一種智能海底管土軸向作用的半球形探測儀制造技術

一種智能海底管土軸向作用的半球形探測儀，由半球形器體、加載臂、四個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四個圓孔，加載臂的一端垂直固定于半球形器體底部的中心，另一端與海底探測設備的控制執行系統連接；四個孔壓傳感器分別固定于半球形器體的四個圓孔內并通過四條孔壓傳感器引線與加載臂固定以方便并入數據采集系統；半球形探測儀垂直設置于海床上。本實用新型專利技術的優點是：對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試手段；對于已建管道是否發生效應進行評估；確定可能發生棘輪效應的海底管道設置合理的減緩或抑制管道軸向運動的相關設備的數量和類型，在保證管道安全的前提下降低項目成本。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及深海巖土現場勘察及監測領域，特別是一種智能海底管土軸向作用的環形探測儀。
技術介紹
海底管道是海洋工程設備中的重要組成部分，其安全是深海油氣輸運的重要保證，由于前期勘察，設計及施工過程的復雜性，其成本遠高于陸地管道(僅近海管道施工費用就高于同類陸地管道的1-2倍)。尤其隨著海洋油氣的開采從近海逐漸步入深海乃至超深海，管道的長度驟然增長，預計我國在十二五期間，鋪設海底管道的長度將超過1000km，因此科學、安全的海底管道設計方案使巨額的工程成本得以削減和優化。深海的管道運行環境不同于近海工況，波浪和流體等動荷載對于管道的影響將會大幅降低。因此，深海管道通常采用直接鋪設于海床上的方式。由于深海表層土一般較為松軟，海底管道會在自重作用下部分或全部沉入地基土中。鋪設于海床上的管道在正常運行的工況下往往處于高溫高壓的狀態，由于管道內部溫度應力的變化，管道有膨脹或壓縮的趨勢。地基與管道界面處的摩擦力對管道的變形具有約束作用。如果這種約束作用力很大使得管道不能自由伸展變形，管道可能發生屈曲，一旦屈曲發生，管道的軸向力會大幅降低，同時在屈曲段發生軸向補償效應，屈曲段中過大的彎曲變形將會導致管道破壞。如果這種約束力較小，由于管道運行過程中有效軸向應力的不對稱性(主要來源于管道運行過程中非等時的啟停機操作、海床坡度以及管道中油氣密度的變化)，使得管道軸向與地基土產生較大的相對位移，這種現象稱之為棘輪效應。伴隨著棘輪效應的加劇，整體管道軸向會發生較大位移，可能導致管道間連接件及末端設備的應力過載破壞或者管道中間段的應力(或應變)過大而發生破壞。對于管道屈曲問題，隨著海洋工程實踐經驗的積累，相關的設計規范不斷得以優化和改進，尤其是近十年來由全球多所高校及研究機構依托工業界的支持倡導的SAFEBUCK JIP項目，為整體屈曲設計提供比較完備的解決方案。因此，海底管道的整體屈曲測試原理不納入本專利的研究范疇。而對于棘輪現象，國內外的研究還較少，目前基本上局限于理論方面的探討，同時數據多來源于室內測試。由于深海土體多以正常固結軟粘土為主，其淺層土體，更具有強度低、易擾動的特點。因此常規的實驗室原狀態測試往往不能給出準確的土工參數，特別是涉及到海底管道的設計時，由于淺層土體承受的有效應力僅為2-10kPa，遠低于實驗室中能夠得到的可靠數據的應力水平。為此，現場測試深海粘土特性的探測設備應運而生，并已逐步應用到實際工程實踐中，例如：T-bar探測儀，盡管能夠很好探測土體(粘土)的不排水抗剪強度，但是對于管土作用中所需要的管土接觸特性依舊無法評估。此后，Fugro巖土工程公司研發了一種新型的深海探測儀Fugro SMARTPIPE，以進行深海管土作用的相關研究。然而，該設備的明顯缺陷是無法克服管段兩端明顯的邊界效應。因此，為了獲取準確的海底淺層土體的工程設計指標，真實地揭示pipeline walking的機理以及提供更為可靠的管道軸向摩阻力設計參數，本專利闡述了一種新型的海底管道管土軸向作用的探測設備：半球形探測儀。
技術實現思路
本技術的目的是針對上述存在問題，提供一種智能海底管土軸向作用的半球形探測儀，該探測設備，揭示海底管道熱棘輪效應，勘測海底淺層土體的工程設計指標:不排水抗剪強度指標(粘土)及管道初始埋深指標、管道固結沉降量指標、管道軸向剪切特性指標以及管道軸向摩阻力的固結硬化指標，從而完善海洋巖土的現場勘察和監測設備，為海底管道設計提供更為可靠的工程參數，優化傳統的海底管道設計方案。本技術的技術方案：一種智能海底管土軸向作用的半球形探測儀，由半球形器體、加載臂、四個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，直徑為500mm、壁厚為50mm，半球形器體的中部水平方向均設四個圓孔，四個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，另一端與海底探測設備的控制執行系統連接；四個孔壓傳感器分別固定于半球形器體的四個圓孔內并通過四條孔壓傳感器引線與加載臂固定以方便并入數據采集系統；半球形探測儀垂直設置于海床上。