本发明专利技术公开了一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，包括导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽和试验管线；一根试验管线作为被测管线被设置于试验槽内，试验槽的两端板上设有被测管线的竖向约束板，数据采集系统包括一台计算机、一台动静态应变仪、多个拉线式位移传感器、多个应变片和一台摄像机；多个拉线式位移传感器和多个应变片均匀布置在被测管线上。本发明专利技术能够模拟具有不同几何初始缺陷的薄壁管线在温度荷载作用下在不同埋设条件下发生整体屈曲的真实变形路径，测定管线的屈曲位移与轴向压力的大小，揭示管线几何初始缺陷、埋置深度及土体特性等因素对其整体屈曲的影响规律。
【技术实现步骤摘要】
不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置
本专利技术涉及海底管线运营期间的在位稳定性设计领域，特别是一种不同埋设条件 下薄壁管线热屈曲试验装置。
技术介绍
深水海洋资源的开发是我国未来油气资源的主要增长点，在已探明的我国南海油 气资源中，石油储量约230?300亿吨，天然气储量约16万亿立方米，其中70%蕴藏于水深 大于300m的深海区域。管线运输在原油、天然气的生产、精炼、储存及使用的全过程中都起 到了重要的作用。为了避免运输过程中石蜡分馏产生的固化影响并降低运输难度，海底油 气管线在运营过程中通常被施加较高的温度和压力，且随着工作水深的增加及输送长度的 增长，管线内部的输送温度和压力也随之增长。温度应力和泊松效应的共同作用使管线内 部产生较大的附加应力，由于土体的约束作用管线无法自由变形释放附加应力，当其累积 到一定程度时，管线会在坚直向或水平向发生类似于压杆稳定的瞬间大变形，又称整体屈 曲。较大的整体屈曲一方面可能导致管线中的弯曲应力增长，接近或达到钢材的屈服强度， 对管线的安全运营造成威胁；另一方面发生变形的管线容易受到渔业活动和船只航行的影 响，增加安全隐患；此外，屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进水，影 响管线的正常使用。管线内承载着大量油气，一旦发生屈曲甚至屈服破坏，就会导致油气泄 露，不仅造成资源的浪费而且对海洋生物及人类的生存环境构成威胁。 温度荷载作用下管线整体屈曲过程的真实变形路径及受力状态是管线在位稳定 性控制的关键因素。较高的输送温度及泊松效应是管壁内附加应力的直接来源，土体约束 管线的变形导致了附加应力的累积，二者的共同作用导致管线发生整体屈曲。实际工程中 受到温度荷载及土体约束作用的海底管线将不可避免地发生整体屈曲变形以释放累计于 管线内壁上的附加应力，因此管线整体屈曲的研究重点主要为确定管线屈曲后的变形与应 力分布，并通过各种方法将屈曲后的位移和应力大小控制在规范所允许的范围内以保障管 线安全稳定运营。 为了给管线的在位稳定性研究提供数据依据，需要以含不同几何初始缺陷的管线 为研究对象，通过室内模型试验模拟管线的不同埋设条件，通过施加温度荷载监测管线的 整体屈曲变形过程，从而建立管线整体变形与应力的计算方法，研究管线的初始几何缺陷 及埋深对其整体屈曲规律的影响。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种不同埋设条件下薄壁管线 热屈曲试验装置，该装置能够模拟具有不同几何初始缺陷的薄壁管线在温度荷载作用下在 不同埋设条件下发生整体屈曲的真实变形路径，测定管线的屈曲位移与轴向压力的大小， 揭示管线几何初始缺陷、埋置深度及土体特性等因素对其整体屈曲的影响规律，为控制管 线整体屈曲变形保证其安全运行提供重要的数据依据。 