海底管道铺设残余变形模拟装置及方法

1.本发明涉及管道铺管试验技术领域，尤其涉及一种海底管道铺设残余变形模拟装置及一种海底管道铺设残余变形模拟方法。

背景技术：

2.近几年，中国海洋石油、天然气开发不断取得新进展，油气产量逐年增加。海上开采出的石油天然气主要靠管道进行输送，海底管道成为深水油气田开发工程建设的一个重要组成部分，海洋管道铺设技术在油气集输中的作用越来越重要。
3.然而，受涌浪等复杂海况影响，海底管道复杂环境下的铺设作业始终是海上油气田开发工程面临的一大难题。但是，目前尚未有针对海底管道铺设残余变形模拟装置及方法，研究人员无法在实验室内对海底管道铺设残余变形进行研究，综上，对于铺管状态下的管道形态模拟已成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种海底管道铺设残余变形模拟装置及方法，可有效模拟海底管道铺设过程中的应力应变状态。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种海底管道铺设残余变形模拟装置，包括主体、电机模块、数据采集模块及用于铺设管道的轨道模块；所述主体上设有一级平台及二级平台，所述一级平台的水平高度高于所述二级平台的水平高度以使所述主体形成阶梯状结构；所述轨道模块包括弧形导轨及用于支撑所述弧形导轨的基座，所述弧形导轨的顶部伸出所述基座并可拆卸连接于所述一级平台上，所述基座的底部可拆卸连接于所述二级平台上，且所述弧形导轨的末端伸出所述二级平台或所述弧形导轨的末端与所述二级平台的末端在竖直方向上齐平；所述电机模块用于驱动铺设于所述弧形导轨上的所述管道，以使所述管道沿所述弧形导轨移动；所述数据采集模块设于所述管道外壁上，用于实时采集所述弧形导轨上的所述管道的残余变形数据。
6.作为上述方案的改进，所述一级平台上设有基准导轨座，所述弧形导轨的顶部可拆卸连接于所述基准导轨座上；所述二级平台上设有至少一个定点导轨座，所述基座的底部可拆卸连接于至少一个所述定点导轨座上。
7.作为上述方案的改进，所述弧形导轨的顶部设有基准定位滑轮，所述基准定位滑轮可嵌于所述基准导轨座上并能在所述基准导轨座内调整位置，以使所述弧形导轨的顶部连接于所述一级平台上；所述基座的底部设有定点定位滑轮，所述定点定位滑轮可嵌于所述定点导轨座上并能在所述基准导轨座内调整位置，以使基座的底部连接于所述二级平台上。
8.作为上述方案的改进，所述二级平台包括可拆卸连接的基准平台及延伸平台，基准平台及延伸平台的水平高度相同。
9.作为上述方案的改进，所述一级平台上设有水平导轨，所述水平导轨用于限制所
述管道在所述一级平台上的位置。
10.作为上述方案的改进，所述电机模块包括第一电机及第二电机，所述第一电机用于牵引所述管道的起始端，所述第二电机用于牵引所述管道的尾端。
11.作为上述方案的改进，所述电机模块还包括垂直轨道，所述第一电机设于所述垂直轨道上并能沿所述垂直轨道上下移动，以调整所述第一电机的水平高度。
12.作为上述方案的改进，所述海底管道铺设残余变形模拟装置包括多条轨道模块，每条轨道模块中的弧形导轨的曲率半径不同。
13.相应地，本发明还提供了一种海底管道铺设残余变形模拟方法，包括：选取轨道模块，并将所述轨道模块固定于所述主体上，其中，所述轨道模块的弧形导轨的顶部可拆卸连接于所述一级平台上，所述轨道模块的基座的底部可拆卸连接于所述二级平台上；根据预设的管道脱离角，调整电机模块的位置；将管道铺设于所述弧形导轨上，并使电机模块与所述管道连接；启动电机模块，所述电机模块驱动所述管道，以使所述管道在所述弧形导轨上匀速移动；驱动数据采集模块，以实时采集所述管道的残余变形数据。
