一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种土体‑海底多跨管道‑海流多场耦合作用的实验系统，该系统包括海底管道模型、第一端部土体支撑装置、第二端部土体支撑装置、横向试验支持架、拖车、多跨土体装置、拉力传感器以及应变采集仪和计算机。本发明专利技术的优点是：设计精巧简单，便于加工、安装及拆解，造价低廉，解决了垂直均匀来流条件有土体‑海底多跨管道‑海流多场耦合作用的海底管道涡激振动试验中跨肩土体的施加问题，是研究有土体‑海底多跨管道‑海流多场耦合作用的海底管道涡激振动必不可少的试验装备，具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种海洋工程
的试验装置，更具体地说，本专利技术涉及一种用于研究土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统。
技术介绍
海底管道是深海油气开采输运不可或缺的关键设备，被誉为“海洋油气生命线”。由于深海海底地形复杂，管道铺设难度大、费用高，实际工程中的管道常直接铺设于海床表面，不做任何掩埋处理，加之海流冲刷作用，形成较长悬跨和多段悬跨的现象越来越普遍。悬空管跨的出现改变了管道的荷载和应力状态，尤其是当海流流经时，悬空管跨会出现交替的旋涡脱落，引起管道在顺流向(In-Line,IL)和横流向(Cross-Flow,CF)发生周期性的漩涡脱落，诱发涡激振动(Vortex-Induced Vibrations,VIV)。海底管道失效统计结果表明：悬跨段涡激振动是导致结构疲劳破坏的主要原因。由于深海海底凸凹不平以及海流冲刷，直接铺设于海床表面的海底管道经常出现多段悬跨。多跨管道的相邻模态固有频率比较接近，其涡激振动常出现多模态现象，实际观测发现IL方向和CF方向涡激振动之间的影响十分强烈。挪威的MARINTEK研究机构于2000到2004年期间进行的一系列的海底多跨悬空管道模型实验，重点研究了多跨单模态和多跨多模态的涡激振动特性，采用特殊弹簧装置近似模拟跨肩处的土体边界对管道作用。然而，已开展的实验并未真实的考虑跨肩处的管-土作用，而是采用简化的弹簧近似土体效应。由于海底管线悬跨段的长度与直径的比值较立管等海洋工程细长结构物要小很多，边界条件的影响突出，因此海床土体的力学性质，管土接触模拟情况以及管线的埋置深度等都会对涡激振动产生较大的影响。因此，需要开展真实的土体边界，多跨悬空管道涡激振动模型实验，深入研究管道结构特性、土体参数、跨肩处沟槽深度、管-土接触面积和长度等对相邻管跨相互作用机制的影响。通过模型实验，可以全方位的观测涡激振动现象及其特征，获得可靠的实验结果，用来效验理论和数值模型的精度。通过实验测试的方式可以更好的探究海底管线悬跨段涡激振动管土影响机理，为工程实际提供必要的实验参考和技术支持。
技术实现思路
本专利技术的目的就是解决现有技术的问题，并为此提供一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统。该系统能够模拟海底多跨土体边界条件，从而开展均匀来流土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用实验研究，探究流-固-土多场耦合的作用机理，为工程实际提供参考和借鉴。本专利技术的技术方案是：一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统，包括海底管道模型、第一端部土体支撑装置、第二端部土体支撑装置、横向试验支持架、拖车、多跨土体装置、拉力传感器以及应变采集仪和计算机。所述海底管道模型的两端分别穿过所述的第一端部土体支撑装置和第二端部土体支撑装置与其两侧的支撑板连接，所述的第一端部土体支撑装置和第二端部土体支撑装置以及两个支撑板的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述的海底管道模型上设置有其上端连接所述横向试验支持架的多跨土体装置。所述的海底管道模型为裸管结构的薄壁铜管，自所述薄壁铜管的外表面依次向外设置有紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，所述的薄壁铜管与所述热塑管之间设置有多片用于采集应变的应变片，多片所述的应变片分别通过接线端子连接导线，所述导线的两端分别与所述薄壁铜管的一端或两端固定，所述薄壁铜管的两端分别通过销钉连接第一、第二圆柱接头。所述的横向试验支持架包括主体横梁，所述的主体横梁由长方形截面钢管和若干方形截面的钢管构成，所述主体横梁的顶部安装用于支撑拖车的槽钢，所述主体横梁的内部安装用于放置长方体浮桶的薄壁木箱；所述的横向试验支持架通过其主体横梁顶部的槽钢以螺栓固定于所述拖车的底部，所述的拖车由动力系统、刹车系统、控制系统等组成。所述的第一、第二端部土体支撑装置，分别包括竖直方向的连接架和连接所述连接架的土箱，两个所述的连接架分别连接流线型的土箱外板，两个所述连接架的外侧分别连接支撑板，两个所述连接架的顶部与两个所述支撑板的顶部分别连接所述横向实验支持架的主体横梁两端。所述第一端部土体支撑装置侧的土箱外板下部设置有用于安装万向联轴节的通孔，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在该侧的支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海底管道模型中的第一圆柱接头连接。所述第二端部土体支撑装置侧的支撑板外侧设置有滑轮，所述的土箱外板下部位于所述滑轮下方位置设置有用于穿过钢丝绳的通孔，所述的钢丝绳自连接所述海底管道模型的第二圆柱接头穿过该侧支撑板上的过孔后绕过滑轮并依次连接拉力弹簧、拉力张紧器和拉力传感器连接所述横向试验支持架的主体横梁，所述钢丝绳和所述海底管道模型的轴线在与来流方向垂直的同一平面内。所述的多跨土体装置包括多跨土箱和与其焊连接的多跨连接架，所述的多跨连接架由方形截面钢管焊接而成且其四周焊有条形薄板，所述多跨连接架的顶部固定在所述横向实验支持架的主体梁上；所述多跨土箱的两侧分别连接流线型的导流板，所述导流板的中部设置有插板。