一种用于筒型基础下沉的负压控制装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种海洋工程的试验装置，特别是涉及一种筒型基础下沉过程中负压自动控制的试验装置及其使用方法。

背景技术：

人类进入21世纪，能源危机日益突出，海上风能作为一种可再生的清洁能源，成为缓解全球能源紧张形势的新方向。筒型基础作为一种新型的海洋平台基础形式，实质上是一种带裙板的圆板基础，由于其具有减少工程量、节省投资、缩短施工时间、可重复使用等优点，正逐步应用于海上风电的基础工程中。筒型基础主要依靠内外压差(负压)实现沉放就位，是其区别于传统基础的突出特点，也是实现工程应用的前提。作为一种新型的安装方式，筒型基础负压下沉在国内外的应用历史较短，工程经验不够丰富，因此急需开展模型试验，以指导筒型基础的理论研究。筒型基础在下沉过程中，负压不仅提供贯入压力，而且会引发渗流，渗流一方面会降低下沉阻力，另一方面也会限制施加负压的大小，因为负压过大会造成土体渗透破坏，影响筒型基础的使用，所以在模型试验中需要研究筒型基础下沉过程中施加负压的合理范围；同时为更深入地了解筒型基础的下沉过程，需要对负压与下沉深度、筒壁内外土压力、筒壁内外孔隙水压力、筒端阻力之间的关系进行研究。

现有的负压筒下沉试验设备仅包含真空泵与真空罐，调节负压的方式采用人工调节阀门与开关真空泵。此类试验装置在试验开始前，将真空罐与筒型基础之间的阀门关闭，利用真空泵将真空罐内部的空气排空，制造真空环境；试验开始后，将真空泵与真空罐之间的阀门关闭，打开真空罐与筒型基础之间的阀门，以此在筒型基础内部创造相对稳定的负压环境，在试验过程中，筒型基础内部的负压大小，依靠阀门进行调节。

常用的负压试验装置仅依靠人工开关阀门来控制负压大小，因此筒型基础内部的负压不够准确，与此同时，筒型基础内部的负压会随着时间逐渐释放，当进行长时间的模型试验时，负压必定会有所降低，也会给试验结果带来误差。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种用于筒型基础下沉的负压试验装置(即控制装置)及其使用方法，能够根据设定自动调节筒型基础内的负压大小，在试验过程中提供稳定的负压环境，解决了在进行负压沉放试验时需要大型负压调节罐来储存负压，负压在长时间试验过程中缓慢释放造成的不稳定问题。

本发明通过下述技术方案予以实现：

一种控制筒型基础下沉负压的试验装置，包括真空泵1；由负压储存罐罐盖4、连接螺栓5、负压储存罐罐体6、负压储存罐真空表7、负压储存罐入口调节阀3和负压储存罐出口调节阀8组成的负压储存罐；由标准真空表11、标准真空表入口调节阀10、标准真空表出口调节阀12、控制面板总阀门14、电接点真空表入口调节阀16、电接点真空表17、电接点真空表出口调节阀18、真空管入口调节阀20、真空管21、排水阀22、真空管出口调节阀23、控制面板24、真空泵控制箱25、电源指示灯26、真空泵开关27、空气开关31、继电器33和接线端子35组成的控制系统。系统的连接结构是：真空泵1分别通过连接管路Ⅰ2和连接电路Ⅱ29与负压储存罐和控制系统的真空泵控制箱25相连，连接管路Ⅰ2靠近负压储存罐罐盖的一端设有负压储存罐入口调节阀3，负压储存罐罐盖4上设有负压储存罐真空表7，负压储存罐罐盖4与负压储存罐罐体6通过两端的连接螺栓5活动连接，负压储存罐通过连接管路Ⅱ9与控制系统的标准真空表11相连，连接管路Ⅱ9靠近负压储存罐一端设有负压储存罐出口调节阀8，靠近标准真空表11的一端设有标准真空表入口调节阀10，标准真空表11通过连接管路Ⅲ13与控制面板总阀门14连接，连接管路Ⅲ13在靠近标准真空表11的一端设有真空表出口调节阀12，控制面板总阀门14通过连接管路Ⅳ15与电接点真空表17相连，连接管路Ⅳ15在靠近电接点真空表17的一端设有电接点真空表入口调节阀16，电接点真空表17通过连接管路Ⅴ19与真空管21相连，连接管路Ⅴ19在靠近电接点真空表17一端设有电接点真空表出口调节阀18，在靠近真空管21一端设有真空管入口调节阀20，真空管21通过真空管出口调节阀23与外接管路相连，真空管21下方设有排水阀22，电接点真空表17通过连接电路Ⅰ28与真空泵控制箱25相连，真空泵控制箱25上设有电源指示灯26和真空泵开关27，在真空泵控制箱25内，外接电源通过连接电路Ⅲ30与空气开关31相连接，空气开关31通过连接电路Ⅳ32与继电器33相连，继电器33通过连接电路Ⅱ29与真空泵1相连接，电接点真空表17通过连接电路Ⅰ28与接线端子35相连接，接线端子35通过连接电路Ⅴ34与继电器33相连接。

