專利名稱：一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及近海工程、海洋土力學(xué)、海底管道工程等，特別是關(guān)于一種斜 坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置。
背景技術(shù)：
海底管道是海洋石油開發(fā)過程中輸送油氣的有效工具。在海流載荷下，斜坡海 床上與斜坡海床傾斜方向垂直，水平鋪設(shè)的管道將受到平行于海床的拖曳力和垂直于海 床的升力的水動力作用；同時，管道還受到其下方土體提供的垂直于海床的支持力和在 位阻力，以及自身重力的作用，當(dāng)土體在位阻力不足以平衡海流引起的拖曳力時，管道 將產(chǎn)生大的水平位移而失穩(wěn)。在斜坡海床上與斜坡海床傾斜方向平行鋪設(shè)的管道，由于 自身重力的作用，存在向下滑動的趨勢，管道受到自重、下方土體支持力和管_ 土摩擦 力作用，當(dāng)管-土摩擦力不足以平衡管道自重時，需要在管道上施加一額外拉力，當(dāng)這 個拉力達(dá)到一定程度時，可能會造成管道損壞。由此可見，直接鋪設(shè)于海床上的海底管 道，在海洋環(huán)境載荷下的在位穩(wěn)定性，關(guān)系到管道系統(tǒng)能否正常運營，因此，鋪設(shè)管道 之前模擬管道在海底的受力狀況及驗證其在位穩(wěn)定性尤為重要。
發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機 械加載模擬裝置，該裝置可模擬海流載荷下，斜坡海床上管道的受力狀況及驗證管道的 在位穩(wěn)定性。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術(shù)方案一種斜坡海床上管道在位穩(wěn) 定性的機械加載模擬裝置，其特征在于它包括一透明土槽，所述土槽內(nèi)設(shè)置有一上表 面傾斜的土體，所述土體上表面鋪設(shè)有一模型管道；所述模型管道上設(shè)置有一用于施加 拉力的機械加載裝置；所述機械加載裝置上設(shè)置有拉力傳感器、與土體上表面垂直的垂 向激光位移傳感器、與土體上表面平行的平行激光位移傳感器。所述模型管道與所述土體的傾斜方向垂直，水平鋪設(shè)在所述土體上表面，所述 機械加載裝置包括分別設(shè)置在所述土槽兩相對側(cè)壁上的豎向支撐結(jié)構(gòu)，兩所述支撐結(jié)構(gòu) 上設(shè)置有一位于所述模型管道上方、且與所述土體上表面平行的斜梁；所述斜梁底面設(shè) 置有滑動軌道，所述滑動軌道上設(shè)置有一滑塊；所述平行激光位移傳感器設(shè)置在所述土 體高起端的所述支撐結(jié)構(gòu)上，所述垂向激光位移傳感器設(shè)置在所述斜梁的底面；所述 滑塊豎向設(shè)置有兩連接所述模型管道兩軸端的拉索，每一拉索上設(shè)置有一所述拉力傳感 器，所述滑塊沿所述斜梁方向設(shè)置另一拉索，該拉索通過依次設(shè)置在所述支撐結(jié)構(gòu)上的 兩個定滑輪，連接一設(shè)置在所述土槽外部的電機。所述兩定滑輪分別設(shè)置 在所述土體高起端的所述支撐結(jié)構(gòu)上。所述兩定滑輪分別設(shè)置在所述土體低端的所述支撐結(jié)構(gòu)上。所述滑塊移動方向后端的滑動軌道上設(shè)置有一防滾裝置，所述防滾裝置的另一端分別連接所述模型管道兩端面。所述模型管道與所述土體的傾斜方向一致，鋪設(shè)在所述土體上表面，所述機械 加載裝置包括一設(shè)置在所述土槽頂部的橫梁，設(shè)置在所述土槽側(cè)壁上的支撐結(jié)構(gòu)，所述 平行激光位移傳感器設(shè)置在所述土體高起端的所述支撐結(jié)構(gòu)上，所述垂向激光位移傳感 器設(shè)置在所述橫梁的底面；所述模型管道端部設(shè)置有一拉索，所述拉索通過設(shè)置在所述 支撐結(jié)構(gòu)上的定滑輪連接設(shè)置在所述土槽外部的電機；所述模型管道與所述定滑輪之間 的拉索上設(shè)置有所述拉力傳感器。所述拉索設(shè)置在所述模型管道的上端部，所述定滑輪設(shè)置在所述土體高起端的 所述支撐結(jié)構(gòu)上。