林鎮(zhèn)詩(shī)，余建星，王永更，馬 駿，景海泳，趙羿羽，李 妍，張貴珍

（天津大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.港口與海洋工程教育部／天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072） ①

深水海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

林鎮(zhèn)詩(shī)a，b，余建星a，b，王永更a，b，馬 駿a，b，景海泳a，b，趙羿羽a，b，李 妍a，b，張貴珍a，b

（天津大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.港口與海洋工程教育部／天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）①

為了觀察深水海底管道屈曲試驗(yàn)過程中管道的屈曲進(jìn)程和測(cè)量管道在屈曲變形過程中的應(yīng)變，設(shè)計(jì)和完善了一種適用于深海海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的工藝流程和方法。數(shù)據(jù)采集工作的重點(diǎn)是保護(hù)應(yīng)變片并使其在模擬深海環(huán)境中能夠正確輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)壓力等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：研制出的深水海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和方法可行、有效。

深水；管道；應(yīng)變；試驗(yàn)

深水海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)是深水海底管道屈曲試驗(yàn)必備的技術(shù)，而深水海底管道屈曲試驗(yàn)是了解深海管道屈曲必不可少的一部分。管道屈曲失效是深海海底管道失效中最嚴(yán)重、最普遍的問題［1］。已有一些文獻(xiàn)對(duì)管道的性能及幾何缺陷、殘余應(yīng)力、非均勻地應(yīng)力等因素對(duì)管道強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析［2－6］?，F(xiàn)有理論和數(shù)值模擬還不能很準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)因運(yùn)輸、管道鋪設(shè)等原因而導(dǎo)致管道產(chǎn)生各種缺陷的屈曲失效行為［7］。因此，進(jìn)行深海海底管道屈曲試驗(yàn)對(duì)理解深海管道屈曲行為十分重要，而且也是相關(guān)理論和數(shù)值模擬方法的驗(yàn)證和補(bǔ)充［8］。但要在深水甚至相當(dāng)于幾千米水深的壓力下觀測(cè)到深海屈曲試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，必須用新的防護(hù)和抗壓方法。

根據(jù)試驗(yàn)需要，本文給出了適用深海海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工藝和方法，避免在超高水壓情

1 防護(hù)與抗壓工藝研究

深水海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要分為粘貼工藝、防水與抗壓工藝、數(shù)據(jù)采集技術(shù)3部分。工藝的難點(diǎn)在于防水和抗壓。

對(duì)于深水，由于高壓及高壓狀態(tài)下水具有很強(qiáng)的滲透力且水的導(dǎo)電性，在深水中對(duì)應(yīng)變片防水具有特殊要求?，F(xiàn)在行之有效的方法是加防護(hù)膠，而防護(hù)膠會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)變，應(yīng)變片在高壓情況下也容易被損壞。同時(shí)，要向外正確輸送出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)變片必須和導(dǎo)線相連接，導(dǎo)線和接口處的防護(hù)也是一個(gè)難點(diǎn)。因此，進(jìn)行深水海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集要解決好應(yīng)變片的防水與抗壓及導(dǎo)線的防護(hù)。

1.1 防護(hù)膠對(duì)應(yīng)變的影響

首先不考慮水壓的影響，先在等強(qiáng)度梁測(cè)試加防護(hù)膠與不加防護(hù)膠應(yīng)變及加各種防護(hù)膠對(duì)應(yīng)變的影響［9］。

選擇具有較大彈性模量的蜜月膠和較小彈性模量的硅膠做應(yīng)變片的防護(hù)膠，與沒加防護(hù)膠的應(yīng)變片進(jìn)行對(duì)比。嚴(yán)格按照粘貼工藝要求做好應(yīng)變片粘貼及對(duì)應(yīng)變片涂上防護(hù)膠，并做好應(yīng)變片溫度補(bǔ)償?shù)?；同時(shí)，應(yīng)變片的位置要對(duì)稱，使數(shù)據(jù)更具有對(duì)比性?？紤]加防護(hù)膠引起應(yīng)變片靈敏度的影響，相同撓度下不加防護(hù)膠、加硅膠和蜜月膠的試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 防護(hù)膠對(duì)應(yīng)變的影響試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，用彈性模量較大的蜜月膠做防護(hù)膠對(duì)應(yīng)變有明顯的影響，即引起較大附加應(yīng)變；但彈性模量較小的硅膠對(duì)應(yīng)變的影響較小，只有約0.6%。經(jīng)多次及不同應(yīng)變大小的試驗(yàn)得出的結(jié)果基本一致，故選擇彈性模量較小的硅膠作為內(nèi)防護(hù)膠。對(duì)于加防護(hù)膠后，為了更好地反映真實(shí)應(yīng)變，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可對(duì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

