【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海底管道工程，尤其涉及一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置和方法。
技术介绍
1、在全球范围内，海底管道是连接海底能源与陆上终端的关键通道并被普遍采用。近年海底现场观测发现，海洋油气田区域存在不同程度的沙波沙脊现象，这些海底地质地貌形态在极端天气引起的海底强流作用下会发生运移变化，使原本铺设在沙波沙脊之上的海底管道发生掩埋、悬空和裸露。同时，由于海底管道的存在改变了其附近流场的分布，还会加剧管道下方泥沙的冲刷。海底管道在大尺度沙波沙脊运移和下方局部冲刷的联合作用下，悬空段发展更快、规律更加难以预测，最终可能导致管道疲劳破坏、失效断裂，造成经济和环境损失。
2、当前现有研究主要集中在沙波沙脊的运移机理上，而对其与海底管道相互作用的机理研究不足，导致传统海管设计方法无法应对存在沙波沙脊的特殊状况。标准海底管道稳定性设计基于假设海床平坦，未考虑沙波沙脊造成的悬跨对管道稳定性的影响；而常规悬跨分析方法假设悬跨位置不变，在预测管道疲劳寿命发面过于保守，导致处理工作量和成本显著增加。
3、因此，本申请设计了一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置和方法来解决上述的技术方案。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置和方法。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，包括：
3、内波及海床模拟系统，包括三维水池，所述三维水池的内腔两端
4、水沙地形测量系统，包括设置在所述三维水池上的测量平台，所述测量平台上移动设置有测量组件，所述测量组件伸入所述三维水池内；
5、管道模拟系统，包括管道模型，所述管道模型安装在海床模拟组件上，所述管道模型上设置有监测组件；
6、控制及数据采集系统，所述控制及数据采集系统分别与所述测量组件和所述监测组件电性连接。
7、优选的，所述海床模拟组件包括对称设置在两所述内波底流模拟组件之间的两个过渡缓坡，两所述过渡缓坡之间形成用于装填海床砂样的沙坑，所述管道模型安装在所述沙坑内的海床砂样上。
8、优选的，所述沙坑内设置有中心水槽，所述中心水槽的两端分别与所述过渡缓坡抵接，所述中心水槽的两侧与所述三维水池的侧壁平行。
9、优选的，所述中心水槽包括两个平行设置的隔挡板，两所述隔挡板的两端分别与两所述过渡缓坡抵接。
10、优选的，所述测量组件包括活动连接在所述测量平台上的水下激光阵列地形测量仪、超声剖面流速仪和激光多普勒流速仪，所述水下激光阵列地形测量仪、所述超声剖面流速仪和所述激光多普勒流速仪分别与所述控制及数据采集系统电性连接。
11、优选的，所述管道模型内设置有用于调节稳定性的配重材料，所述管道模型内设置有微型图像传感器和孔压传感器，所述微型图像传感器和所述孔压传感器被所述配重材料包裹固定，所述微型图像传感器和所述孔压传感器与所述控制及数据采集系统电性连接。
12、优选的，所述管道模型的外壁等间距设置有若干光纤应变传感器，所述光纤应变传感器与所述控制及数据采集系统电性连接。
13、一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟方法，括以下步骤：
14、按照设计的需求制备用于模拟海床的内波及海床模拟系统；
15、在内波及海床模拟系统上安装水沙地形测量系统，并将水沙地形测量系统与控制及数据采集系统电性连接在一起；
16、制作用于模拟海底管道的管道模拟系统，并将管道模拟系统与控制及数据采集系统电性连接在一起；
17、在内波及海床模拟系统内注水，进行海底沙波形成试验，形成模拟沙波；
18、在形成的模拟沙波上铺设管道模拟系统，进行海底沙波运移试验，并记录管道模拟系统和内波及海床模拟系统的试验数据。
19、优选的，在进行海底沙波形成试验中，通过控制及数据采集系统控制内波及海床模拟系统形成若干种不同的极端水动力条件，还可形成潮流和波浪，用于沙波的形成以及海底管道的动态响应模拟。
20、优选的，在海底沙波运移试验步骤中，水沙地形测量系统观测模拟沙波的运移数据并通过控制及数据采集系统记录处理，同时记录管道模拟系统下方冲刷变化及管道模拟系统的动态响应。
21、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：本专利技术公开了一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置和方法，内波及海床模拟系统能模拟既具有周期特性又有冲击特性的内波底流对海床的影响，更有效地模拟真实环境下沙波动态变化过程，真实度更高；内波及海床模拟系统上的水沙地形测量系统用于监测内波及海床模拟系统的运行状态，方便进行调控，控制及数据采集系统用于处理数据，且方便调控内波及海床模拟系统的运行状态；管道模拟系统用于模拟架设在海床上的海底管道，同时可模拟海底管道在海床上沙波运移的过程中的变化，结合沙波运移和局部冲刷两个因素的实验模拟，探究对模拟管道悬空状态进展的贡献，以及悬空长度变化的规律性，为管道悬空现象的分析预测提供了更全面的理解，提高了管道完整性评估与保护策略的准确性；通过控制及数据采集系统监控管道模拟系统的状态，并实现实时调控，真实度更高。