本技術的有益效果是：1)對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試手段；2)探求海底管道熱棘輪效應所發生的的力學機制，利用合理的計算方法設計避免或減輕海底管道發生熱棘輪效應對于海底管道的危害，對于已建管道是否發生效應進行評估；3)確定可能發生棘輪效應的海底管道設置合理的減緩或抑制管道軸向運動的相關設備的數量和類型，從而在保證管道安全的前提下降低項目成本，本技術填補了深海現場勘察管土軸向作用的空白。附圖說明圖1為半球形探測儀立體結構示意圖。圖2為半球形探測儀俯視結構示意圖。圖3為半球形探測儀仰視結構示意圖。圖4為半球形探測儀側視結構示意圖。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。具體實施方式實施例：一種智能海底管土軸向作用的半球形探測儀，如圖1-4所示，由半球形器體3、加載臂1、四個孔壓傳感器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采用鋁合金材質，直徑為500mm、壁厚為50mm，半球形器體3的中部水平方向均設四個圓孔，四個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1的一端垂直固定于半球形器體3底部的中心，另一端與海底探測設備的控制執行系統連接；四個孔壓傳感器4分別固定于半球形器體3的四個圓孔內并通過四條孔壓傳感器引線2與加載臂1固定以方便并入數據采集系統；半球形探測儀垂直設置于海床上。本技術的技術分析：該半球形探測儀基于海底管道實際安裝鋪設及正常運行過程的綜合考慮，運用了三種等效類比手段：海底管道測試過程的等效類比、探測設備和海底管道幾何尺寸等效類比以及探測設備和海底管道運動方式的等效類比設計而出，可測量管道安裝過程所需的不排水抗剪強度指標(粘土)及埋深指標、安裝后管道固結沉降量和運行過程中管道軸向剪切剛度及軸向摩阻力的固結硬化指標。1.海底管道測試過程等效類比處理：考慮到海底管道從鋪設安裝到正常運行整個過程中淺層土體的排水狀況，半球形探測儀的測試過程被等效地劃分為三個階段(詳見表1)：1)管道安裝階段：將實際的管道自重由等效豎向荷載來代替，通常可以用豎向貫入距離和時間來控制安裝過程中的不排水工況，及安裝過程中的初始管道埋深；2)管道安裝后固結階段：將實際的管道安裝后的固結壓力(即管道自重)用等效的豎向荷載代替，具體地，完成1)階段測試之后，維持貫入到目標埋深處的對應豎向力，等待孔隙水壓力徹底消散；3)管道正常運行階段：將實際的管道運行時的溫度應力的熱棘輪效應由轉向正反交替的循環剪切來代替，并由不同的剪切速度控制剪切過程中的排水程度，由轉向正反切換時的滯留時間控制間歇式的固結時間。表1半球形探測儀探測過程等效處理措施2.半球形探測儀與海管幾何尺寸等效類比處理：盡管用有限長的管道作為探測設備的幾何形狀可能更為簡單及直觀地測試相關工程參數，但是由于其在軸向剪切過程中，兩端不斷推土將造成明顯的端部效應，因此本專利采用了半球形剪切面以避免端部效應對探測結果的影響。然而，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種智能海底管土軸向作用的半球形探測儀，其特征在于：由半球形器體、加載臂、四個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，直徑為500mm、壁厚為50mm，半球形器體的中部水平方向均設四個圓孔，四個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，另一端與海底探測設備的控制執行系統連接；四個孔壓傳感器分別固定于半球形器體的四個圓孔內并通過四條孔壓傳感器引線與加載臂固定以方便并入數據采集系統；半球形探測儀垂直設置于海床上。

【技術特征摘要】
1.一種智能海底管土軸向作用的半球形探測儀，其特征在于：由半球形器體、加載臂、四個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，直徑為500mm、壁厚為50mm，半球形器體的中部水平方向均設四個圓孔，四個圓孔所在平面的直徑為200mm，圓孔...

【專利技術屬性】
技術研發人員：閆玥，練繼建，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：新型
國別省市：天津;12