所述拉索設(shè)置在所述模型管道的下端部，所述定滑輪設(shè)置在所述土體低端的所 述支撐結(jié)構(gòu)上。 本實用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本實用新型由于在土 槽內(nèi)進(jìn)行模擬試驗，而土槽四周側(cè)壁采用透明的鋼化玻璃制成，因此，可以便于測量過 程中，觀察土槽內(nèi)模型管道的狀況。2、本實用新型由于在與土體上表面的傾斜方向垂 直，水平鋪設(shè)模型管道時，可以在斜梁底面設(shè)置用于測量垂向位移的垂向激光位移傳感 器，在模型管道和滑塊之間設(shè)置拉力傳感器，在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置用于測量沿斜坡方向位 移的平行激光位移傳感器，因此，可以通過上述設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，分析出海底管道的穩(wěn) 定性情況。3、本實用新型在與土體上表面的傾斜方向垂直，水平鋪設(shè)模型管道時，可 以在模型管道兩側(cè)設(shè)置防滾裝置，以模擬模型管道在失穩(wěn)時僅發(fā)生平動，而不發(fā)生轉(zhuǎn)動 的情況；也可以不設(shè)置防滾裝置，以模擬模型管道在失穩(wěn)時，發(fā)生自由轉(zhuǎn)動和平動的情 況。4、本實用新型由于在與土體上表面的傾斜方向一致，鋪設(shè)模型管道時，在橫梁底面 設(shè)置用于測量垂向位移的垂向激光位移傳感器，在拉動模型管道的拉索上設(shè)置拉力傳感 器，在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置用于測量沿斜坡方向位移的水平激光位移傳感器，因此，可以通 過上述設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，分析出海底管道的抗滑動阻力及穩(wěn)定性情況。5、本實用新型 可以通過設(shè)置在土槽外部的電機，對模型管道施加向上或向下的拉力，因此，可用于模 擬沿斜坡海床向上流動的海流對管道的水平拖曳力和垂向升力。本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計巧 妙，操作方便，易于實現(xiàn)，可廣泛用于斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的模擬測量過程中。

圖1是本實用新型裝置操作方案一結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實用新型裝置操作方案二結(jié)構(gòu)示意圖圖3是本實用新型裝置操作方案三結(jié)構(gòu)示意圖圖4是本實用新型裝置操作方案四結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1 4所示，本實用新型的裝置包括一土槽1，土槽1的四周側(cè)壁為透明的 鋼化玻璃。土槽1內(nèi)預(yù)置有一上表面具有一定傾斜角度的土體2，用于模擬斜坡海床。土 體2上表面鋪設(shè)有一模型管道3 ；模型管道3上設(shè)置有一用于施加拉力的機械加載裝置；機械加載裝置上設(shè)置有拉力傳感器4、與土體2上表面垂直的垂向激光位移傳感器5、與土體2上表面平行的平行激光位移傳感器6。如圖1、圖2所示，當(dāng)模型管道3與土體2上表面的傾斜方向垂直，水平鋪設(shè)在 土體2上表面時，機械加載裝置包括分別設(shè)置在土槽1兩相對側(cè)壁上的豎向支撐結(jié)構(gòu)7， 兩支撐結(jié)構(gòu)7上設(shè)置有一位于模型管道3上方、且與土體2上表面平行的斜梁8;斜梁8 底面設(shè)置有滑動軌道，滑動軌道上設(shè)置有一滑塊9?；瑝K9豎向設(shè)置有兩連接模型管道3 兩軸端的拉索10，拉力傳感器4設(shè)置在模型管道3與滑塊9之間的每一拉索10上?；?塊9沿斜梁8方向設(shè)置另一拉索11，拉索11通過依次設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)7上的兩個定滑輪 12，連接一設(shè)置在土槽1外部的電機13。