輪11。滾筒2引出的第一根鋼絲繩從滾筒2中間靠右出發，穿過第一組定滑輪中的定滑輪16，到達桁架結構7前端，依次穿過桁架結構7前端的兩個定滑輪11，方向改變180°，穿過第一組定滑輪中的定滑輪17，回到滾筒2的中間靠左部分。滾筒2引出的第二根鋼絲繩從滾筒2的右邊出發，穿過第一組定滑輪中的定滑輪15，從桁架結構7下方經過，直到砂槽上部邊框13后端，穿過第三組定滑輪12，方向改變180°，回到桁架結構7后端時，依次穿過桁架結構7后端的兩個定滑輪11，方向改變180°，再次到達砂槽上部邊框13后端，穿過第三組定滑輪12，方向改變180°，從桁架結構7下方經過，穿過第一組定滑輪中的定滑輪18，最終回到滾筒2左邊。不論桁架結構7前進還是后退，只有一跟鋼絲繩拉緊，另一根松弛，并且從定滑輪兩端分別引出的同一根鋼絲繩上的力是相等的，使得在桁架結構7行進過程中左右受力均衡，試驗管道4在水平側向移動過程中不會發生偏斜。
[0033]在兩根垂直鋼桿5上的適當位置處，前后各貼2個(共4個)應變片，應變片接成全橋，通過導線連接電阻應變儀一數據采集儀一計算機，構成測量系統。
[0034]在試驗進行前，要對測量系統進行標定。將軸承座6從桁架結構7上取下，固定在穩定的試驗臺上，把頂絲擰緊，使垂直鋼桿上端成固定端，于試驗管道4的軸所在的水平面內，在試驗管道4上施加垂直于管道的側向水平作用力，逐漸增大作用力，同時標定測力系統19的示數。標定結束后，將軸承座6連同垂直鋼桿5和試驗管道4重新固定在桁架結構7上。
[0035]在試驗過程中，電動機通過變頻器和減速箱降速，拉動滾筒2上的鋼絲繩，帶動滑軌9上的桁架結構7前行，桁架結構7通過軸承座6帶動其下方的垂直鋼桿5和試驗管道4向前移動，并使試驗管道4和砂土 3產生相互作用。應用事先標定的測量系統測量試驗管道受到的砂土 3的側向水平作用力。電動機正轉一反轉，可實現試驗管道4在砂土 3上的往復運動，測量系統可以輸出試驗管道4受到的側向水平循環載荷。
【權利要求】
1.一種海底管道側向往復移動載荷試驗裝置，包括鋪有砂土的砂槽(I)、試驗管道(4)、滾筒(2)、牽引機構和測力系統，試驗管道(4)裸置于砂土表面。其中， 砂槽(I)的上部邊框(13)為矩形，在上部邊框(13)的兩條短邊之間固定有兩道相互平行的滑軌(9)，在每道滑軌(9)上均設置有兩個滑塊(8)，四個滑塊(8)之間利用一個主體與所述的兩條邊平行的工字型桁架結構(7)相互連接，桁架結構(7)通過滑塊(8)在滑軌(9)上進行水平方向的前后移動； 在試驗管道(4)靠近中部的位置垂直固定有兩根鋼桿(5)，在兩個鋼桿(5)的上部同樣的高度利用頂絲各固定有一個軸承座出)，軸承座出)固定在桁架結構(7)上；軸承座(6)通過頂絲的松開或擰緊使得鋼桿(5)和試驗管道(4)在豎直方向自由移動或固定； 在靠近砂槽(I)前端的位置固定有與砂槽(I)的上部邊框(13)的所述的兩條邊平行平行的滾筒軸(14)，在滾筒軸(14)上設置有圓柱滾筒(2)，在圓柱滾筒(2)上纏繞有兩根適當長度的鋼絲繩；滾筒軸(14)由牽引機構驅動； 在砂槽(I)上部邊框(13)的前部固定有四個起支撐和導向作用的定滑輪，兩個位于前部的一側，另外兩個位于前部的另一側；在桁架結構(7)的前部和后部各固定兩個起轉向作用的定滑輪(11);在上部邊框(13)的后部固定有兩個起轉向作用的定滑輪(12)，分別位于后部的兩側；從圓柱滾筒(2)引出的第一根鋼絲，經由上部邊框(13)前部的一側固定的一個定滑輪(16)的導向后到達桁架結構(7)前部，再依次經由桁架結構(7)前部的兩個定滑輪(11)轉向180°，最后經由上部邊框(13)前部的另一側固定的一個定滑輪(17)的導向后回到圓柱滾筒(2);在上部邊框(13)的后部固定有兩個起轉向作用的定滑輪，分別位于后部的兩側；從圓柱滾筒(2)引出的第二根鋼絲，經由上部邊框(13)前部的一側固定的一個定滑輪(15)的導向后從桁架結構(7)下方穿過到達上部邊框(13)的后部，再經由位于上部邊框后部的一個定滑輪(12)轉向180°，到達桁架結構(7)后部，再依次經由桁架結構(7)后部的兩個定滑輪(11)轉向180°，之后再經由上部邊框(13)后部的另一個定滑輪(12)轉向180°，最后再次從桁架結構(7)下方穿過經固定在上部邊框前部的另一側的一個定滑輪(18)的導向后回到圓柱滾筒(2)。 所述的測力系統包括設置在兩根鋼桿(5)上測力傳感器，用于獲取試驗管道受到的側向水平循環載荷。
2.根據權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，牽引機構包括依次連接的變頻器、電機、變速箱和聯軸器，聯軸器另一端與滾筒軸(14)相連。
3.根據權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所述的測力傳感器為應變片，在每根鋼桿的適當高度處前后各貼一個應變片，接成全橋，通過導線連接到電阻應變儀。
【文檔編號】G01N3/38GK104374656SQ201410438850
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】唐友剛, 張少洋, 王臻魁, 張若瑜 申請人:天津大學