粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置和方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置和方法，該裝置包括掃描系統、可導沖刷測針子系統、數據采集系統和實驗水槽模擬系統；實驗水槽模擬系統包括實驗水槽、模擬海床和模擬海底管道；模擬海床設置于實驗水槽的底部，模擬海底管道埋入模擬海床；可導沖刷測針子系統的可導沖刷測針垂直設置于模擬海底管道的下表面，可調阻尼器與可導沖刷測針并聯；掃描系統包括OBS濁度計、豎向連桿、位置轉換裝置和機械框架，通過其他三個裝置配合調整OBS濁度計的掃描軌跡；數據采集系統連接可調阻尼器和濁度計，用于采集數據。該裝置將OBS濁度計和可導沖刷測針相結合，解決了常規手段無法進行粉沙質海床地形測量的問題。

Device and method for simulating erosion topography around submarine pipeline in silty sandy seabed

The invention discloses a simulating method and device for measuring powder sandy seabed scour around submarine pipeline of the terrain, the device comprises a scanning system, by measuring erosion simulation system of needle subsystem, data acquisition system and experimental flume; flume simulation system including experimental flume, simulation and Simulation of seabed pipeline; simulation experiment is arranged on the seabed the bottom of the tank, simulation of submarine pipeline in the simulated seabed; conducting scour probe subsystem can be vertically arranged on the needle guide erosion simulation of submarine pipeline under the surface, adjustable damper and conducting probe and scour; scanning system including OBS turbidimeter, vertical linkage, position conversion device and machine frame, with the scanning trajectory adjustment OBS turbidimeter by three other devices; data acquisition system with adjustable damper and turbidity meter, used for data acquisition. The device combines the OBS turbidity meter with the guide scouring probe to solve the problem of measuring the silt seabed topography by conventional means.