22、本专利技术结构紧凑，能更真实地模拟内波底流作用下沙波形成运移过程，以及沙波移动和局部冲刷同步存在情况下管道动态响应，有助于在工程实践中更深层次地理解和预防海底管道因沙波迁移所带来的潜在风险。
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1.一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述海床模拟组件(14)包括对称设置在两所述内波底流模拟组件(13)之间的两个过渡缓坡(141)，两所述过渡缓坡(141)之间形成用于装填海床砂样的沙坑(142)，所述管道模型(31)安装在所述沙坑(142)内的海床砂样上。
3.根据权利要求2所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述沙坑(142)内设置有中心水槽(12)，所述中心水槽(12)的两端分别与所述过渡缓坡(141)抵接，所述中心水槽(12)的两侧与所述三维水池(11)的侧壁平行。
4.根据权利要求3所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述中心水槽(12)包括两个平行设置的隔挡板(121)，两所述隔挡板(121)的两端分别与两所述过渡缓坡(141)抵接。
5.根据权利要求1所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述测量组件包括活动连接在所述测量平台(21)上的水下激光阵
6.根据权利要求1所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述管道模型(31)内设置有用于调节稳定性的配重材料(35)，所述管道模型(31)内设置有微型图像传感器(32)和孔压传感器(34)，所述微型图像传感器(32)和所述孔压传感器(34)被所述配重材料(35)包裹固定，所述微型图像传感器(32)和所述孔压传感器(34)与所述控制及数据采集系统(4)电性连接。
7.根据权利要求6所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述管道模型(31)的外壁等间距设置有若干光纤应变传感器(33)，所述光纤应变传感器(33)与所述控制及数据采集系统(4)电性连接。
8.一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟方法，根据权利要求1-7任意一项所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟方法，其特征在于：在进行海底沙波形成试验中，通过控制及数据采集系统(4)控制内波及海床模拟系统(1)形成若干种不同的极端水动力条件，还可形成潮流和波浪，用于沙波的形成以及海底管道的动态响应模拟。
10.根据权利要求8所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟方法，其特征在于：在海底沙波运移试验步骤中，水沙地形测量系统(2)观测模拟沙波的运移数据并通过控制及数据采集系统(4)记录处理，同时记录管道模拟系统(3)下方冲刷变化及管道模拟系统(3)的动态响应。
...【技术特征摘要】
1.一种沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述海床模拟组件(14)包括对称设置在两所述内波底流模拟组件(13)之间的两个过渡缓坡(141)，两所述过渡缓坡(141)之间形成用于装填海床砂样的沙坑(142)，所述管道模型(31)安装在所述沙坑(142)内的海床砂样上。
3.根据权利要求2所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述沙坑(142)内设置有中心水槽(12)，所述中心水槽(12)的两端分别与所述过渡缓坡(141)抵接，所述中心水槽(12)的两侧与所述三维水池(11)的侧壁平行。
4.根据权利要求3所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述中心水槽(12)包括两个平行设置的隔挡板(121)，两所述隔挡板(121)的两端分别与两所述过渡缓坡(141)抵接。
5.根据权利要求1所述的沙波形成运移及海底管道动态响应模拟装置，其特征在于：所述测量组件包括活动连接在所述测量平台(21)上的水下激光阵列地形测量仪(22)、超声剖面流速仪(23)和激光多普勒流速仪(24)，所述水下激光阵列地形测量仪(22)、所述超声剖面流速仪(23)和所述激光多普勒流速仪(24)分别与所述控制及数据采集系统(4)电性连接。
6.根据权利要求1所述的沙波形成运移及海底...
【专利技术属性】
技术研发人员：臧志鹏，宗昊明，邹星，谢波涛，张金凤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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