一种考虑钢悬链线立管张力作用下管线轴向定向位移的试验装置的制作方法

本发明属于海上油气运输工程领域，尤其涉及一种考虑钢悬链线立管张力作用下管线轴向定向位移的试验装置。

背景技术：

随着我国海上油气资源的进一步开发，海上油气运输也面临着更大的考验。海底输油管线作为油气运输的主要手段，可长达上百公里，且由于水深限制，管线维修困难，一旦发生事故，将造成经济、环境、生态等多方损失，造成不可挽回的后果。因此应在设计阶段，对管线进行系统研究，分析安全隐患，保障生产的顺利进行。管线的轴向定向移动是深海管线工程中出现的新问题。海底管线通常一端连接井口，一端连接钢悬链线立管，将油气运至浮式结构。近年来，学者们研究发现一端受钢悬链线立管张力作用海底管线在升温降温工作循环内，会发生指向受拉一侧的轴向位移，这种现象称为管线的轴向定向移动(pipeline walking)。海底管线的实测数据揭示，每公里海底管线在一次升温降温过程中，可沿轴向移动数十厘米，而在整个的海底管线服役期其轴向移动量可达到数米，可造成与管线链接的三通/四通或跨接管线出现应力过大、悬链线立管丧失张力等不良影响。因此，温压作用下钢悬链线立管张力作用导致轴向定向移动是深海管线设计必须要考虑的问题。目前，由于试验中油温不易控制、试验尺寸较大、土面不易平整等因素，大多数学者对管线轴向定向移动规律研究停留在理论或数值分析阶段。然而，试验方法模拟海底管线轴向定向位移，可较为真实的还原实际工程，是海底管线轴向定向位移的预测不可缺少的环节。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种考虑钢悬链线立管张力作用下管线轴向定向位移的试验装置。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种考虑钢悬链线立管张力作用下管线轴向定向位移的试验装置，包括试验槽、输油设备、出油管路、回油管路、进口采集装置、出口采集装置和测试输油管，测试输油管设置于试验槽内，在测试输油管的两端分别设置有进口采集装置和出口采集装置，输油设备通过出油管路与进口采集装置相连，通过回油管路与出口采集装置；

试验槽的槽体底部由立柱支撑，槽体轴向的两侧安装有钢化玻璃，在槽体内铺有土层，输油管路放置于土层之上，在槽体的两端设置有支撑架，在两端的支撑架上分别设置进口采集装置和出口采集装置，所述进口采集装置和出口采集装置均由滑轨、滑块、连接套、电动缸、拉力传感器、温度传感器和激光位移传感器构成，输油管路的两端分别与进口采集装置和出口采集装置的连接套相连；

所述进口采集装置各部件的连接关系为：滑轨设置于支撑架上，在滑轨上设置有滑块，滑块上部与连接套相连，电动缸设置于滑轨上与滑块相连，并向滑块施加向外的恒定拉力(滑块带动其上的连接套，即向与连接套相连的测试输油管施加向外的恒定拉力)，连接套向内一侧与测试输油管相连，连接套向外一侧依次连接温度传感器、拉力传感器和出油管路，所述出口采集装置和进口采集装置具有相同的结构；

除了设置于测试输油管进口和出口处的温度传感器外，在测试输油管上还等距的设置有贴片式温度传感器，用以测定管线在高温油品通过的过程中温度沿程的变化，在滑轨上设置有激光位移传感器，用于测量在实验过程中滑块在滑轨上的位移，该位移是由于测试输油管的膨胀造成的；

输油设备包括上层油箱、中层辅助油箱和下层油箱，下层油箱连接出油管路，上侧油箱连接回油管路，下层油箱用于将试验用油保温并通入管路，上层油箱用于收集回流后的油品，中层辅助油箱由两个等体积的小型油箱组成，两个小型油箱分别通过独立的连接管路与上层油箱和下层油箱相连通，在两个小型油箱内分别设置有电加热装置，用于交替接收上层油箱流出的试验用油并进行预加热，使下层油箱的试验用油保持稳定的温度；