【技術實現步驟摘要】
粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置和方法
本專利技術涉及海洋測量領域，特別是涉及一種粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置和方法。
技術介紹
海底管線是海洋石油天然氣開發中的一個重要組成部分，擔負著輸送石油天然氣的重要任務。在海洋環境中，輸油管線安裝在海底以后，打破了原有水下流場的平衡，這種流場的改變將引起管道周圍局部的泥沙運并直接導致管線底部的沖刷，并形成懸空。實驗室模擬是研究管道沖刷懸空的一種重要手段。在水槽中將管道模型布置在模型海床之上，在一定水流速度下進行局部沖刷的試驗模擬。對于管道底部沖刷地形的傳統測量方法包括超聲波傳感器、激光測距儀以及地形圖像處理等非接觸式測量手段。但是以上測量手段都要求管道周圍水體的渾濁程度要低于某一臨界值，從而保證超聲波、激光以及可見光等能夠穿透水體。因此這些方法一般適用于粗沙至細沙等性質的海床，即使在較大流速條件下泥沙顆粒也很少發生懸浮，使水體始終保持著較為清澈的狀態。但是對于粉沙質或者黏土等顆粒粒徑更細的海床，在沖刷的過程中顆粒發生大量懸浮，形成渾濁的流體，使超聲波、激光以及可見光等都無法穿透，因此無法對沖刷深度進行測量。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術提供一種粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置和方法，可針對粉沙質海床上管道局部沖刷后形成的渾濁流體，提出了采用OBS濁度計和可導沖刷測針相結合的測量方法，解決了常規手段無法進行粉沙質海床地形測量的問題。為此，本專利技術的技術方案如下：一種粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置，包括掃描系統、可導沖刷測針子系統、數據采集系統和實驗水槽模擬系統；所述實驗水槽模擬系統包括實驗水槽、模擬海床和模擬海底管道；所述模擬海床設置于所述實驗水槽的底部，所述模擬海底管道在縱向上部分或全部埋入所述模擬海床；所述可導沖刷測針子系統包括兩根可導沖刷測針、電源和可調阻尼器；所述兩根可導沖刷測針垂直設置于所述模擬海底管道的下表面，且兩根之間間距小于1cm；所述電源的兩極分別連接兩根可導沖刷測針；所述可調阻尼器與所述兩根可導沖刷測針并聯；所述掃描系統包括OBS濁度計、豎向連桿、機械框架和位置轉換裝置；所述機械框架設置于所述實驗水槽頂部，用于固定所述位置轉換裝置；所述OBS濁度計固定設置在豎向連桿的底部，所述豎向連桿的頂部安裝在所述位置轉換裝置上；所述位置轉換裝置用于實現所述豎向連桿在所述實驗水槽內部位置的變換；所述數據采集系統分別與所述可調阻尼器和OBS濁度計相連，用于分別采集所述可調阻尼器和OBS濁度計輸出的數據。進一步，所述位置轉換裝置包括電機、變頻器、以及垂直設置的第一絲杠副和第二絲杠副；所述第一絲杠副的絲杠軸固定設置在所述機械框架的一條邊上；所述第二絲杠副的絲杠軸的一端固定設置在所述第一絲杠副的絲杠螺母上，另一端滑動設置在所述機械框架的對應邊上；所述豎向連桿固定設置在所述第二絲杠副的絲杠螺母上；所述第一絲杠副、第二絲杠副分別通過變頻器與電機相連；電機分別控制絲杠螺母在絲杠軸上的位置變換。進一步，所述位置轉換裝置包括電機、變頻器、以及垂直設置的第一絲杠副和第二絲杠副；所述第一絲杠副有兩套，其絲杠軸平行設置在所述機械框架的兩條平行邊上；所述第二絲杠副的絲杠軸的兩端分別固定設置在所述第一絲杠副的絲杠螺母上；所述豎向連桿固定設置在所述第二絲杠副的絲杠螺母上；所述第一絲杠副、第二絲杠副分別通過變頻器與電機相連；電機分別控制絲杠螺母在絲杠軸上的位置變換。進一步，所述可導沖刷測針為不銹鋼測針。進一步，所述數據采集系統包括數據采集卡、計算機主機和顯示器；所述數據采集卡將采集到的數據傳輸給計算機主機，通過顯示器進行顯示。進一步，所述電機為步進電機。進一步，所述OBS濁度計的位置在所述模擬海底管道的上側。利用上述裝置進行粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量的方法，包括如下步驟：1)安裝好上述模擬測量裝置后，在實驗水槽中加水，并在水槽中產生水流，引起管道周圍海床的沖刷；2)打開計算機主機，控制所述掃描系統，利用所述位置轉換裝置調整OBS濁度計來回運動掃描海床地形；同時控制數據采集卡實時記錄OBS濁度計和可導沖刷測針中傳回的數據，在計算機主機中進行存儲，并在顯示器上予以顯示。本專利技術提供的粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置和方法具有如下優點：1)對于渾濁水體下的地形測量目前實驗室通常采用超聲波或光學測量方式的水下地形儀僅適用于水體較為清澈的條件。但是對于粉沙質海床沖刷后形成的渾濁水體，超聲波和激光束都無法穿透，因而無法實驗地形的精確測量。本申請的技術方案選用濁度計，具體是采用OBS濁度計，測量粉土海床表面附近的泥沙濃度值，根據泥沙濃度值的變化情況，推演分析出海床表面的高程位置，從而實現沖刷地形的實時測量；2)計算機控制的自動掃描系統由于海床沖刷地形范圍較大，而濁度計為單點式測量方式，因此，需要對整個海床進行連續掃描，以得到整個區域海床的地形數據。本申請提出的技術方案設計了位置轉換裝置，能夠攜帶OBS濁度計在整個沖刷地形上方進行往復運動，以覆蓋整個測試區域。該運行系統可以設定掃描范圍、運動速度以及每一步進的距離，通過位置轉換裝置調整水平位置，以及OBS濁度儀確定的地形高程，得到海床地形的三維數據；3)利用可導沖刷測針測量管道下方的沖刷掃描式的地形測量儀只能測量沒有結構物存在時的海床地形，而對于存在結構物的情況，比如海底管道，由于結構物的阻擋效應，其下方的沖刷發展過程無法被直接測量。因此，本申請提供的技術方案中包含了可導沖刷測針，將其安放在結構物的下方，單獨測量結構物下方的沖刷發展過程。可導沖刷測針的工作原理是將一組(含2根)不銹鋼測針以一定的間距插入海床中，由于飽和海床具有導電性，三者共同組成一個環路。對不銹鋼測針加電，并與一阻尼器并聯，控制其輸出電壓的范圍。根據輸出電壓的大小乘以標定系數，就得到不銹鋼測針深入海床中的深度。該技術方案將可導沖刷測針子系統與OBS濁度計測量結果相互補充得到完整的沖刷地形數據。附圖說明圖1為本專利技術提供的粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置的結構示意圖；圖2為實施例2中位置轉換裝置的結構示意圖。具體實施方式以下結合附圖和具體實施方式對本專利技術的技術方案進行詳細描述。實施例1一種粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置，包括掃描系統1、可導沖刷測針子系統2、數據采集系統3和實驗水槽模擬系統4；實驗水槽模擬系統4包括實驗水槽41、模擬海床42和模擬海底管道43；模擬海床42設置于實驗水槽41的底部，模擬海底管道43在縱向上部分或全部埋入模擬海床42；可導沖刷測針子系統2包括兩根可導沖刷測針21、電源22和可調阻尼器23；兩根可導沖刷測針21垂直設置于模擬海底管道43的下表面，且兩根之間間距小于1cm；電源22的兩極分別連接兩根可導沖刷測針21；可調阻尼器23與兩根可導沖刷測針21并聯；可導沖刷測針21為不銹鋼測針；掃描系統1包括OBS濁度計11、豎向連桿12、機械框架13和位置轉換裝置；機械框架設置于實驗水槽41頂部，用于固定位置轉換裝置；OBS濁度計11固定設置在豎向連桿12的底部，豎向連桿12的頂部安裝在位置轉換裝置上；位置轉換裝置用于實現豎向連桿12在實驗水槽41內部本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置，其特征在于：包括掃描系統(1)、可導沖刷測針子系統(2)、數據采集系統(3)和實驗水槽模擬系統(4)；所述實驗水槽模擬系統(4)包括實驗水槽(41)、模擬海床(42)和模擬海底管道(43)；所述模擬海床(42)設置于所述實驗水槽(41)的底部，所述模擬海底管道(43)在縱向上部分或全部埋入所述模擬海床(42)；所述可導沖刷測針子系統(2)包括兩根可導沖刷測針(21)、電源(22)和可調阻尼器(23)；所述兩根可導沖刷測針(21)垂直設置于所述模擬海底管道(43)的下表面，且兩根之間間距小于1cm；所述電源(22)的兩極分別連接兩根可導沖刷測針(21)；所述可調阻尼器(23)與所述兩根可導沖刷測針(21)并聯；所述掃描系統(1)包括OBS濁度計(11)、豎向連桿(12)、機械框架(13)和位置轉換裝置；所述機械框架設置于所述實驗水槽(41)頂部，用于固定所述位置轉換裝置；所述OBS濁度計(11)固定設置在豎向連桿(12)的底部，所述豎向連桿(12)的頂部安裝在所述位置轉換裝置上；所述位置轉換裝置用于實現所述豎向連桿(12)在所述實驗水槽(41)內部位置的變換；所述數據采集系統(3)分別與所述可調阻尼器(23)和OBS濁度計(11)相連，用于分別采集所述可調阻尼器(23)和OBS濁度計(11)輸出的數據。...

