粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置和方法

技术领域

本发明涉及海洋测量领域，特别是涉及一种粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置和方法。

背景技术

海底管线是海洋石油天然气开发中的一个重要组成部分，担负着输送石油天然气的重要任务。在海洋环境中，输油管线安装在海底以后，打破了原有水下流场的平衡，这种流场的改变将引起管道周围局部的泥沙运并直接导致管线底部的冲刷，并形成悬空。

实验室模拟是研究管道冲刷悬空的一种重要手段。在水槽中将管道模型布置在模型海床之上，在一定水流速度下进行局部冲刷的试验模拟。对于管道底部冲刷地形的传统测量方法包括超声波传感器、激光测距仪以及地形图像处理等非接触式测量手段。但是以上测量手段都要求管道周围水体的浑浊程度要低于某一临界值，从而保证超声波、激光以及可见光等能够穿透水体。因此这些方法一般适用于粗沙至细沙等性质的海床，即使在较大流速条件下泥沙颗粒也很少发生悬浮，使水体始终保持着较为清澈的状态。但是对于粉沙质或者黏土等颗粒粒径更细的海床，在冲刷的过程中颗粒发生大量悬浮，形成浑浊的流体，使超声波、激光以及可见光等都无法穿透，因此无法对冲刷深度进行测量。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置和方法，可针对粉沙质海床上管道局部冲刷后形成的浑浊流体，提出了采用OBS浊度计和可导冲刷测针相结合的测量方法，解决了常规手段无法进行粉沙质海床地形测量的问题。

为此，本发明的技术方案如下：

一种粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置，包括扫描系统、可导冲刷测针子系统、数据采集系统和实验水槽模拟系统；

所述实验水槽模拟系统包括实验水槽、模拟海床和模拟海底管道；所述模拟海床设置于所述实验水槽的底部，所述模拟海底管道在纵向上部分或全部埋入所述模拟海床；

所述可导冲刷测针子系统包括两根可导冲刷测针、电源和可调阻尼器；所述两根可导冲刷测针垂直设置于所述模拟海底管道的下表面，且两根之间间距小于1cm；所述电源的两极分别连接两根可导冲刷测针；所述可调阻尼器与所述两根可导冲刷测针并联；

所述扫描系统包括OBS浊度计、竖向连杆、机械框架和位置转换装置；所述机械框架设置于所述实验水槽顶部，用于固定所述位置转换装置；所述OBS浊度计固定设置在竖向连杆的底部，所述竖向连杆的顶部安装在所述位置转换装置上；所述位置转换装置用于实现所述竖向连杆在所述实验水槽内部位置的变换；

所述数据采集系统分别与所述可调阻尼器和OBS浊度计相连，用于分别采集所述可调阻尼器和OBS浊度计输出的数据。

进一步，所述位置转换装置包括电机、变频器、以及垂直设置的第一丝杠副和第二丝杠副；所述第一丝杠副的丝杠轴固定设置在所述机械框架的一条边上；所述第二丝杠副的丝杠轴的一端固定设置在所述第一丝杠副的丝杠螺母上，另一端滑动设置在所述机械框架的对应边上；所述竖向连杆固定设置在所述第二丝杠副的丝杠螺母上；所述第一丝杠副、第二丝杠副分别通过变频器与电机相连；电机分别控制丝杠螺母在丝杠轴上的位置变换。

进一步，所述位置转换装置包括电机、变频器、以及垂直设置的第一丝杠副和第二丝杠副；所述第一丝杠副有两套，其丝杠轴平行设置在所述机械框架的两条平行边上；所述第二丝杠副的丝杠轴的两端分别固定设置在所述第一丝杠副的丝杠螺母上；所述竖向连杆固定设置在所述第二丝杠副的丝杠螺母上；所述第一丝杠副、第二丝杠副分别通过变频器与电机相连；电机分别控制丝杠螺母在丝杠轴上的位置变换。

进一步，所述可导冲刷测针为不锈钢测针。

进一步，所述数据采集系统包括数据采集卡、计算机主机和显示器；所述数据采集卡将采集到的数据传输给计算机主机，通过显示器进行显示。

进一步，所述电机为步进电机。

进一步，所述OBS浊度计的位置在所述模拟海底管道的上侧。

利用上述装置进行粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量的方法，包括如下步骤：

1)安装好上述模拟测量装置后，在实验水槽中加水，并在水槽中产生水流，引起管道周围海床的冲刷；

2)打开计算机主机，控制所述扫描系统，利用所述位置转换装置调整OBS浊度计来回运动扫描海床地形；同时控制数据采集卡实时记录OBS浊度计和可导冲刷测针中传回的数据，在计算机主机中进行存储，并在显示器上予以显示。

本发明提供的粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置和方法具有如下优点：

1)对于浑浊水体下的地形测量

目前实验室通常采用超声波或光学测量方式的水下地形仪仅适用于水体较为清澈的条件。但是对于粉沙质海床冲刷后形成的浑浊水体，超声波和激光束都无法穿透，因而无法实验地形的精确测量。本申请的技术方案选用浊度计，具体是采用OBS浊度计，测量粉土海床表面附近的泥沙浓度值，根据泥沙浓度值的变化情况，推演分析出海床表面的高程位置，从而实现冲刷地形的实时测量；