14.作为上述方案的改进，所述二级平台包括可拆卸连接的基准平台及延伸平台，基准平台及延伸平台的水平高度相同，所述将所述轨道模块固定于所述主体上的方法包括：当所述轨道模块的水平长度小于所述基准平台及延伸平台的总长度时，拆除所述延伸平台，再将所述轨道模块固定于所述二级平台上，以使所述轨道模块的弧形导轨的末端伸出所述二级平台或所述弧形导轨的末端与所述二级平台的末端在竖直方向上齐平；当所述轨道模块的水平长度大于或等于所述基准平台及延伸平台的总长度时，直接将所述轨道模块固定于所述二级平台上
15.实施本发明，具有如下有益效果：
16.本发明将主体、电机模块、数据采集模块及轨道模块相结合，形成结构独特的海底管道铺设残余变形模拟装置；
17.同时，本发明通过数据采集模块实时采集管道的残余变形数据，便于对管道铺设过程的各项数据及管道的各方面损坏程度数据进行有效跟踪，实用性强、准确性高；
18.进一步，本发明可通过基准定位滑轮、定点定位滑轮、垂直轨道、水平导轨及弧形导轨的相互配合下，使管道变形更符合工程实际效果。
附图说明
19.图1是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置的结构示意图；
20.图2是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置中主体的结构示意图；
21.图3是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置中轨道模块的结构示意图；
22.图4是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置中主体的另一结构示意图；
23.图5是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置中轨道模块的另一结构示意图；
24.图6是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置中基准定位滑轮及定点定位滑轮的结构示意图；
25.图7是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置中主体的又一结构示意图；
26.图8是本发明海底管道铺设残余变形模拟方法的结构示意图；
27.图9是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置的另一结构示意图；
28.图10是本发明海底管道铺设残余变形模拟装置的又一的结构示意图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
30.如图1～图3所示，本发明海底管道铺设残余变形模拟装置包括主体1、电机模块、数据采集模块3及轨道模块4。具体地：
31.主体1用于固定轨道模块4，如图2所示，主体1上设有一级平台11及二级平台12，一级平台11的水平高度高于二级平台12的水平高度以使主体1形成阶梯状结构；优选地，主体1可采用桁架结构，可在实现有效承重的同时，节省用料、降低重量，能适应较大的跨度。
32.轨道模块4用于铺设管道5，如图3所示，轨道模块4包括弧形导轨41及用于支撑弧形导轨41的基座42，弧形导轨41固定于基座42的上方以使轨道模块4形成近似扇形的结构，优选地，基座42也可采用桁架结构，可在实现有效承重的同时，节省用料、降低重量，能适应较大的跨度。相应地，弧形导轨41 的顶部伸出基座42并可拆卸连接于一级平台11上，基座42的底部可拆卸连接于二级平台12上；需要说明的是，在进行管道模拟时，需保证弧形导轨41的末端伸出二级平台12，或者使弧形导轨41的末端与二级平台12的末端在竖直方向上齐平，从而避免二级平台12与管道5接触，避免二级平台12影响管道5 的模拟效果。
33.电机模块用于驱动铺设于弧形导轨上的管道5，以使管道5沿弧形导轨41 移动；进一步，电机模块包括第一电机21及第二电机22，第一电机21用于牵引管道5的起始端，第二电机22用于牵引管道5的尾端。在进行管道模拟时，第二电机22仅提供一拉力，该拉力根据管道5受到的拉力而变化，其目的是使管道5始终处于缓慢的移动状态，近似静力平衡状态。