本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种不同埋设 条件下薄壁管线热屈曲试验装置，包括导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系 统、数据采集系统、试验槽和试验管线； 所述试验管线由多组空心铝管组成，每组空心铝管的几何初始缺陷幅值与波 长L。的比值相同，同组的空心铝管直径不同； 任意一根所述试验管线作为被测管线被填土掩埋或直接放置于所述试验槽内，被 测管线的下部土体厚度大于1倍管径，所述被测管线穿越所述试验槽的两端板，所述试验 槽的两端板上设有被测管线的坚向约束板； 在所述被测管线的两端各设有一所述管线约束系统，所述管线约束系统包括支 架、安装框架、连接短节和刹车；在所述支架上设有水平径向移动平台，所述水平径向移动 平台的移动方向与被测管线的设计中心线垂直，在所述水平径向移动平台上设有轴向移动 平台，在所述轴向移动平台上固定有所述安装框架，所述安装框架内设有与其通过坚向铰 链轴连接的所述连接短节，在所述连接短节上设有所述刹车，所述刹车安装在所述安装框 架上； 所述导热油传输系统包括钢丝编织胶管I和钢丝编织胶管II，所述钢丝编织胶管 I和所述钢丝编织胶管II各通过一相应的所述连接短节与所述被测管线连接，在所述钢丝 编织胶管I和所述钢丝编织胶管II之间设有所述导热油加热冷却系统； 所述导热油加热冷却系统包括沿输油方向依次连接的冷却机、过滤器、循环油泵、 加热器和高位槽；所述高位槽上设有出油管，所述冷却机上连接有进油管；所述出油管与 所述钢丝编织胶管I连接，所述进油管与所述钢丝编织胶管II连接； 所述数据采集系统包括一台计算机、一台动静态应变仪、多个拉线式位移传感器、 多个应变片和一台摄像机；多个所述拉线式位移传感器和多个所述应变片均匀布置在所述 被测管线上，所述拉线式位移传感器和所述应变片均与动静态应变仪连接，所述动静态应 变仪与计算机连接；所述摄像机设置在所述被测管线的上方。 所述刹车为电磁刹车。 在连接所述循环油泵和所述加热器的管路上设有截止阀。 所述加热器设有控制柜。 所述试验槽是由有机玻璃制成的四周密封槽。 本专利技术具有的优点和积极效果是：能够模拟管线在实际使用中的埋设条件与几何 缺陷，通过导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽及 试验管线六个组成部分的相互配合，可以有效模拟与不同埋设条件下受到土体约束的薄壁 管线在温度应力下发生整体屈曲的过程，并研究管线曲率、几何初始缺陷幅值与波长的比 值、埋置深度及土体特性等多种因素对整体屈曲的影响。 具体地说，导热油加热冷却系统为直接通过控制柜设定加载温度的大小，保证了 复杂条件下管线所受的加载温度不变，亦可通过改变加载温度的大小，探究温度应力对管 线水平向整体屈曲的影响。导热油传输系统具有较好的柔性及耐热耐压性，加热后的导热 油对其强度和稳定性影响不大，保证了导热油传输过程的安全顺畅。约束系统可以在轴向、 水平向移动，且与试验管线连接的部分可以产生较小的转动变形，试验管线安装过程中，约 束系统可以通过轴向、水平径向的移动，与试验管线更好地连接，当管线发生整体屈曲时， 约束系统可以通过水平转动协调管线发生的屈曲变形，减小边界效应对试验结果的影响。 数据采集系统可以即时、精确的记录管线屈曲过程的位移及应变大小，了解与土相互作用 的薄壁管线发生整体屈曲的过程中位移与应力的变化过程。试验槽由有机玻璃制成，便于 观察管线水平向整体屈曲的全过程及研究管线曲率、几何初始缺陷幅值与波长的比值、埋 置深度及土体特性等多种因素对整体屈曲位移与应力的影响，两端设有坚向约束板，保证 管线发生水平向变形；四周密封的试验槽也可以加水，模拟海底管线的水下工作状态。试验 管线为不同管径的空心铝管，热膨胀系数较大，在温度荷载作用下产生较大的轴向压力便 于整体屈曲的发生，以研究曲率、几何初始缺陷幅值与波长的比值、埋置深度及等多种因素 对整体屈曲位移与应力的影响。 