在上述技术方案中，所述槽体的长度为9-9.5m，宽度为0.5-1m，高度为0.5-1m。

在上述技术方案中，所述槽体底部平行排布有两排立柱，数量为11-12组，各组立柱之间为等间距设置。

在上述技术方案中，所述钢化玻璃为透明的，便于观察试验用土层厚度及管线运动对土体的扰动。

在上述技术方案中，所述电动缸的量程为100N，精度为1N。

在上述技术方案中，在所述下层油箱的出口处设置有大小两个比例阀，用于调节出油速度，使出油速度控制在5mL/s至1L/s。

在上述技术方案中，所述激光位移传感器通过数采仪与PC端连接，测取实时监测数据。

在上述技术方案中，所述贴片式温度传感器等距的设置于输油管路上，间距为0.8-1m。

一种考虑钢悬链线立管张力作用下管线轴向定向位移的试验装置在进行试验时，按照下列步骤进行：

将输油管与试验管线连接，打开油温预热装置，将油温加热到试验所需温度，随后连接传感器、数采仪及PC端，完成安装工作后，打开控制箱，设定电动缸对管线加载的拉力大小，对管线施加轴向拉力(此拉力值小于管线受到的最大土抗力)，随后，调节下层油箱的出油速度，打开出油阀门开始输油(在输油过程中中层辅助油箱的两个小型油箱分别接收上层油箱流下的油品，在其中一个油箱对油品加热时，另一油箱持续接收上层油箱的流下的油品，此设计可效的保持油品在运输过程中保持恒定的温度)，试验过程中测定管线温度，当管线温度曲线不再发生明显变化时，关闭出油阀门，使管线与其内部油品自然冷却至室温(25-30摄氏度)，采集此过程中管线的温度变化及沿轴向的位移量。

根据研究目的，可改变拉力大小、出油速度、设定油温等参数，多次重复上述试验，分析钢悬链线立管张力作用下，海底管线轴向定向位移的变化规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该装置创新性的能够在管道内部循环热油的同时对管道施加拉力，且拉力大小可调节，还原海底管线受到钢悬链线立管张力作用而产生轴向定向位移的情况，从而研究不同张力大小对管线轴向运动规律的影响，同时该装置还可精确的控制通入管线的油速、油温，从而得到管线相应的温度变化曲线，进一步测量不同温度变化条件对管线轴向定向位移的影响。

附图说明

图1为本发明整体侧视结构示意图。

图2为本发明试验槽与采集装置结构示意图。

图3为本发明中进油采集装置结构示意图(出油采集装置与进油采集装置具有相同的结构)。

图4为本发明中输油设备结构示意图。

其中，1为试验槽，1-1为槽体，1-2为钢化玻璃，1-3为立柱，1-4为支撑架，1-5为侧隔板，2为输油设备，2-1为上层油箱，2-2为中层辅助油箱，2-3为下层油箱，2-4为比例阀，2-5为连接管路，2-6为电加热装置，3为进口采集装置，3-1为滑轨，3-2为滑块，3-3为连接套，3-4为电动缸，3-5为拉力传感器，3-6为温度传感器，3-7为激光位移传感器，4为出油管路，5为回油管路，6为测试输油管，7为出口采集装置。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：

如附图所示，一种考虑钢悬链线立管张力作用下管线轴向定向位移的试验装置，包括试验槽1、输油设备2、出油管路4、回油管路5、进口采集装置3、出口采集装置7和测试输油管6，测试输油管设置于试验槽内，在测试输油管的两端分别设置有进口采集装置和出口采集装置，输油设备通过出油管路与进口采集装置相连，通过回油管路与出口采集装置；

试验槽的槽体1-1底部由立柱1-3支撑，槽体轴向的两侧安装有钢化玻璃1-2，在槽体内铺有土层，输油管路放置于土层之上，在槽体的两端设置有支撑架1-4，在两端的支撑架上分别设置进口采集装置和出口采集装置，所述进口采集装置和出口采集装置具有相同的结构，均由滑轨3-1、滑块3-2、连接套3-3、电动缸3-4、拉力传感器3-5、温度传感器3-6和激光位移传感器3-7构成，输油管路的两端分别与进口采集装置和出口采集装置的连接套相连；

