(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221076742 2.6 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 王路君　崔金虎　朱斌　黄家晟　 陈云敏　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 万尾甜　韩介梅 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01N 3/08(2006.01) G01N 3/06(2006.01) G01N 1/44(2006.01)G01N 1/28(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模 拟装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种温度和力学荷载下高温 管道在位稳定性模拟装置及方法， 主要包括实验 地层模型及支 撑结构、 管道模型、 控温系统、 加载 系统和监测系统； 其中管道模型包括管道、 密封 盖、 加力杆和加热管； 实验地层模型及支撑结构 包括地基模型， 管道埋设于地基模型中， 控温系 统控制加热管加热， 加载系统通过加力杆向管道 施加荷载， 监测系统监测荷载、 温度及孔压。 该装 置及方法能有效再现地层中油气管道 起输、 长期 运行和停输阶段温度对高温管道热水力耦合响 应的影响， 揭示温度场作用下管周地基的孔压和 位移演化规律， 管周土体约束力的发挥过程及复 杂环境下管道承 载特性， 对海洋能源开发及国家 能源战略实施具有重要意义， 为管道设计和施工 提供重要科 学支撑。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115184583 A 2022.10.14 CN 115184583 A 1.一种温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模拟装置， 其特征在于， 包括管道模型、 实验地层模型及支撑结构、 控温系统、 加载系统和监测系统； 所述管道模型包括管道、 密封 盖、 加力杆和加热管， 所述管道两侧安装密封盖， 加热管固定于一侧密封盖上并置于管道 内， 加力杆固定于管道上， 加力杆为中空结构； 实验地层模型及支撑结构包括地基模型， 所 述管道埋设于地基模型中， 控温系统用于控制加热管加热， 加载系统用于通过加力杆向管 道施加荷载， 监测系统包括轴力计、 温度传感器及孔压传感器， 轴力计用于监测加载系统所 施加的荷载， 温度传感器及孔压传感器用于监测管道 表面及地基模型中的温度及孔压 。 2.根据权利要求1所述的温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模拟装置， 其特征在 于， 所述监测系统包括若干孔压传感器及若干温度传感器； 其中在管道中心截面四个方向 上设置共四个孔压传感器， 在管道表面固定一个温度传感器， 在地基模型内位于管道侧 面 和下侧的地基中共四个位置同时布置温度传感器和孔压传感器。 3.根据权利要求2所述的温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模拟装置， 其特征在 于， 所述的四个位置为在管道侧面距管壁0.5D、 1.0D及管道下侧距管壁0.5D、 1.0D的四个位 置处， D为管道直径。 4.根据权利要求1所述的温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模拟装置， 其特征在 于， 所述的实验地层模型及支撑结构还包括模型箱、 支架、 上梁和粗砂垫层； 所述模型箱设 置玻璃视窗， 模型箱上前后设置两个支架， 支架上设置上梁； 模型箱用于盛装地基模型且地 基模型下设粗砂垫层以便排水。 5.根据权利要求4所述的温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模拟装置， 其特征在 于， 所述加载系统由电动机、 滑轮、 加力梁和卡扣组成； 加力杆从下向上依 次贯穿加力梁和 上梁， 且加力梁与加力杆通过卡扣固定， 滑轮固定安装于上梁下， 轴力计固定于加力梁上， 牵引绳缠绕电动机滚轮后经滑轮系于轴力计上。 6.根据权利要求1所述的温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模拟装置， 其特征在 于， 所述控温系统由温度控制器和温控探头组成， 温控探头置于管道内部， 数据线 经加力杆 引出连接于温度控制器， 温度控制器与加热 管电连接 。 7.一种温度和力学荷载下高温管道在位稳定性模拟方法， 其特征在于， 采用如权利要 求1‑6任一项所述的装置实现， 具体包括如下步骤： 步骤(1)： 管道模型组装 将加热管、 加力杆、 密封盖固定到管道上， 将四个孔压传感器 固定到管道中心截面上下 左右四个预留孔上， 温控探头置于管道内部， 温度传感器用扎带固定在管道表 面， 安装后保 证管道密封， 且所有线路经加力杆引出； 温控探头的数据线、 加热管的电源线均连接至温度 控制器； 各传感器的数据线经航空插头连接 至数据采集器； 步骤(2)： 搭建支撑结构并布置管道模型 在模型箱中放置管道模型， 在支撑结构搭建后， 将管道模型的加力杆与支撑结构用卡 扣临时固定； 步骤(3)： 安装加载系统 安装加载系统后， 解除用于临时固定的卡扣； 步骤(4)： 地基模型制备及布置其 余传感器 根据实验需模拟的不同地基制备地基模型， 填入模型箱； 并在所需位置布置其余的孔权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115184583 A 2压传感器和温度传感器； 将数据线引出模型箱外经航空插头与数据采集器连接； 步骤(5)： 加热实验 调节温度控制器加热上限和保持的目标温度； 打开数据采集器进行数据采集； 接通加 热管的电源开始加热； 管道表面的孔压传感器、 管道表面的温度传感器以及地基模型中的 孔压传感器和温度传感器同时进 行数据采集； 进 行升温实验后， 维持温度预定时间， 观测孔 压在维持高温过程中的消散过程； 然后调节温度控制器的回差， 进 行循环加热实验； 经过足 够多的预定循环后， 停止加热直至温度完全消散， 观测不同位置处的孔压和温度变化； 步骤(6)： 上拔实验 等待管道和地基模型的温度完全消散； 调节加载系统 的上拔速率； 打开数据采集器， 开 始监测管道表面的孔压和地基模型中不同位置的孔压以及上拔轴力； 控制加载系统开始匀 速上拔， 同时监测不同位置的孔压传感器的示数和轴力计的示数； 待 管道完全拔出， 关闭加 载系统， 停止数据采集。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115184583 A 3