2)计算机控制的自动扫描系统

由于海床冲刷地形范围较大，而浊度计为单点式测量方式，因此，需要对整个海床进行连续扫描，以得到整个区域海床的地形数据。本申请提出的技术方案设计了位置转换装置，能够携带OBS浊度计在整个冲刷地形上方进行往复运动，以覆盖整个测试区域。该运行系统可以设定扫描范围、运动速度以及每一步进的距离，通过位置转换装置调整水平位置，以及OBS浊度仪确定的地形高程，得到海床地形的三维数据；

3)利用可导冲刷测针测量管道下方的冲刷

扫描式的地形测量仪只能测量没有结构物存在时的海床地形，而对于存在结构物的情况，比如海底管道，由于结构物的阻挡效应，其下方的冲刷发展过程无法被直接测量。因此，本申请提供的技术方案中包含了可导冲刷测针，将其安放在结构物的下方，单独测量结构物下方的冲刷发展过程。可导冲刷测针的工作原理是将一组(含2根)不锈钢测针以一定的间距插入海床中，由于饱和海床具有导电性，三者共同组成一个环路。对不锈钢测针加电，并与一阻尼器并联，控制其输出电压的范围。根据输出电压的大小乘以标定系数，就得到不锈钢测针深入海床中的深度。该技术方案将可导冲刷测针子系统与OBS浊度计测量结果相互补充得到完整的冲刷地形数据。

附图说明

图1为本发明提供的粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置的结构示意图；

图2为实施例2中位置转换装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。

实施例1

一种粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置，包括扫描系统1、可导冲刷测针子系统2、数据采集系统3和实验水槽模拟系统4；

实验水槽模拟系统4包括实验水槽41、模拟海床42和模拟海底管道43；模拟海床42设置于实验水槽41的底部，模拟海底管道43在纵向上部分或全部埋入模拟海床42；

可导冲刷测针子系统2包括两根可导冲刷测针21、电源22和可调阻尼器23；两根可导冲刷测针21垂直设置于模拟海底管道43的下表面，且两根之间间距小于1cm；电源22的两极分别连接两根可导冲刷测针21；可调阻尼器23与两根可导冲刷测针21并联；可导冲刷测针21为不锈钢测针；

扫描系统1包括OBS浊度计11、竖向连杆12、机械框架13和位置转换装置；机械框架设置于实验水槽41顶部，用于固定位置转换装置；OBS浊度计11固定设置在竖向连杆12的底部，竖向连杆12的顶部安装在位置转换装置上；位置转换装置用于实现竖向连杆12在实验水槽41内部位置的变换；OBS浊度计11的位置位于模拟海底管道43的上侧；

位置转换装置包括电机17、变频器18、以及垂直设置的第一丝杠副和第二丝杠副；第一丝杠副的丝杠轴14固定设置在机械框架13的一条边上；第二丝杠副的丝杠轴16的一端固定设置在第一丝杠副的丝杠螺母15上，另一端滑动设置在机械框架13的对应边上；竖向连杆12固定设置在第二丝杠副的丝杠螺母19上；第一丝杠副、第二丝杠副分别通过变频器18与电机17相连；电机17分别控制丝杠螺母在丝杠轴上的位置变换。电机17优选选用步进电机。

数据采集系统3分别与可调阻尼器23和OBS浊度计11相连，用于分别采集可调阻尼器23和OBS浊度计11输出的数据。具体来说，数据采集系统3包括数据采集卡31、计算机主机32和显示器33；数据采集卡31将采集到的数据传输给计算机主机32，通过显示器33进行显示。

利用上述装置进行粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量的方法，包括如下步骤：

1)安装好上述模拟测量装置后，在实验水槽41中加水，并在水槽中产生水流，引起管道周围海床的冲刷；

2)打开计算机主机32，控制扫描系统1，利用位置转换装置调整OBS浊度计11来回运动扫描海床地形；同时控制数据采集卡31实时记录OBS浊度计11和可导冲刷测针21中传回的数据，在计算机主机32中进行存储，并在显示器33上予以显示。

该粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置采用OBS浊度计和可导冲刷测针相结合的测量方法，解决了常规手段无法进行粉沙质海床地形测量的问题。

实施例2

与实施例1中粉沙质海床海底管道周围冲刷地形的模拟测量装置的结构的不同之处在于：位置转换装置包括电机17、变频器18、以及垂直设置的第一丝杠副和第二丝杠副；第一丝杠副有两套，其丝杠轴14平行设置在机械框架13的两条平行边上；第二丝杠副的丝杠轴16的两端分别固定设置在第一丝杠副的丝杠螺母15上；竖向连杆12固定设置在第二丝杠副的丝杠螺母19上；第一丝杠副、第二丝杠副分别通过变频器18与电机17相连；电机17分别控制丝杠螺母在丝杠轴上的位置变换。