34.数据采集模块3设于管道5外壁上，用于实时采集弧形导轨41上的管道5 的残余变形数据；优选地，数据采集模块3可以为设置于管道5外壁上的传感器，通过传感器可实时采集管道5的残余变形数据，并将残余变形数据发送至工作台6，以便用户远程关注管道铺设过程的各项数据及管道的各方面损坏程度数据，从而对管道的残余变形进行了解。
35.因此，本发明通过特定的轨道模块4，可有效调整管道5的变形状态；还可结合电机模块使管道5处于移动状态，以形成铺设模拟；再通过数据采集模块3 实时采集管道5的残余变形数据；从而实现海底管道铺设残余变形的有效模拟，便于对管道铺设过程的各项数据及管道的各方面损坏程度数据进行有效跟踪，实用性强、准确性高。
36.如图4所示，一级平台上11设有基准导轨座111，弧形导轨41的顶部可拆卸连接于基准导轨座111上；二级平台12上设有至少一个定点导轨座121，基座42的底部可拆卸连接于至少一个定点导轨座121上。
37.需要说明的是，不同轨道模块4中弧形导轨41的曲率半径不同(参见图5)，因此，在轨道模块4高度一致的情况下，要保证曲率半径的不同，需要改变轨道模块4的水平长度。
38.为了配合轨道模块4的水平长度可变，本发明设置了多个定点导轨座121，以使不同长度的轨道模块4均能与对应的定点导轨座121进行配合固定。
39.同时，通过弧形导轨41的顶部与基准导轨座11之间，基座42的底部与定点导轨座121之间均为可拆卸连接，便于更换轨道模块4，灵活性强，操作方便。
40.如图5及图6所示，弧形导轨41的顶部设有基准定位滑轮411，基准定位滑轮411可嵌于基准导轨座111上并能在基准导轨座111内调整位置，以使弧形导轨41的顶部连接于一级平台11上；基座42的底部设有定点定位滑轮421，定点定位滑轮421可嵌于定点导轨座121上并能在基准导轨座121内调整位置，以使基座42的底部连接于二级平台12上。
41.优选地，基准导轨座111及定点导轨座121均可以为槽状结构(参见图4)，将基准定位滑轮411嵌于基准导轨座111上，或将定点定位滑轮421嵌于定点导轨座121上时，可沿横向和/或纵向分别调整基准定位滑轮411和/或定点定位滑轮421的位置，为管道5的弯曲提供约束。
42.如图7所示，二级平台12包括可拆卸连接的基准平台12a及延伸平台12b，基准平台12a及延伸平台12b的水平高度相同。
43.为了配合轨道模块的水平长度可变，可将二级平台12设计为分体结构；当轨道模块4的水平长度较短时，可拆除延伸平台12b，以保证管道5的移动路径不受影响；当轨道模块4的水平长度较长时，保留延伸平台12b，以保证轨道模块4与二级平台12的连接更为稳定。
44.进一步，基准平台12a与延伸平台12b的接触面为凹凸结构，通过凹凸结构之间的配合，可使基准平台12a与延伸平台12b的拼合更为密切，且更容易定位，限位效果更为精准；同时，将基准平台12a与延伸平台12b拼合后，可通过螺丝进行安装固定，稳定性强。
45.如图7所示，一级平台11上设有水平导轨112，水平导轨112用于限制管道5在一级平台12上的位置，从而更好地调整管道的位置，以使管道5可顺利铺设于轨道模块4的弧形导轨41上。
46.如图10所示，电机模块还包括垂直轨道23，第一电机21设于垂直轨道23 上并能沿垂直轨道23上下移动，以调整第一电机21的水平高度。
47.需要说明的是，第一电机21可以通过垂直轨道23调整高度，从而有效地根据需要调整铺管时管道5的脱离角。因此，在基准定位滑轮411、定点定位滑轮421及垂直轨道23的相互配合下，可使管道5变形更符合工程实际效果。
48.如图5所示，海底管道铺设残余变形模拟装置包括多条轨道模块4，每条轨道模块4中的弧形导轨41的曲率半径不同。