综上所述，本专利技术是针对具有几何初始缺陷的海底不埋或浅埋薄壁管线设计的室 内小比例试验模型，能够模拟管线在温度应力的影响下发生整体屈曲的真实变形路径、变 形形态和受力状态及埋设条件对其整体屈曲的影响，为实际工程中海底管线在高温高压联 合作用下发生整体屈曲的研究提供数据支持。 【附图说明】 图1为本本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，其特征在于，包括导热油加热冷却系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽和试验管线；所述试验管线由多组空心铝管组成，每组空心铝管的几何初始缺陷幅值vom与波长Lo的比值相同，同组的空心铝管直径不同；任意一根所述试验管线作为被测管线被填土掩埋或直接放置于所述试验槽内，被测管线的下部土体厚度大于1倍管径，所述被测管线穿越所述试验槽的两端板，所述试验槽的两端板上设有被测管线的竖向约束板，在所述被测管线的两端各设有一所述管线约束系统，所述管线约束系统包括支架、安装框架、连接短节和刹车；在所述支架上设有水平径向移动平台，所述水平径向移动平台的移动方向与被测管线的设计中心线垂直，在所述水平径向移动平台上设有轴向移动平台，在所述轴向移动平台上固定有所述安装框架，所述安装框架内设有与其通过竖向铰链轴连接的所述连接短节，在所述连接短节上设有所述刹车，所述刹车安装在所述安装框架上；所述导热油传输系统包括钢丝编织胶管Ⅰ和钢丝编织胶管Ⅱ，所述钢丝编织胶管Ⅰ和所述钢丝编织胶管Ⅱ各通过一相应的所述连接短节与所述被测管线连接，在所述钢丝编织胶管Ⅰ和所述钢丝编织胶管Ⅱ之间设有导热油加热冷却系统；所述导热油加热冷却系统包括沿输油方向依次连接的冷却机、过滤器、循环油泵、加热器和高位槽；所述高位槽上设有出油管，所述冷却机上连接有进油管；所述出油管与所述钢丝编织胶管Ⅰ连接，所述进油管与所述钢丝编织胶管Ⅱ连接；所述数据采集系统包括一台计算机、一台动静态应变仪、多个拉线式位移传感器、多个应变片和一台摄像机；多个所述拉线式位移传感器和多个所述应变片均匀布置在所述被测管线上，所述拉线式位移传感器和所述应变片均与动静态应变仪连接，所述动静态应变仪与计算机连接；所述摄像机设置在所述被测试验管线的上方。...
【技术特征摘要】
1. 一种不同埋设条件下薄壁管线热屈曲试验装置，其特征在于，包括导热油加热冷却 系统、导热油传输系统、管线约束系统、数据采集系统、试验槽和试验管线； 所述试验管线由多组空心铝管组成，每组空心铝管的几何初始缺陷幅值与波长L。 的比值相同，同组的空心铝管直径不同； 任意一根所述试验管线作为被测管线被填土掩埋或直接放置于所述试验槽内，被测管 线的下部土体厚度大于1倍管径，所述被测管线穿越所述试验槽的两端板，所述试验槽的 两端板上设有被测管线的坚向约束板， 在所述被测管线的两端各设有一所述管线约束系统，所述管线约束系统包括支架、安 装框架、连接短节和刹车；在所述支架上设有水平径向移动平台，所述水平径向移动平台的 移动方向与被测管线的设计中心线垂直，在所述水平径向移动平台上设有轴向移动平台， 在所述轴向移动平台上固定有所述安装框架，所述安装框架内设有与其通过坚向铰链轴连 接的所述连接短节，在所述连接短节上设有所述刹车，所述刹车安装在所述安装框架上； 所述导热油传输系统包括钢丝编织胶管I和钢丝编织胶管II，所述钢丝编织胶管I和 所述钢丝编织胶管II各通过一相应的所述连接短节与所述被测管线连接，在所述钢丝编织...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘润，刘文彬，洪兆徽，王乐，纪玉诚，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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