垂向激光位移傳感器5設(shè)置在斜梁8的底面， 平行激光位移傳感器6設(shè)置在土體2高起端的支撐結(jié)構(gòu)7上。上述實施例中，模型管道3可以沿土體2上表面發(fā)生轉(zhuǎn)動和平動，為了防止模型 管道3轉(zhuǎn)動，滑塊9移動方向后端的滑動軌道上可以設(shè)置有一防滾裝置14，防滾裝置14 的另一端分別連接模型管道3兩端面。上述實施例中，如圖1所示，兩定滑輪12可以分別設(shè)置在土體2高起端一側(cè)的 支撐結(jié)構(gòu)7上，通過拉索11對模型管道3施加沿土體2上表面向上的斜拉力。上述實施例中，如圖2所示，兩定滑輪12可以分別設(shè)置在土體2低端一側(cè)的支 撐結(jié)構(gòu)7上，通過拉索11對模型管道3施加沿土體2上表面向下的斜拉力。如圖3、圖4所示，當(dāng)模型管道3與土體2上表面的傾斜方向一致，鋪設(shè)在土體 2上表面時，機械加載裝置包括一設(shè)置在土槽1頂部的橫梁15，設(shè)置在土槽1側(cè)壁上的支 撐結(jié)構(gòu)7，平行激光位移傳感器6設(shè)置在土體2高起端的支撐結(jié)構(gòu)7上，垂向激光位移傳 感器5設(shè)置在橫梁15的底面；模型管道3端部設(shè)置有一拉索16，拉索16通過設(shè)置在支 撐結(jié)構(gòu)7上的定滑輪12連接設(shè)置在土槽1外部的電機13 ；拉力傳感器4設(shè)置在模型管道 3與定滑輪12之間的拉索16上。上述實施例中，如圖3所示，僅土體2高起端一側(cè)設(shè)置有一支撐結(jié)構(gòu)7，拉索16 設(shè)置在模型管道3的上端部，定滑輪12設(shè)置在該支撐結(jié)構(gòu)7上。上述實施例中，如圖4所示，土體2高起端和低端分別設(shè)置有一支撐結(jié)構(gòu)7，拉 索16設(shè)置在模型管道3的下端部，定滑輪12設(shè)置在土體2低端一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)7上。上述實施例中，土槽1外部還可以設(shè)置有一粒子圖像測速儀，通過粒子圖像測 速儀可以測試模型管道3下方，土顆粒的位移、速度以及其他數(shù)據(jù)。上述實施例中，電機13可以是步進(jìn)電機，也可以是伺服電機。本實用新型裝置主要包括以下四種操作方案。操作方例一，如圖1所示，其包括以下步驟1)采用砂雨法制備土體2，使土體2上表面達(dá)到給定的傾斜角度，以模擬斜坡海 床。2)與土體2上表面的傾斜方向垂直，在土體2上表面水平鋪設(shè)模型管道3，當(dāng)模 型管道3與土體2上表面剛剛接觸時，釋放模型管道3使其在土體2上表面產(chǎn)生初始沉 降，同時啟動斜梁8底部的垂向激光位移傳感器5，通過垂向激光位移傳感器5，測量模 型管道3在土體2上表面的初始沉降量，即模型管道3的垂向位移。3)在模型管道3兩端分別設(shè)置防滾裝置14，以模擬模型管道3在失穩(wěn)時，沿土體2上表面僅發(fā)生平 動，而不發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況；或者不設(shè)置防滾裝置14，直接施加拉力 在模型管道3兩軸端中心上，可以模擬模型管道3在失穩(wěn)時，沿土體2上表面發(fā)生自由轉(zhuǎn) 動和平動的情況。4)開啟電機13 (位移控制給定電機13轉(zhuǎn)速)，通過滑塊9斜上方設(shè)置的拉索 11拉動模型管道3，對模型管道3施加機械斜拉力，以模擬沿斜坡海床向上流動的海流對 管道的水平拖曳力和垂向升力，拉力的傾角可調(diào)，以模擬海流對管道施加的水平拖曳力 和垂直升力的不同比值。5)通過設(shè)置在模型管道3與滑塊9之間拉索10上的拉力傳感器4，測量施加在 模型管道3上的拉力；通過設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)7上的平行激光位移傳感器6，測量模型管道 3在位失穩(wěn)過程中，平行于土體2上表面傾斜方向的位移；通過設(shè)置在斜梁8底部的垂向 激光位移傳感器5，測量模型管道3在位失穩(wěn)過程中，在土體2上表面的附加沉降量，即 垂向位移。