專(zhuān)利名稱(chēng):一種智能海底管土軸向作用的半球形探測(cè)儀的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種智能海底管土軸向作用的半球形探測(cè)儀，由半球形器體、加載臂、四個(gè)孔壓傳感器和四條孔壓傳感器引線組成，半球形器體的中部水平方向均設(shè)四個(gè)圓孔，加載臂的一端垂直固定于半球形器體底部的中心，另一端與海底探測(cè)設(shè)備的控制執(zhí)行系統(tǒng)連接；四個(gè)孔壓傳感器分別固定于半球形器體的四個(gè)圓孔內(nèi)并通過(guò)四條孔壓傳感器引線與加載臂固定以方便并入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；半球形探測(cè)儀垂直設(shè)置于海床上。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)于已建和擬建海底管道與地基土的極限阻力提供可靠的測(cè)試手段；對(duì)于已建管道是否發(fā)生效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估；確定可能發(fā)生棘輪效應(yīng)的海底管道設(shè)置合理的減緩或抑制管道軸向運(yùn)動(dòng)的相關(guān)設(shè)備的數(shù)量和類(lèi)型，在保證管道安全的前提下降低項(xiàng)目成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種智能海底管±軸向作用的半球形探測(cè)儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及深海巖±現(xiàn)場(chǎng)勘察及監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別是一種智能海底管±軸向作 用的環(huán)形探測(cè)儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 海底管道是海洋工程設(shè)備中的重要組成部分，其安全是深海油氣輸運(yùn)的重要保 證，由于前期勘察，設(shè)計(jì)及施工過(guò)程的復(fù)雜性，其成本遠(yuǎn)高于陸地管道(僅近海管道施工費(fèi) 用就高于同類(lèi)陸地管道的1-2倍）。尤其隨著海洋油氣的開(kāi)采從近海逐漸步入深海乃至超深 海，管道的長(zhǎng)度驟然增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)我國(guó)在十二五期間，鋪設(shè)海底管道的長(zhǎng)度將超過(guò)1000km，因 此科學(xué)、安全的海底管道設(shè)計(jì)方案使巨額的工程成本得W削減和優(yōu)化。
[0003] 深海的管道運(yùn)行環(huán)境不同于近海工況，波浪和流體等動(dòng)荷載對(duì)于管道的影響將會(huì) 大幅降低。因此，深海管道通常采用直接鋪設(shè)于海床上的方式。由于深海表層±-般較為松 軟，海底管道會(huì)在自重作用下部分或全部沉入地基±中。鋪設(shè)于海床上的管道在正常運(yùn)行 的工況下往往處于高溫高壓的狀態(tài)，由于管道內(nèi)部溫度應(yīng)力的變化，管道有膨脹或壓縮的 趨勢(shì)。地基與管道界面處的摩擦力對(duì)管道的變形具有約束作用。如果運(yùn)種約束作用力很大 使得管道不能自由伸展變形，管道可能發(fā)生屈曲，一旦屈曲發(fā)生，管道的軸向力會(huì)大幅降 低，同時(shí)在屈曲段發(fā)生軸向補(bǔ)償效應(yīng)，屈曲段中過(guò)大的彎曲變形將會(huì)導(dǎo)致管道破壞。如果運(yùn) 種約束力較小，由于管道運(yùn)行過(guò)程中有效軸向應(yīng)力的不對(duì)稱(chēng)性(主要來(lái)源于管道運(yùn)行過(guò)程 中非等時(shí)的啟停機(jī)操作、海床坡度W及管道中油氣密度的變化），使得管道軸向與地基±產(chǎn) 生較大的相對(duì)位移，運(yùn)種現(xiàn)象稱(chēng)之為棘輪效應(yīng)。伴隨著棘輪效應(yīng)的加劇，整體管道軸向會(huì)發(fā) 生較大位移，可能導(dǎo)致管道間連接件及末端設(shè)備的應(yīng)力過(guò)載破壞或者管道中間段的應(yīng)力 (或應(yīng)變)過(guò)大而發(fā)生破壞。
