一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪制造技术

一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，由半球形器体、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，加载臂的一端垂直固定于半球形器体底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半球形器体的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定以方便并入数据采集系统；半球形探测仪垂直设置于海床上。本实用新型专利技术的优点是：对于已建和拟建海底管道与地基土的极限阻力提供可靠的测试手段；对于已建管道是否发生效应进行评估；确定可能发生棘轮效应的海底管道设置合理的减缓或抑制管道轴向运动的相关设备的数量和类型，在保证管道安全的前提下降低项目成本。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及深海岩土现场勘察及监测领域，特别是一种智能海底管土轴向作用的环形探测仪。
技术介绍
海底管道是海洋工程设备中的重要组成部分，其安全是深海油气输运的重要保证，由于前期勘察，设计及施工过程的复杂性，其成本远高于陆地管道(仅近海管道施工费用就高于同类陆地管道的1-2倍)。尤其随着海洋油气的开采从近海逐渐步入深海乃至超深海，管道的长度骤然增长，预计我国在十二五期间，铺设海底管道的长度将超过1000km，因此科学、安全的海底管道设计方案使巨额的工程成本得以削减和优化。深海的管道运行环境不同于近海工况，波浪和流体等动荷载对于管道的影响将会大幅降低。因此，深海管道通常采用直接铺设于海床上的方式。由于深海表层土一般较为松软，海底管道会在自重作用下部分或全部沉入地基土中。铺设于海床上的管道在正常运行的工况下往往处于高温高压的状态，由于管道内部温度应力的变化，管道有膨胀或压缩的趋势。地基与管道界面处的摩擦力对管道的变形具有约束作用。如果这种约束作用力很大使得管道不能自由伸展变形，管道可能发生屈曲，一旦屈曲发生，管道的轴向力会大幅降低，同时在屈曲段发生轴向补偿效应，屈曲段中过大的弯曲变形将会导致管道破坏。如果这种约束力较小，由于管道运行过程中有效轴向应力的不对称性(主要来源于管道运行过程中非等时的启停机操作、海床坡度以及管道中油气密度的变化)，使得管道轴向与地基土产生较大的相对位移，这种现象称之为棘轮效应。伴随着棘轮效应的加剧，整体管道轴向会发生较大位移，可能导致管道间连接件及末端设备的应力过载破坏或者管道中间段的应力(或应变)过大而发生破坏。对于管道屈曲问题，随着海洋工程实践经验的积累，相关的设计规范不断得以优化和改进，尤其是近十年来由全球多所高校及研究机构依托工业界的支持倡导的SAFEBUCK JIP项目，为整体屈曲设计提供比较完备的解决方案。因此，海底管道的整体屈曲测试原理不纳入本专利的研究范畴。而对于棘轮现象，国内外的研究还较少，目前基本上局限于理论方面的探讨，同时数据多来源于室内测试。由于深海土体多以正常固结软粘土为主，其浅层土体，更具有强度低、易扰动的特点。因此常规的实验室原状态测试往往不能给出准确的土工参数，特别是涉及到海底管道的设计时，由于浅层土体承受的有效应力仅为2-10kPa，远低于实验室中能够得到的可靠数据的应力水平。为此，现场测试深海粘土特性的探测设备应运而生，并已逐步应用到实际工程实践中，例如：T-bar探测仪，尽管能够很好探测土体(粘土)的不排水抗剪强度，但是对于管土作用中所需要的管土接触特性依旧无法评估。此后，Fugro岩土工程公司研发了一种新型的深海探测仪Fugro SMARTPIPE，以进行深海管土作用的相关研究。然而，该设备的明显缺陷是无法克服管段两端明显的边界效应。因此，为了获取准确的海底浅层土体的工程设计指标，真实地揭示pipeline walking的机理以及提供更为可靠的管道轴向摩阻力设计参数，本专利阐述了一种新型的海底管道管土轴向作用的探测设备：半球形探测仪。
技术实现思路
本技术的目的是针对上述存在问题，提供一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，该探测设备，揭示海底管道热棘轮效应，勘测海底浅层土体的工程设计指标:不排水抗剪强度指标(粘土)及管道初始埋深指标、管道固结沉降量指标、管道轴向剪切特性指标以及管道轴向摩阻力的固结硬化指标，从而完善海洋岩土的现场勘察和监测设备，为海底管道设计提供更为可靠的工程参数，优化传统的海底管道设计方案。