在上述技术方案中，所述的真空泵为旋片真空泵，转速为1400转/分，抽速为4升/秒，额定功率为0.55kW，极限真空达到6×10^-2Pa。

在上述技术方案中，所述的负压储存罐罐盖为壳体结构，直径为30-40cm，高度为3-5cm；负压储存罐罐体6为圆筒结构，直径为30-40cm，高度为30-50cm。

在上述技术方案中，所述的连接管路Ⅰ2、连接管路Ⅱ9、连接管路Ⅲ13、连接管路Ⅳ15、连接管路Ⅴ19均为管径4-8mm的塑料硬管。

在上述技术方案中，所述的负压储存罐入口调节阀3、负压储存罐出口调节阀8、标准真空表入口调节阀10、标准真空表出口调节阀12、电接点真空表入口调节阀16、电接点真空表出口调节阀18、真空管入口调节阀20、真空管出口调节阀23和排水阀22均为球阀。

在上述技术方案中，所述的电接点真空表额定电压为220V，触头功率为10W，量程范围为﹣0.1MPa；标准真空表的量程范围为760mm水银柱。

本发明的使用方法如下：

(1)首先将整体管路连接完毕，试验用筒型基础模型与真空管出口调节阀23相连接，在电接点真空表上设定负压值的上限与下限，并打开负压储存罐入口调节阀3、标准真空表入口调节阀10、标准真空表出口调节阀12、电接点真空表入口调节阀16、电接点真空表出口调节阀18、真空管入口调节阀20和真空管出口调节阀23，关闭负压储存罐出口调节阀8和排水阀22。

(2)打开真空泵开关27，真空泵工作，负压储存罐内的真空度逐渐增加，通过负压储存罐真空表7观察负压储存罐内的真空度，当负压储存罐内的真空度略大于试验要求负压的下限值后，打开负压储存罐出口调节阀8。

(3)此时试验装置内的负压值应略大于电接点真空表17上设定负压值的下限，真空泵1依然处于开启状态，随着试验的进行，负压值逐渐提高，当负压值高于设定值的上限后，电接点真空表17将通过连接电路关闭真空泵开关27，真空泵1停止工作，随着筒型基础下沉量的增加和时间的增长，试验装置内部的负压值将会缓慢降低；当负压值低于设定值的下限后，电接点真空表17将通过连接电路开启真空泵开关27，真空泵1开始工作，提高试验装置内部的真空度，以此往复循环达到自动稳定试验装置内部负压的目的。

在试验过程中发现负压设定值不满足试验条件，需要增加或者降低试验装置的负压值时，在电接点真空表17上改变负压值的上限和下限，由电接点真空表17控制真空泵开关27，增加或者降低试验装置内部的整体负压值，从而达到改变试验负压的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)装置是由电接点真空表测量筒型基础内的负压，并结合设定值决定是否开启真空泵，从而可以长时间内保证筒型基础内部负压的稳定。

(2)装置通过控制真空泵的开关来稳定负压，可以适当减小负压储存罐的体积，较小的负压储存罐也可以进行较大规模的筒型基础负压下沉试验。

附图说明

图1是本发明试验装置的正视图；

图2是本发明试验装置的后视图；

图3是本发明的真空泵控制箱内部结构示意图；

其中，1、真空泵；2、连接管路Ⅰ；3、负压储存罐入口调节阀；4、负压储存罐罐盖；5、连接螺栓；6、负压储存罐罐体；7、负压储存罐真空表；8、负压储存罐出口调节阀；9、连接管路Ⅱ；10、标准真空表入口调节阀；11、标准真空表；12、标准真空表出口调节阀；13、连接管路Ⅲ；14、控制面板总阀门；15、连接管路Ⅳ；16、电接点真空表入口调节阀；17、电接点真空表；18、电接点真空表出口调节阀；19、连接管路Ⅴ；20、真空管入口调节阀；21、真空管；22、排水阀；23、真空管出口调节阀；24、控制面板；25、真空泵控制箱；26、电源指示灯；27、真空泵开关；28、连接电路Ⅰ；29、连接电路Ⅱ；30、连接电路Ⅲ；31、空气开关；32、连接电路Ⅳ；33、继电器；34、连接电路Ⅴ；35、接线端子。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