6)通過增減配重塊，改變單位長度的模型管道3的水下重量，返回步驟2)進(jìn)行 不同模型管道3重量的模擬分析。7)通過上述步驟中測量的所有數(shù)據(jù)即可分析出不同海底管道的穩(wěn)定性情況。操作方例二與操作方例一的不同之處在于如圖2所示，步驟4)中，開啟電機 13，通過滑塊9斜下方設(shè)置的拉索11拉動模型管道3，對模型管道3施加機械斜拉力，以 模擬沿斜坡海床向下流動的海流對管道的水平拖曳力和垂向升力，拉力的傾角可調(diào)，以 模擬海流對管道施加的水平拖曳力和垂直升力的不同比值。在上述操作方例一和操作方例二中，由于用于測量模型管道3平行位移和垂向 位移的平行激光位移傳感器6和垂向激光位移傳感器5，位于水面上，因此，可以在模型 管道3兩端的防滾裝置14上設(shè)置高于水面的附屬參考物，通過測量附屬參考物沿著土體 上表面方向的位移和垂直于土體上表面的位移，進(jìn)而得到水面以下模型管道3的平行位 移和垂向位移。上述操作方例一和操作方例二中的步驟5)中，還可以通過設(shè)置在土槽1外部的 粒子圖像測速儀，透過透明邊壁測量模型管道3在位失穩(wěn)過程中，在下方土體2上的位移 場。操作方例三如圖3所示，其包括以下步驟1)采用砂雨法制備土體2，使土體2上表面達(dá)到給定的傾斜角度，以模擬斜坡海 床。2)與土體2上表面的傾斜方向一致，在土體2上表面鋪設(shè)模型管道3，當(dāng)模型管 道3與土體2上表面剛剛接觸時，釋放模型管道3使其在土體2上表面產(chǎn)生初始沉降，同 時啟動橫梁15底部的垂向激光位移傳感器5，通過垂向激光位移傳感器5測量模型管道3 在土體2上表面的初始沉降量，即模型管道3的垂向位移。3)開啟電機13，沿著模型管道3軸線，通過其斜上方設(shè)置的拉索16拉動模型管 道3，對模型管道3施加機械斜拉力，使得模型管道3向上產(chǎn)生滑動。4)通過拉索16上設(shè)置的拉力傳感器4，測量施加的拉力；通過設(shè)置在支撐結(jié) 構(gòu)7上的平行激光位移傳感器6，測量模型管道3在位失穩(wěn)過程中，平行于海床方向的 位移；通過設(shè)置在橫梁15底部的垂向激光位移傳感器5，測量模型管道3在位失穩(wěn)過程中，在土體上表面的附加沉降量，即垂向位移。5)通過增減配重塊，改變模型管道3的重量；通過在模型管道3表面粘貼不同目數(shù)的砂紙，來改變模型管道3表面的粗糙度，返回步驟2)，測量不同模型管道3重量、 土體特性(例如土體相對密度等)及模型管道3表面粗糙度等條件下，土體2對模型管道 3向下的抗滑動阻力。6)通過上述步驟中測量的所有數(shù)據(jù)即可分析出不同海底管道的穩(wěn)定性情況。操作方例四與操作方例三的不同之處在于如圖4所示，步驟3)中，開啟電機 13，沿著模型管道3軸線，通過其斜下方設(shè)置的拉索16拉動模型管道3，對模型管道3施 加機械斜拉力，使得模型管道3向下產(chǎn)生滑動。用于模擬模型管道3與土體2上表面的 傾斜方向一致鋪設(shè)在土體2上，載荷沿土體2上表面向下作用在模型管道3上的情況。上述各實施例僅用于說明本實用新型，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可 以有所變化的，凡是在本實用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排 除在本實用新型的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求1.一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征在于它包括一透 明土槽，所述土槽內(nèi)設(shè)置有一上表面傾斜的土體，所述土體上表面鋪設(shè)有一模型管道； 所述模型管道上設(shè)置有一用于施加拉力的機械加載裝置；所述機械加載裝置上設(shè)置有拉 力傳感器、與土體上表面垂直的垂向激光位移傳感器、與土體上表面平行的平行激光位 移傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征 在于所述模型管道與所述土體的傾斜方向垂直，水平鋪設(shè)在所述土體上表面，所述機械 