[0004] 對(duì)于管道屈曲問(wèn)題，隨著海洋工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范不斷得W優(yōu) 化和改進(jìn)，尤其是近十年來(lái)由全球多所高校及研究機(jī)構(gòu)依托工業(yè)界的支持倡導(dǎo)的SAFEBUCK JIP項(xiàng)目，為整體屈曲設(shè)計(jì)提供比較完備的解決方案。因此，海底管道的整體屈曲測(cè)試原理 不納入本專(zhuān)利的研究范疇。
[0005] 而對(duì)于棘輪現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外的研究還較少，目前基本上局限于理論方面的探討，同時(shí) 數(shù)據(jù)多來(lái)源于室內(nèi)測(cè)試。由于深?！荔w多W正常固結(jié)軟粘±為主，其淺層±體，更具有強(qiáng)度 低、易擾動(dòng)的特點(diǎn)。因此常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室原狀態(tài)測(cè)試往往不能給出準(zhǔn)確的±工參數(shù)，特別是設(shè) 及到海底管道的設(shè)計(jì)時(shí)，由于淺層±體承受的有效應(yīng)力僅為2-lOkPa，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室中能夠 得到的可靠數(shù)據(jù)的應(yīng)力水平。為此，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試深海粘±特性的探測(cè)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，并已逐步 應(yīng)用到實(shí)際工程實(shí)踐中，例如:T-bar探測(cè)儀，盡管能夠很好探測(cè)±體(粘±)的不排水抗剪 強(qiáng)度，但是對(duì)于管±作用中所需要的管±接觸特性依舊無(wú)法評(píng)估。此后，。11旨'0巖±工程公 司研發(fā)了一種新型的深海探測(cè)儀化gro SMARTPIPE，W進(jìn)行深海管±作用的相關(guān)研究。然 而，該設(shè)備的明顯缺陷是無(wú)法克服管段兩端明顯的邊界效應(yīng)。因此，為了獲取準(zhǔn)確的海底淺 層±體的工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，真實(shí)地掲示pipeline walking的機(jī)理W及提供更為可靠的管道軸 向摩阻力設(shè)計(jì)參數(shù)，本專(zhuān)利闡述了一種新型的海底管道管±軸向作用的探測(cè)設(shè)備:半球形 探測(cè)儀。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述存在問(wèn)題，提供一種智能海底管±軸向作用的半球 形探測(cè)儀，該探測(cè)設(shè)備，掲示海底管道熱棘輪效應(yīng)，勘測(cè)海底淺層±體的工程設(shè)計(jì)指標(biāo):不 排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(粘±)及管道初始埋深指標(biāo)、管道固結(jié)沉降量指標(biāo)、管道軸向剪切特性 指標(biāo)W及管道軸向摩阻力的固結(jié)硬化指標(biāo)，從而完善海洋巖±的現(xiàn)場(chǎng)勘察和監(jiān)測(cè)設(shè)備，為 海底管道設(shè)計(jì)提供更為可靠的工程參數(shù)，優(yōu)化傳統(tǒng)的海底管道設(shè)計(jì)方案。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案：
[0008] -種智能海底管±軸向作用的半球形探測(cè)儀，由半球形器體、加載臂、四個(gè)孔壓傳 感器和四條孔壓傳感器引線組成，加載臂及半球形器體采用侶合金材質(zhì)，直徑為500mm、壁 厚為50mm，半球形器體的中部水平方向均設(shè)四個(gè)圓孔，四個(gè)圓孔所在平面的直徑為200mm， 圓孔直徑為5mm;直徑25mm、高度1000mm的加載臂的一端垂直固定于半球形器體底部的中 屯、，另一端與海底探測(cè)設(shè)備的控制執(zhí)行系統(tǒng)連接；四個(gè)孔壓傳感器分別固定于半球形器體 的四個(gè)圓孔內(nèi)并通過(guò)四條孔壓傳感器引線與加載臂固定W方便并入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);半球形 探測(cè)儀垂直設(shè)置于海床上。