49.优选地，一个海底管道铺设残余变形模拟装置可适应性配置三条轨道模块，其中，第一条轨道模块a的曲率半径可以为1.5m，第二条轨道模块b的曲率半径可以为2.5m，第三条轨道模块c的曲率半径可以为3.5m，但不以此为限制，灵活性强。
50.综上所述，本发明将主体1、电机模块、数据采集模块3及轨道模块4相结合，形成结构独特的海底管道铺设残余变形模拟装置；同时，本发明可通过基准定位滑轮411、定点定位滑轮421、垂直轨道23、水平导轨112及弧形导轨 41的相互配合下，使管道5变形更符合工程实际效果；进一步，本发明通过数据采集模块3实时采集管道5的残余变形数据，便于对管道铺设过程的各项数据及管道的各方面损坏程度数据进行有效跟踪，实用性强、准确性高。
51.参见图8，图8显示了本发明海底管道铺设残余变形模拟方法的实施例流程图，其包括：
52.s101，选取轨道模块，并将轨道固定于主体上。
53.固定过程中，轨道模块4的弧形导轨的顶部可拆卸连接于一级平台11上，轨道模块
4的基座的底部可拆卸连接于二级平台上。
54.如图9所示，将轨道模块4固定于主体上的方法包括：
55.(1)当轨道模块4的水平长度小于基准平台12a及延伸平台12b的总长度时，拆除延伸平台11b，再将轨道模块4固定于二级平台上，以使轨道模块4的弧形导轨的末端伸出二级平台或弧形导轨的末端与二级平台的末端在竖直方向上齐平；
56.例如，使用曲率半径为1.5m的轨道模块a时，可将轨道模块a直接安装在一级平台11及基准平台12a上，操作方便。
57.(2)当轨道模块4的水平长度大于或等于基准平台12a及延伸平台12b的总长度时，直接将轨道模块4固定于二级平台上。
58.例如，使用曲率半径为2.5m的轨道模块b或3.5m的轨道模块c时，可先将基准平台12a及延伸平台12b通过螺丝固定好，再将轨道模块4安装在一级平台11及二级平台上，保证轨道模块的受力稳定。
59.s102，根据预设的管道脱离角，调整电机模块的位置。
60.如图10所示，第一电机21可以通过垂直轨道23调整高度，从而有效地根据需要调整铺管时管道5的脱离角。
61.s103，将管道铺设于弧形导轨上，并使电机模块与管道连接。
62.具体地，可沿横向和/或纵向分别调整基准定位滑轮和/或定点定位滑轮的位置，为管道的弯曲提供约束。
63.s104，启动电机模块，电机模块驱动管道，以使管道在弧形导轨上匀速移动。
64.在进行管道模拟时，第二电机22仅提供一拉力，该拉力根据管道5受到的拉力而变化，其目的是使管道5始终处于缓慢的移动状态，近似静力平衡状态。
65.s105，驱动数据采集模块，以实时采集管道的残余变形数据。
66.优选地，数据采集模块3可以为设置于管道5外壁上的传感器，通过传感器可实时采集管道的残余变形数据，并将残余变形数据发送至工作台，以便用户远程关注管道铺设过程的各项数据及管道的各方面损坏程度数据，从而对管道的残余变形进行了解。
67.相应地，完成一个轨道模块的测试后，可更换另一曲率半径的轨道模块，并重复步骤s101-105，以进行下一轨道模块的测试，操作方便。
68.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，包括主体、电机模块、数据采集模块及用于铺设管道的轨道模块；所述主体上设有一级平台及二级平台，所述一级平台的水平高度高于所述二级平台的水平高度以使所述主体形成阶梯状结构；所述轨道模块包括弧形导轨及用于支撑所述弧形导轨的基座，所述弧形导轨的顶部伸出所述基座并可拆卸连接于所述一级平台上，所述基座的底部可拆卸连接于所述二级平台上，且所述弧形导轨的末端伸出所述二级平台或所述弧形导轨的末端与所述二级平台的末端在竖直方向上齐平；所述电机模块用于驱动铺设于所述弧形导轨上的所述管道，以使所述管道沿所述弧形导轨移动；所述数据采集模块设于所述管道外壁上，用于实时采集所述弧形导轨上的所述管道的残余变形数据。2.