【技術特征摘要】
1.一種粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置，其特征在于：包括掃描系統(1)、可導沖刷測針子系統(2)、數據采集系統(3)和實驗水槽模擬系統(4)；所述實驗水槽模擬系統(4)包括實驗水槽(41)、模擬海床(42)和模擬海底管道(43)；所述模擬海床(42)設置于所述實驗水槽(41)的底部，所述模擬海底管道(43)在縱向上部分或全部埋入所述模擬海床(42)；所述可導沖刷測針子系統(2)包括兩根可導沖刷測針(21)、電源(22)和可調阻尼器(23)；所述兩根可導沖刷測針(21)垂直設置于所述模擬海底管道(43)的下表面，且兩根之間間距小于1cm；所述電源(22)的兩極分別連接兩根可導沖刷測針(21)；所述可調阻尼器(23)與所述兩根可導沖刷測針(21)并聯；所述掃描系統(1)包括OBS濁度計(11)、豎向連桿(12)、機械框架(13)和位置轉換裝置；所述機械框架設置于所述實驗水槽(41)頂部，用于固定所述位置轉換裝置；所述OBS濁度計(11)固定設置在豎向連桿(12)的底部，所述豎向連桿(12)的頂部安裝在所述位置轉換裝置上；所述位置轉換裝置用于實現所述豎向連桿(12)在所述實驗水槽(41)內部位置的變換；所述數據采集系統(3)分別與所述可調阻尼器(23)和OBS濁度計(11)相連，用于分別采集所述可調阻尼器(23)和OBS濁度計(11)輸出的數據。2.如權利要求1所述粉沙質海床海底管道周圍沖刷地形的模擬測量裝置，其特征在于：所述位置轉換裝置包括電機(17)、變頻器(18)、以及垂直設置的第一絲杠副和第二絲杠副；所述第一絲杠副的絲杠軸(14)固定設置在所述機械框架(13)的一條邊上；所述第二絲杠副的絲杠軸(16)的一端固定設置在所述第一絲杠副的絲杠螺母(15)上，另一端滑動設置在所述機械框架(13)的對應邊上；所述豎向連桿(12)固定設置在所述第二絲杠副的絲杠螺母(19)上；所述第一絲杠副、...

【專利技術屬性】
技術研發人員：藏志鵬，張金鳳，陳同慶，張慶河，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12