[0009] 本實(shí)用新型的有益效果是：
[0010] 1)對(duì)于已建和擬建海底管道與地基±的極限阻力提供可靠的測(cè)試手段；
[0011] 2)探求海底管道熱棘輪效應(yīng)所發(fā)生的的力學(xué)機(jī)制，利用合理的計(jì)算方法設(shè)計(jì)避免 或減輕海底管道發(fā)生熱棘輪效應(yīng)對(duì)于海底管道的危害，對(duì)于已建管道是否發(fā)生效應(yīng)進(jìn)行評(píng) 估；
[0012] 3)確定可能發(fā)生棘輪效應(yīng)的海底管道設(shè)置合理的減緩或抑制管道軸向運(yùn)動(dòng)的相 關(guān)設(shè)備的數(shù)量和類(lèi)型，從而在保證管道安全的前提下降低項(xiàng)目成本，本實(shí)用新型填補(bǔ)了深 ?，F(xiàn)場(chǎng)勘察管±軸向作用的空白。
【附圖說(shuō)明】

[0013] 圖1為半球形探測(cè)儀立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2為半球形探測(cè)儀俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖3為半球形探測(cè)儀仰視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖4為半球形探測(cè)儀側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖中：1、加載臂;2、孔壓傳感器引線;3、半球形器體;4、孔壓傳感器。
【具體實(shí)施方式】 [001引實(shí)施例；
[0019] -種智能海底管±軸向作用的半球形探測(cè)儀，如圖1-4所示，由半球形器體3、加載 臂1、四個(gè)孔壓傳感器4和四條孔壓傳感器引線2組成，加載臂1及半球形器體3采用侶合金材 質(zhì)，直徑為500mm、壁厚為50mm，半球形器體3的中部水平方向均設(shè)四個(gè)圓孔，四個(gè)圓孔所在 平面的直徑為200mm，圓孔直徑為5mm;直徑25mm、高度1000 mm的加載臂1的一端垂直固定于 半球形器體3底部的中屯、，另一端與海底探測(cè)設(shè)備的控制執(zhí)行系統(tǒng)連接；四個(gè)孔壓傳感器4 分別固定于半球形器體3的四個(gè)圓孔內(nèi)并通過(guò)四條孔壓傳感器引線2與加載臂1固定W方便 并入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);半球形探測(cè)儀垂直設(shè)置于海床上。
[0020] 本實(shí)用新型的技術(shù)分析：
[0021] 該半球形探測(cè)儀基于海底管道實(shí)際安裝鋪設(shè)及正常運(yùn)行過(guò)程的綜合考慮，運(yùn)用了 =種等效類(lèi)比手段:海底管道測(cè)試過(guò)程的等效類(lèi)比、探測(cè)設(shè)備和海底管道幾何尺寸等效類(lèi) 比W及探測(cè)設(shè)備和海底管道運(yùn)動(dòng)方式的等效類(lèi)比設(shè)計(jì)而出，可測(cè)量管道安裝過(guò)程所需的不 排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(粘±)及埋深指標(biāo)、安裝后管道固結(jié)沉降量和運(yùn)行過(guò)程中管道軸向剪切 剛度及軸向摩阻力的固結(jié)硬化指標(biāo)。
[0022] 1.海底管道測(cè)試過(guò)程等效類(lèi)比處理：
[0023] 考慮到海底管道從鋪設(shè)安裝到正常運(yùn)行整個(gè)過(guò)程中淺層±體的排水狀況，半球形 探測(cè)儀的測(cè)試過(guò)程被等效地劃分為=個(gè)階段(詳見(jiàn)表1):
[0024] 1)管道安裝階段:將實(shí)際的管道自重由等效豎向荷載來(lái)代替，通常可W用豎向貫 入距離和時(shí)間來(lái)控制安裝過(guò)程中的不排水工況，及安裝過(guò)程中的初始管道埋深；
[0025] 2)管道安裝后固結(jié)階段:將實(shí)際的管道安裝后的固結(jié)壓力（即管道自重)用等效的 豎向荷載代替，具體地，完成1)階段測(cè)試之后，維持貫入到目標(biāo)埋深處的對(duì)應(yīng)豎向力，等待 孔隙水壓力徹底消散；