如权利要求1所述的海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，所述一级平台上设有基准导轨座，所述弧形导轨的顶部可拆卸连接于所述基准导轨座上；所述二级平台上设有至少一个定点导轨座，所述基座的底部可拆卸连接于至少一个所述定点导轨座上。3.如权利要求2所述的海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，所述弧形导轨的顶部设有基准定位滑轮，所述基准定位滑轮可嵌于所述基准导轨座上并能在所述基准导轨座内调整位置，以使所述弧形导轨的顶部连接于所述一级平台上；所述基座的底部设有定点定位滑轮，所述定点定位滑轮可嵌于所述定点导轨座上并能在所述基准导轨座内调整位置，以使基座的底部连接于所述二级平台上。4.如权利要求1所述的海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，所述二级平台包括可拆卸连接的基准平台及延伸平台，基准平台及延伸平台的水平高度相同。5.如权利要求1所述的海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，所述一级平台上设有水平导轨，所述水平导轨用于限制所述管道在所述一级平台上的位置。6.如权利要求1所述的海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，所述电机模块包括第一电机及第二电机，所述第一电机用于牵引所述管道的起始端，所述第二电机用于牵引所述管道的尾端。7.如权利要求6所述的海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，所述电机模块还包括垂直轨道，所述第一电机设于所述垂直轨道上并能沿所述垂直轨道上下移动，以调整所述第一电机的水平高度。8.如权利要求1所述的海底管道铺设残余变形模拟装置，其特征在于，包括多条轨道模块，每条轨道模块中的弧形导轨的曲率半径不同。9.一种基于权利要求1-8任一项所述的海底管道铺设残余变形模拟装置的海底管道铺设残余变形模拟方法，其特征在于，包括：选取轨道模块，并将所述轨道模块固定于所述主体上，其中，所述轨道模块的弧形导轨的顶部可拆卸连接于所述一级平台上，所述轨道模块的基座的底部可拆卸连接于所述二级平台上；根据预设的管道脱离角，调整电机模块的位置；
将管道铺设于所述弧形导轨上，并使电机模块与所述管道连接；启动电机模块，所述电机模块驱动所述管道，以使所述管道在所述弧形导轨上匀速移动；驱动数据采集模块，以实时采集所述管道的残余变形数据。10.如权利要求9所述的海底管道铺设残余变形模拟方法，其特征在于，所述二级平台包括可拆卸连接的基准平台及延伸平台，基准平台及延伸平台的水平高度相同，所述将所述轨道模块固定于所述主体上的方法包括：当所述轨道模块的水平长度小于所述基准平台及延伸平台的总长度时，拆除所述延伸平台，再将所述轨道模块固定于所述二级平台上，以使所述轨道模块的弧形导轨的末端伸出所述二级平台或所述弧形导轨的末端与所述二级平台的末端在竖直方向上齐平；当所述轨道模块的水平长度大于或等于所述基准平台及延伸平台的总长度时，直接将所述轨道模块固定于所述二级平台上。

技术总结

本发明公开了一种海底管道铺设残余变形模拟装置及方法，涉及管道铺管试验技术领域，海底管道铺设残余变形模拟装置包括主体、电机模块、数据采集模块及用于铺设管道的轨道模块；主体上设有一级平台及二级平台，一级平台的水平高度高于二级平台的水平高度；轨道模块包括弧形导轨及基座，弧形导轨的顶部伸出基座并可拆卸连接于一级平台上，基座的底部可拆卸连接于二级平台上，且弧形导轨的末端伸出二级平台或弧形导轨的末端与二级平台的末端在竖直方向上齐平；电机模块用于驱动铺设于弧形导轨上的管道；数据采集模块用于实时采集弧形导轨上的管道的变形数据。本发明可有效模拟海底管道铺设过程中的应力应变状态，测量管道铺设后的残余应力水平。后的残余应力水平。后的残余应力水平。