本技术的技术方案：一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，由半球形器体、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，加载臂及半球形器体采用铝合金材质，直径为500mm、壁厚为50mm，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直径为200mm，圆孔直径为5mm；直径25mm、高度1000mm的加载臂的一端垂直固定于半球形器体底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半球形器体的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定以方便并入数据采集系统；半球形探测仪垂直设置于海床上。本技术的有益效果是：1)对于已建和拟建海底管道与地基土的极限阻力提供可靠的测试手段；2)探求海底管道热棘轮效应所发生的的力学机制，利用合理的计算方法设计避免或减轻海底管道发生热棘轮效应对于海底管道的危害，对于已建管道是否发生效应进行评估；3)确定可能发生棘轮效应的海底管道设置合理的减缓或抑制管道轴向运动的相关设备的数量和类型，从而在保证管道安全的前提下降低项目成本，本技术填补了深海现场勘察管土轴向作用的空白。附图说明图1为半球形探测仪立体结构示意图。图2为半球形探测仪俯视结构示意图。图3为半球形探测仪仰视结构示意图。图4为半球形探测仪侧视结构示意图。图中：1、加载臂；2、孔压传感器引线；3、半球形器体；4、孔压传感器。具体实施方式实施例：一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，如图1-4所示，由半球形器体3、加载臂1、四个孔压传感器4和四条孔压传感器引线2组成，加载臂1及半球形器体3采用铝合金材质，直径为500mm、壁厚为50mm，半球形器体3的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直径为200mm，圆孔直径为5mm；直径25mm、高度1000mm的加载臂1的一端垂直固定于半球形器体3底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器4分别固定于半球形器体3的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线2与加载臂1固定以方便并入数据采集系统；半球形探测仪垂直设置于海床上。本技术的技术分析：该半球形探测仪基于海底管道实际安装铺设及正常运行过程的综合考虑，运用了三种等效类比手段：海底管道测试过程的等效类比、探测设备和海底管道几何尺寸等效类比以及探测设备和海底管道运动方式的等效类比设计而出，可测量管道安装过程所需的不排水抗剪强度指标(粘土)及埋深指标、安装后管道固结沉降量和运行过程中管道轴向剪切刚度及轴向摩阻力的固结硬化指标。1.海底管道测试过程等效类比处理：考虑到海底管道从铺设安装到正常运行整个过程中浅层土体的排水状况，半球形探测仪的测试过程被等效地划分为三个阶段(详见表1)：1)管道安装阶段：将实际的管道自重由等效竖向荷载来代替，通常可以用竖向贯入距离和时间来控制安装过程中的不排水工况，及安装过程中的初始管道埋深；2)管道安装后固结阶段：将实际的管道安装后的固结压力(即管道自重)用等效的竖向荷载代替，具体地，完成1)阶段测试之后，维持贯入到目标埋深处的对应竖向力，等待孔隙水压力彻底消散；3)管道正常运行阶段：将实际的管道运行时的温度应力的热棘轮效应由转向正反交替的循环剪切来代替，并由不同的剪切速度控制剪切过程中的排水程度，由转向正反切换时的滞留时间控制间歇式的固结时间。表1半球形探测仪探测过程等效处理措施2.半球形探测仪与海管几何尺寸等效类比处理：尽管用有限长的管道作为探测设备的几何形状可能更为简单及直观地测试相关工程参数，但是由于其在轴向剪切过程中，两端不断推土将造成明显的端部效应，因此本专利采用了半球形剪切面以避免端部效应对探测结果的影响。然而，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，其特征在于：由半球形器体、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，加载臂及半球形器体采用铝合金材质，直径为500mm、壁厚为50mm，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直径为200mm，圆孔直径为5mm；直径25mm、高度1000mm的加载臂的一端垂直固定于半球形器体底部的中心，另一端与海底探测设备的控制执行系统连接；四个孔压传感器分别固定于半球形器体的四个圆孔内并通过四条孔压传感器引线与加载臂固定以方便并入数据采集系统；半球形探测仪垂直设置于海床上。

【技术特征摘要】
1.一种智能海底管土轴向作用的半球形探测仪，其特征在于：由半球形器体、加载臂、四个孔压传感器和四条孔压传感器引线组成，加载臂及半球形器体采用铝合金材质，直径为500mm、壁厚为50mm，半球形器体的中部水平方向均设四个圆孔，四个圆孔所在平面的直径为200mm，圆孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫玥，练继建，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津;12