[发明专利]模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及海洋油气工程、海洋土力学、海底管道工程等技术领域，特别涉及模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置。

背景技术

海底管道和海底光缆等管系结构已被广泛用于海洋油气输运及通讯信号传输。如何确保海底管系结构的在位稳定性是海洋工程设计和安全运营面临的关键问题。对于在水平海床上铺设的海底管道而言，侧向和垂向管土相互作用是管道在位稳定性的主要内涵，国际上已进行了较为系统深入的研究。然而，海床地形地貌复杂多变，我国南海海域分布着大陆坡斜坡海床及深水盆地。海床地表坡度的存在对海底管系结构的在位稳定性分析设计提出了更高要求。顺坡铺设的海底管道当受到水下重力作用时，可引起轴向整体屈曲等结构失稳问题。

对于斜坡铺设的海底管系结构而言，海床土体提供的轴向抗滑力是保证管道轴向稳定的关键因素。当轴向抗滑力不足以平衡管道轴向外力时，长距离铺设的海底管道的结构内力将沿管轴进行传递并累积，最终导致管道因轴向压力过大而发生整体屈曲，甚至发生断裂而造成经济损失和环境污染。

抗滑力的大小与多种因素有关：根据经典摩擦理论，抗滑力的大小与管道的水下重量、管道嵌入床面的深度以及表面的粗糙系数正相关。而对于低渗透系数的海床，当管道沿轴向快速运动时，产生的孔隙水压力消散不及，将减小管道与土颗粒之间的有效接触应力，从而降低管道的抗滑能力。

可见，针对海底管道和海床间轴向相互作用的研究对于管道结构稳定性具有重要意义。

发明内容

为实现对海底管道和海床间轴向相互作用的研究，本发明提供一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法及装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的方法，其包括以下步骤：（1）选一模型管道，根据需要给模型管道配重，然后在模型管道上安装测量其轴向滑动阻力的拉力传感器，并在模型管道表面固定所需粗糙度的防水砂纸；（2）选一水槽，然后在水槽内制造出所需坡度的模拟海床；（3）给模型管道安装导向约束装置，使模型管道只能在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向平动，同时在导向约束装置上安装测量模型管道沿其轴向及垂直模拟海床床面方向位移的位移测量装置，然后将模型管道置于水槽内的模拟海床上；（4）沿模型管道轴向对模型管道加载，使模型管道轴向滑动，同时，用数据同步采集系统同步采集模型管道的轴向位移值、模型管道在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

一种模拟海底管系结构与海床土体轴向相互作用的装置，其包括水槽、模拟海床、模型管道、导向约束装置、管道轴向加载装置、管道轴向位移测量装置、管道沉降测量装置、管道轴向滑动阻力测量装置和数据同步采集系统，所述模拟海床位于水槽内，所述模型管道置于模拟海床上，所述导向约束装置用于将模型管道的运动约束在模型管道轴向及垂直模拟海床床面方向，所述管道轴向加载装置用于对模型管道轴向牵引，管道轴向位移测量装置、管道沉降测量装置和管道轴向滑动阻力测量装置均与数据同步采集系统连接，数据同步采集系统用于同步采集模型管道的轴向位移值、模型管道在垂直模拟海床床面方向上的位移值和模型管道轴向滑动阻力值。

优选地，所述模型管道由彼此分离的牵引管头和管道测试段活动拼接而成，所述管道轴向滑动阻力测量装置为拉力传感器，所述拉力传感器置于模型管道内，且位于牵引管头和管道测试段之间，拉力传感器的两端分别与牵引管头和管道测试段连接。

优选地，所述导向约束装置包括安装平台，水平导轨、水平滑块、竖直导轨、竖直滑块和固定连接件，所述安装平台固定设置且其倾角可调，所述水平导轨固定在安装平台上，所述水平滑块滑动地设置在水平导轨上，所述竖直导轨固定在水平滑块上，所述竖直滑块滑动地设置在竖直导轨上，且竖直滑块通过固定连接件与模型管道固定连接。

优选地，所述管道轴向加载装置包括钢索、定滑轮组和可调速步进电机，所述钢索绕过定滑轮组，钢索的一端与可调速步进电机的动力输出部分连接，钢索的另一端与模型管道的牵引管头连接。

优选地，所述管道轴向位移测量装置包括第一激光位移传感器和第一反射板，所述第一激光位移传感器固定在安装平台上，所述第一反射板固定在水平滑块上，第一激光位移传感器和第一反射板正对。

优选地，所述管道沉降测量装置包括第二激光位移传感器和第二反射板，所述第二激光位移传感器固定在竖直导轨上，第二反射板固定在竖直滑块上，第二激光位移传感器和第二反射板正对。

优选地，所述管道测试段的中心设置有管轴，所述管轴为不锈钢螺杆，所述管轴上旋合有盘形配重。