加載裝置包括分別設(shè)置在所述土槽兩相對側(cè)壁上的豎向支撐結(jié)構(gòu)，兩所述支撐結(jié)構(gòu)上設(shè) 置有一位于所述模型管道上方、且與所述土體上表面平行的斜梁；所述斜梁底面設(shè)置有 滑動軌道，所述滑動軌道上設(shè)置有一滑塊；所述平行激光位移傳感器設(shè)置在所述土體高起端的所述支撐結(jié)構(gòu)上，所述垂向激光 位移傳感器設(shè)置在所述斜梁的底面；所述滑塊豎向設(shè)置有兩連接所述模型管道兩軸端的拉索，每一拉索上設(shè)置有一所述 拉力傳感器，所述滑塊沿所述斜梁方向設(shè)置另一拉索，該拉索通過依次設(shè)置在所述支撐 結(jié)構(gòu)上的兩個定滑輪，連接一設(shè)置在所述土槽外部的電機。
3.如權(quán)利要求2所述的一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征 在于所述兩定滑輪分別設(shè)置在所述土體高起端一側(cè)的所述支撐結(jié)構(gòu)上。
4.如權(quán)利要求2所述的一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征 在于所述兩定滑輪分別設(shè)置在所述土體低端一側(cè)的所述支撐結(jié)構(gòu)上。
5.如權(quán)利要求2或3或4所述的一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝 置，其特征在于所述滑塊移動方向后端的滑動軌道上設(shè)置有一防滾裝置，所述防滾裝 置的另一端分別連接所述模型管道兩端面。
6.如權(quán)利要求1所述的一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征 在于所述模型管道與所述土體的傾斜方向一致，鋪設(shè)在所述土體上表面，所述機械加 載裝置包括一設(shè)置在所述土槽頂部的橫梁，設(shè)置在所述土槽側(cè)壁上的支撐結(jié)構(gòu)，所述平 行激光位移傳感器設(shè)置在所述土體高起端的所述支撐結(jié)構(gòu)上，所述垂向激光位移傳感器 設(shè)置在所述橫梁的底面；所述模型管道端部設(shè)置有一拉索，所述拉索通過設(shè)置在所述支 撐結(jié)構(gòu)上的定滑輪連接設(shè)置在所述土槽外部的電機；所述模型管道與所述定滑輪之間的 拉索上設(shè)置有所述拉力傳感器。
7.如權(quán)利要求6所述的一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征 在于所述拉索設(shè)置在所述模型管道的上端部，所述定滑輪設(shè)置在所述土體高起端一側(cè) 的所述支撐結(jié)構(gòu)上。
8.如權(quán)利要求6所述的一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征 在于所述拉索設(shè)置在所述模型管道的下端部，所述定滑輪設(shè)置在所述土體低端一側(cè)的 所述支撐結(jié)構(gòu)上。
專利摘要本實用新型涉及一種斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的機械加載模擬裝置，其特征在于它包括一透明土槽，所述土槽內(nèi)設(shè)置有一上表面傾斜的土體，所述土體上表面鋪設(shè)有一模型管道；所述模型管道上設(shè)置有一用于施加拉力的機械加載裝置；所述機械加載裝置上設(shè)置有拉力傳感器、垂向激光位移傳感器和平行激光位移傳感器。本實用新型裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，方法操作方便，易于實現(xiàn)，可廣泛用于斜坡海床上管道在位穩(wěn)定性的模擬測量過程中。
文檔編號G01M10/00GK201795915SQ20102052916
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者崔金聲, 張恩勇, 曹靜, 沙勇, 賈旭, 韓希霆, 高福平 申請人:中國海洋石油總公司, 中國科學(xué)院力學(xué)研究所, 中海石油研究中心