一种控制筒型基础下沉负压的试验装置，包括真空泵1；由负压储存罐罐盖4、连接螺栓5、负压储存罐罐体6、负压储存罐真空表7、负压储存罐入口调节阀3和负压储存罐出口调节阀8组成的负压储存罐；由标准真空表11、标准真空表入口调节阀10、标准真空表出口调节阀12、控制面板总阀门14、电接点真空表入口调节阀16、电接点真空表17、电接点真空表出口调节阀18、真空管入口调节阀20、真空管21、排水阀22、真空管出口调节阀23、控制面板24、真空泵控制箱25、电源指示灯26、真空泵开关27、空气开关31、继电器33和接线端子35组成的控制系统。系统的连接结构是：真空泵1分别通过连接管路Ⅰ2和连接电路Ⅱ29与负压储存罐和控制系统的真空泵控制箱25相连，连接管路Ⅰ2靠近负压储存罐罐盖的一端设有负压储存罐入口调节阀3，负压储存罐罐盖4上设有负压储存罐真空表7，负压储存罐罐盖4与负压储存罐罐体6通过两端的连接螺栓5活动连接，负压储存罐通过连接管路Ⅱ9与控制系统的标准真空表11相连，连接管路Ⅱ9靠近负压储存罐一端设有负压储存罐出口调节阀8，靠近标准真空表11的一端设有标准真空表入口调节阀10，标准真空表11通过连接管路Ⅲ13与控制面板总阀门14连接，连接管路Ⅲ13在靠近标准真空表11的一端设有真空表出口调节阀12，控制面板总阀门14通过连接管路Ⅳ15与电接点真空表17相连，连接管路Ⅳ15在靠近电接点真空表17的一端设有电接点真空表入口调节阀16，电接点真空表17通过连接管路Ⅴ19与真空管21相连，连接管路Ⅴ19在靠近电接点真空表17一端设有电接点真空表出口调节阀18，在靠近真空管21一端设有真空管入口调节阀20，真空管21通过真空管出口调节阀23与外接管路相连，真空管21下方设有排水阀22，电接点真空表17通过连接电路Ⅰ28与真空泵控制箱25相连，真空泵控制箱25上设有电源指示灯26和真空泵开关27，在真空泵控制箱25内，外接电源通过连接电路Ⅲ30与空气开关31相连接，空气开关31通过连接电路Ⅳ32与继电器33相连，继电器33通过连接电路Ⅱ29与真空泵1相连接，电接点真空表17通过连接电路Ⅰ28与接线端子35相连接，接线端子35通过连接电路Ⅴ34与继电器33相连接，电接点真空表17通过控制继电器33来启动或者停止真空泵1。

上述的真空泵为旋片真空泵，转速为1400转/分，抽速为4升/秒，额定功率为0.55kW，极限真空达到6×10^-2Pa。

上述的负压储存罐罐盖为壳体结构，直径为35cm，高度为4cm；负压储存罐管体6为圆筒结构，直径为35cm，高度为34cm。

上述的连接管路Ⅰ2、连接管路Ⅱ9、连接管路Ⅲ13、连接管路Ⅳ15、连接管路Ⅴ19均为管径6mm的塑料硬管。

上述的负压储存罐入口调节阀3、负压储存罐出口调节阀8、真空表入口调节阀10、真空表出口调节阀12、电接点真空表入口调节阀16、电接点真空表出口调节阀18、真空管入口调节阀20、真空管出口调节阀23和排水阀22均为球阀。

上述的电接点真空表额定电压为220V，触头功率为10W，量程范围为-0.1MPa。标准真空表的量程范围为760mm水银柱。

本发明的使用方法如下：

(1)首先将整体管路连接完毕，试验用筒型基础模型与真空管出口调节阀23相连接，在电接点真空表上设定负压值的上限与下限，并打开负压储存罐入口调节阀3、标准真空表入口调节阀10、标准真空表出口调节阀12、电接点真空表入口调节阀16、电接点真空表出口调节阀18、真空管入口调节阀20和真空管出口调节阀23，关闭负压储存罐出口调节阀8和排水阀22。

(2)打开真空泵开关27，真空泵工作，负压储存罐内的真空度逐渐增加，通过负压储存罐真空表7观察负压储存罐内的真空度，当负压储存罐内的真空度略大于试验要求负压的下限值后，打开负压储存罐出口调节阀8。

(3)此时试验装置内的负压值应略大于电接点真空表17上设定负压值的下限，真空泵1依然处于开启状态，随着试验的进行，负压值逐渐提高，当负压值高于设定值的上限后，电接点真空表17将通过连接电路关闭真空泵开关27，真空泵1停止工作，随着筒型基础下沉量的增加和时间的增长，试验装置内部的负压值将会缓慢降低；当负压值低于设定值的下限后，电接点真空表17将通过连接电路开启真空泵开关27，真空泵1开始工作，提高试验装置内部的真空度，以此往复循环达到自动稳定试验装置内部负压的目的。

在试验过程中发现负压设定值不满足试验条件，需要增加或者降低试验装置的负压值时，在电接点真空表17上改变负压值的上限和下限，由电接点真空表17控制真空泵开关27，增加或者降低试验装置内部的整体负压值，从而达到改变试验负压的目的。

本发明的真空泵通过连接管路与负压储存罐相连接，负压储存罐扩大了整体装置的体积，使负压相对稳定，不会在短时间内产生明显变化。负压储存罐通过连接管路与控制面板进行连接，控制面板内的电接点真空表可以实施测量连接管路内的负压值，当负压值低于设定值后，电接点真空表将通过连接电路开启真空泵开关，真空泵开始工作，提高试验装置内部的真空度；当负压值高于设定值后，真空泵停止工作，随着筒型基础下沉量的增加和时间的增长，试验装置内部的真空度将会缓慢降低，以此往复循环达到试验装置内部负压的自动控制。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。