[0026] 3)管道正常運(yùn)行階段:將實(shí)際的管道運(yùn)行時(shí)的溫度應(yīng)力的熱棘輪效應(yīng)由轉(zhuǎn)向正反 交替的循環(huán)剪切來(lái)代替，并由不同的剪切速度控制剪切過(guò)程中的排水程度，由轉(zhuǎn)向正反切 換時(shí)的滯留時(shí)間控制間歇式的固結(jié)時(shí)間。
[0027] 表1半球形探測(cè)儀探測(cè)過(guò)程等效處理措施 [002引
[0029] 2.半球形探測(cè)儀與海管幾何尺寸等效類(lèi)比處理：
[0030]盡管用有限長(zhǎng)的管道作為探測(cè)設(shè)備的幾何形狀可能更為簡(jiǎn)單及直觀地測(cè)試相關(guān) 工程參數(shù)，但是由于其在軸向剪切過(guò)程中，兩端不斷推±將造成明顯的端部效應(yīng)，因此本專(zhuān) 利采用了半球形剪切面W避免端部效應(yīng)對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。然而，基于此理念設(shè)計(jì)的半球 形探測(cè)儀在結(jié)構(gòu)形狀上區(qū)別于海管，所W需對(duì)其和海管在幾何尺寸的相關(guān)參數(shù)(見(jiàn)圖1)上 進(jìn)行合理等效類(lèi)比（詳見(jiàn)表2)，W方便直接探測(cè)相關(guān)工程設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0031 ]表2半球形探測(cè)儀與海管在幾何尺寸上的等效處理措施
[0033] 3.半球形探測(cè)儀與海管運(yùn)動(dòng)方式等效類(lèi)比處理：
[0034] 半球形剪切面的設(shè)計(jì)思想的引入，使得真實(shí)海管的軸向運(yùn)動(dòng)可W用軸對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)來(lái)等效類(lèi)比，對(duì)應(yīng)的受力類(lèi)比示意圖見(jiàn)圖1，而豎向的海管運(yùn)動(dòng)無(wú)需進(jìn)去相關(guān)類(lèi)比處理。 此外，在不同的測(cè)試過(guò)程中，對(duì)應(yīng)等效類(lèi)比參數(shù)見(jiàn)表3。
[0035] 表3半球形探測(cè)儀與海管進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式等效處理后的相關(guān)參數(shù)換算
[0036]
[0037] 本實(shí)用新型借上述=種等效類(lèi)比手段，成功地將海底管道的鋪設(shè)過(guò)程及后期的正 常運(yùn)行過(guò)程轉(zhuǎn)化為半球形探測(cè)儀豎向貫入測(cè)試及旋轉(zhuǎn)剪切測(cè)試，并在測(cè)試中通過(guò)有效的數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)記錄半球形探測(cè)儀貫入深度，沉降水平，剪切距離，孔隙水壓力的時(shí)間響應(yīng)W及 施加的豎向荷載和剪切時(shí)的扭矩響應(yīng)，W便獲取海管設(shè)計(jì)中所需的淺層±體的抗剪強(qiáng)度指 標(biāo)，固結(jié)系數(shù)指標(biāo)，軸向摩阻力指標(biāo)等關(guān)鍵工程設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0038] 本實(shí)用新型的具體勘察工作，步驟如下：
[0039] 1.下潛安裝過(guò)程:保證支撐測(cè)試設(shè)備的基架平穩(wěn)坐落于預(yù)測(cè)的海床位置。
[0040] 2.測(cè)試海底管道鋪裝過(guò)程的工程參數(shù)：
[0041] 1)控制半球形探測(cè)儀的貫入速度，確保其在貫入過(guò)程中保持不排水工況，通常結(jié) 合±體的固結(jié)系數(shù)需提前設(shè)定貫入距離及時(shí)間，此過(guò)程采用豎向位移控制，記錄過(guò)程中的 時(shí)間（t)、豎向位移(W)、豎向承載力(V)及孔隙水壓力(P);
[0042] 2)最好重復(fù)做一組的貫入過(guò)程，但是切換成豎向力控制，需確保施加在半球形探 測(cè)儀上的豎直向荷載等效于具體工程中海管的自重，保證真實(shí)工況下的低正應(yīng)力狀態(tài)；