所述进口采集装置各部件的连接关系为：滑轨设置于支撑架上，在滑轨上设置有滑块，滑块上部与连接套相连，电动缸设置于滑轨上与滑块相连，并向滑块施加向外的恒定拉力(滑块带动其上的连接套，即向与连接套相连的测试输油管施加向外的恒定拉力)，连接套向内一侧与测试输油管相连，连接套向外一侧依次连接温度传感器、拉力传感器和出油管路，所述出口采集装置和进口采集装置具有相同的结构；

除了设置于测试输油管进口和出口处的温度传感器外，在测试输油管上还等距的设置有贴片式温度传感器，用以测定管线在高温油品通过的过程中温度沿程的变化，在滑轨上设置有激光位移传感器，用于测量在实验过程中滑块在滑轨上的位移，该位移是由于测试输油管的膨胀造成的；

输油设备包括上层油箱2-1、中层辅助油箱2-2和下层油箱2-3，下层油箱连接出油管路，上侧油箱连接回油管路，下层油箱用于将试验用油保温并通入管路，上层油箱用于收集回流后的油品，中层辅助油箱由两个等体积的小型油箱组成，两个小型油箱分别通过独立的连接管路2-5与上层油箱和下层油箱相连通，在两个小型油箱内分别设置有电加热装置2-6，用于交替接收上层油箱流出的试验用油并进行预加热，使下层油箱的试验用油保持稳定的温度；

在上述技术方案中，所述槽体的长度为9m，宽度为0.5m，高度为0.5m。

在上述技术方案中，所述槽体底部平行排布有两排立柱，数量为11组，各组立柱之间为等间距设置。

在上述技术方案中，所述钢化玻璃为透明的，便于观察试验用土层厚度及管线运动对土体的扰动。

在上述技术方案中，所述电动缸的量程为100N，精度为1N。

在上述技术方案中，在所述下层油箱的出口处设置有大小两个比例阀，用于调节出油速度，使出油速度控制在5mL/s至1L/s。

在上述技术方案中，所述激光位移传感器通过数采仪与PC端连接，测取实时监测数据。

在上述技术方案中，所述贴片式温度传感器等距的设置于输油管路上，间距为0.8m。

实施例：

本次试验拟研究管线单侧受到50N拉力作用下，持续快速通入80℃导热油，管道轴向定向位移规律。

试验所用砂土：选用均质的渤海海砂，经测量砂土最大干密度1732kg/m³，最小干密度1555kg/m³，而后按照Dr＝0.6(密度1657kg/m³)制备土样，落雨法填入试验槽。

管线：试验选用9米长铝管，管线外径36mm，内径3mm，热膨胀系数2.32*10-5/℃。包括两端点处，在管线上每隔1米贴1个贴片式温度传感器，共10个贴片式温度传感器。将传感器与数据采集仪和PC端相连。

试验用油：试验用油为导热油，即GB/T 4016-1983《石油产品名词术语》中“热载体油”，用于间接传递热量的一类热稳定性较好的专用油品，具有抗热裂化和化学氧化的性能，传热效率好，散热快，热稳定性好。本实施例选用烷基苯型(苯环型)导热油，购自北京燕欣联石油化工有限公司，型号为YD-340。

试验阶段：管线放置于砂土上，两端与平台连接，并用防水胶带将接口处密封，保证试验过程中油品不外溢。开启油箱加热装置，将导热油预热至80℃。开始采样后，操作控制台，对入油侧施加拉力，并观察PC端上拉力传感器示数为50N。打开比例阀，油速1L/s迅速通入管线，两端普通温度传感器测得入油、出油温度差不超过1℃，即可认为油温通过管线时无明显变化，即管线均匀升温，当管线温度稳定在80℃后，关闭油箱阀门，使管线和残余在管线内的油品温度自然散热。升温降温时，管线膨胀、收缩带动两端平台滑动，采集整个过程激光位移传感器读数，即为管线两端位移变化。温度降至室温后，打开回油阀门，排净管内残余导热油。多次重复上述步骤，获得累计位移量。整个过程，可观察出管线运动对土体的扰动范围。

试验后：整理仪器，处理数据，10个循环后，管线向受拉一侧产生5-10cm的净位移量。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。