所述的多跨土箱上设置有土箱，所述的土箱有两种舱室，一种是位于所述土箱中部用于放置土体的土体舱，两一种是分别设置在所述土体舱两侧用于提供浮力的浮舱，所述土体舱的一侧设置有插板。所述的插板由可以拆卸的两部分拼接而成，其中部开有便于所述的海底管道模型穿入且运动时不会触碰其边缘的大圆孔。在所述插板的大圆孔附近设置有连接所述海底管道模型的防漏纱布，所述的防漏纱布以尼龙扎带加以固定，并通过防漏法兰固定在插板上。所述的防漏法兰包括由两个半圆部分拼接而成的扎口盘，所述的扎口盘以螺丝固定在第一端部土体支撑装置上、第二端部土体支撑装置上、多跨土体装置的导流板上以及土体舱的两侧，所述的扎口盘用于压紧所述防漏纱布的一端，所述防漏纱布的另一端由尼龙扎带绑定在海底管道模型上。所述的测量分析系统，包括设置在所述薄壁铜管与所述热塑管之间的多片电阻应变片和通过钢丝绳连接在所述横向试验支持架一侧的拉力传感器，所述的电阻应变片通过接线端子连接从海底管道模型一侧全部引出的导线，该导线与连接所述拉力传感器的导线分别连接应变采集仪，所述的应变采集仪连接电子计算机。在以上设置中：所述薄壁铜管的外径为8mm，壁厚为1mm。所述的导线为外径0.3mm的7芯导线。本专利技术与现有技术相比，其有益效果是：(1)解决了垂直均匀来流条件有土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的海底管道涡激振动试验中跨肩土体的施加问题。(2)所述土箱的流线型设置，可以最大限度的减小土箱结构对流场的干扰，而土箱与支撑板的焊连接，又可以极大的增强土体结构的稳定性。(3)设计精巧简单，便于加工、安装及拆解，造价低廉，是研究有土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的海底管道涡激振动必不可少的试验装备，具有重要的应用价值。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术中海底管道模型的结构示意图；图3是图1中横向试验支持架的俯视图；图4是图3的侧视图；图5是图1中的海底管道模型与第一、第二端部土体支撑装置的连接示意图；图6是图1中的海底管道模型与多跨土体装置的连接示意图；图7是图5中端部土体支撑装置的俯视图；图8是图7所示端部土体支撑装置的主视图；图9是图7所示端部土体支撑装置的左视图；图10是图1中多跨土体装置的俯视图；图11是图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土体‑海底多跨管道‑海流多场耦合作用的实验系统，包括海底管道模型、第一端部土体支撑装置、第二端部土体支撑装置、横向试验支持架、拖车、多跨土体装置、拉力传感器以及应变采集仪和计算机，其特征在于：所述海底管道模型的两端分别穿过所述的第一、第二端部土体支撑装置并与其两侧的支撑板连接，所述的第一端部土体支撑装置和第二端部土体支撑装置以及两个支撑板的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述的海底管道模型上设置有其上端连接所述横向试验支持架的多跨土体装置。

【技术特征摘要】
1.一种土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统，包括海底管道模型、第一端部土体支撑装置、第二端部土体支撑装置、横向试验支持架、拖车、多跨土体装置、拉力传感器以及应变采集仪和计算机，其特征在于：所述海底管道模型的两端分别穿过所述的第一、第二端部土体支撑装置并与其两侧的支撑板连接，所述的第一端部土体支撑装置和第二端部土体支撑装置以及两个支撑板的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述的海底管道模型上设置有其上端连接所述横向试验支持架的多跨土体装置。2.根据权利要求1所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统，其特征在于：所述的海底管道模型为裸管结构的薄壁铜管，自所述薄壁铜管的外表面依次向外设置有紧密接触的若干层热塑管和一层硅胶管，所述的薄壁铜管与所述热塑管之间设置有多片用于采集应变的应变片，多片所述的应变片分别通过接线端子连接导线，所述导线的两端分别与所述薄壁铜管的一端或两端固定，所述薄壁铜管的两端分别通过销钉连接第一、第二圆柱接头。3.根据权利要求2所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统，其特征在于：所述薄壁铜管的外径为8mm，壁厚为1mm；所述的导线为外径0.3mm的7芯导线。4.根据权利要求1所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统，其特征在于：所述的横向试验支持架包括主体横梁，所述的主体横梁由长方形截面钢管和若干方形截面的钢管构成，所述主体横梁的顶部安装用于支撑拖车的槽钢，所述主体横梁的内部安装用于放置长方体浮桶的薄壁木箱；所述的横向试验支持架通过其主体横梁顶部的槽钢以螺栓固定于所述拖车的底部，所述的拖车由动力系统、刹车系统、控制系统等组成。5.根据权利要求1所述的土体-海底多跨管道-海流多场耦合作用的实验系统，其特征在于：所述的第一、第二端部土体支撑装置，分别包括竖直方向的连接架和连接所述连接架的土箱，两个所述的连接架分别连接流线型的土箱外板，两个所述连接架的外侧分别连接支撑板，两个所述连接架的顶部与两个所述支撑板的顶部分别连接所述横向实验支持架的主体横梁两端；所述第一端部土体支撑装置侧的土箱外板下部设置有用于安装万向联轴节的通孔，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在该侧的支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海底管道模型中的第一圆柱接头连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐万海，罗浩，马烨璇，栾英森，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12