[0043] 3)維持豎向力不變(V)，等待孔隙水壓力完全消散，記錄此固結(jié)過(guò)程中的時(shí)間（t)、 豎向位移(W)及孔隙水壓力(P)。
[0044] 3.測(cè)試海底管道正常運(yùn)行過(guò)程的工程參數(shù)：
[0045] 1)半球形探測(cè)儀保持恒定的旋轉(zhuǎn)剪切角速度，順時(shí)針及逆時(shí)針交替(每旋轉(zhuǎn)180切 換方向）旋轉(zhuǎn)，直至沒(méi)有明顯的孔隙水壓力變化；
[0046] 2)半球形探測(cè)儀保持恒定的不排水旋轉(zhuǎn)剪切角速度，順時(shí)針及逆時(shí)針交替（每旋 轉(zhuǎn)180切換方向）旋轉(zhuǎn)，但是，每次旋轉(zhuǎn)方向切換時(shí)確保一個(gè)駐留時(shí)間，W便剪切產(chǎn)生的孔隙 水壓力發(fā)生部分消散，直至沒(méi)有明顯的孔隙水壓力變化。
[0047] 注：恒定的旋轉(zhuǎn)角速度的選取需要考慮實(shí)際工程中±體的固結(jié)系數(shù)，建議值為 0.0179deg/s，其對(duì)應(yīng)工況為海底管道初始埋深為0.5D，±體為正常固結(jié)的高嶺±。
[0048] 本實(shí)用新型不僅可運(yùn)用于勘察深海管±的軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)制，測(cè)量相關(guān)的工程設(shè)計(jì)參 數(shù)，而且適合于淺海非填埋直接鋪設(shè)海管的軸向管±作用的相關(guān)監(jiān)測(cè)?？紤]到現(xiàn)有的海洋 實(shí)地勘察技術(shù)和手段，本設(shè)備可W借助海上鉆井平臺(tái)進(jìn)行勘測(cè)淺層±體的不排水抗剪強(qiáng)度 和管道鋪設(shè)后的相關(guān)固結(jié)指標(biāo)(如固結(jié)沉降，孔隙水壓力的消散狀況等），最佳的實(shí)施方式 應(yīng)該結(jié)合工程前期的勘察船，在計(jì)劃鋪設(shè)管道區(qū)域內(nèi)每間隔1-5公里(在較均勻的地質(zhì)區(qū)域 可W選取較大的測(cè)量間隔)進(jìn)行系統(tǒng)的管±軸向作用的勘察。首先，需將半球形探測(cè)儀通過(guò) 加載臂(參見(jiàn)圖2中加載臂1)與常規(guī)海洋巖±勘察設(shè)備連接，即：加載臂1上安裝壓力傳感器 和測(cè)扭矩傳感器后與勘察設(shè)備中的控制執(zhí)行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，并將安裝在半球形 探測(cè)儀底部的四個(gè)孔壓傳感器4通過(guò)引線2并入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；同時(shí)，為了保證半球形探測(cè) 儀貫入和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，整個(gè)底部半球形剪切面3需與中屯、加載臂IW螺紋方式固定;此外， 半球形剪切面3需涂抹防腐保護(hù)層并控制表面的粗糖度跟真實(shí)海底管道的一致。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種智能海底管土軸向作用的半球形探測(cè)儀，其特征在于：由半球形器體、加載臂、 四個(gè)孔壓傳感器和四條孔壓傳感器引線組成，加載臂及半球形器體采用鋁合金材質(zhì)，直徑 為500mm、壁厚為50mm，半球形器體的中部水平方向均設(shè)四個(gè)圓孔，四個(gè)圓孔所在平面的直 徑為200mm，圓孔直徑為5mm;直徑25mm、高度1000mm的加載臂的一端垂直固定于半球形器體 底部的中心，另一端與海底探測(cè)設(shè)備的控制執(zhí)行系統(tǒng)連接；四個(gè)孔壓傳感器分別固定于半 球形器體的四個(gè)圓孔內(nèi)并通過(guò)四條孔壓傳感器引線與加載臂固定以方便并入數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng);半球形探測(cè)儀垂直設(shè)置于海床上。
【文檔編號(hào)】G01V9/00GK205720728SQ201620353326
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】閆玥, 練繼建
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)