試驗(yàn)只考慮了防護(hù)膠對(duì)應(yīng)變片引起的附加應(yīng)變的影響，而沒有考慮到高壓水的強(qiáng)滲透力對(duì)絕緣的影響及在高壓水對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。

1.2 高壓水強(qiáng)滲透力對(duì)絕緣的影響

為了觀察高壓水的強(qiáng)滲透力對(duì)絕緣的影響，設(shè)計(jì)了4組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)變片粘貼在Q235B碳鋼試驗(yàn)塊上（100mm×100mm×10mm）。試驗(yàn)在壓力容器里進(jìn)行，壓力每增加2MPa測(cè)量1次絕緣電阻，試驗(yàn)前測(cè)量絕緣電阻＞100MΩ。為了方便觀察試驗(yàn)，加壓速度不宜過快。

1.2.1 第1組試驗(yàn)

涂2層硅膠，第2層硅膠等第1層硅膠固化后再涂，并全部覆蓋第1層硅膠。試驗(yàn)加至20MPa（2 000m水深）后絕緣阻值沒有明顯變化，說明高壓水沒有滲透到應(yīng)變片。為了觀察高壓水滲透情況，把試驗(yàn)塊放置2d后觀察，發(fā)現(xiàn)未涂防護(hù)層部分基本銹蝕，用工具打開最外層防護(hù)膠，發(fā)現(xiàn)已有銹點(diǎn)滲透，而且已開始滲透到第1層防護(hù)膠，但未滲透到里層。說明涂2層硅膠有一定的防潮效果但值得憂慮。

1.2.2 第2組試驗(yàn)

第1層防護(hù)膠是硅膠，第2層防護(hù)膠是蜜月膠，試驗(yàn)方法同第1組。試驗(yàn)加至20MPa后絕緣阻值沒有明顯變化，且2d后觀察發(fā)現(xiàn)外層防護(hù)膠已有銹點(diǎn)滲透，但只是一小部分，沒有滲透到里層的防護(hù)膠。說明蜜月膠的防潮性比硅膠好。在試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)其零點(diǎn)漂移值比第1組小，說明蜜月膠比硅膠能在一定程度上減少水壓對(duì)應(yīng)變片的影響。

1.2.3 第3組試驗(yàn)

第1層防護(hù)膠是硅膠，第2層防護(hù)膠是蜜月膠，第3層防護(hù)膠是硅膠，試驗(yàn)方法同上。發(fā)現(xiàn)只在最外層防護(hù)膠出現(xiàn)銹點(diǎn)，而沒有滲透到第2層防護(hù)膠，說明第3組防護(hù)很理想。

1.2.4 第4組試驗(yàn)

在第3組的基礎(chǔ)上加1個(gè)鋼防水盒，壓力不大時(shí)其零點(diǎn)漂移比第3組有所減少。但在高壓水作用下，鋼防水盒和橡膠膜容易破裂或失去穩(wěn)定，容易在測(cè)點(diǎn)處引起附加的彎曲應(yīng)力，影響測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變場(chǎng)。且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用麻煩，密封亦不可靠［10］。

1.3 高壓下應(yīng)變測(cè)量的補(bǔ)償

應(yīng)變片在高壓下由于壓力效應(yīng)會(huì)造成誤差，同時(shí)壓力效應(yīng)和溫度效應(yīng)總是在一起，可采用內(nèi)補(bǔ)償法消除和修正其效應(yīng)［11］。補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片須靠得近，這樣溫度變化相同，溫度補(bǔ)償比較好。由于補(bǔ)償塊上的補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片的受壓力相同，因此壓力效應(yīng)得到補(bǔ)償。

1.4 高壓水下應(yīng)變片與導(dǎo)線的選擇

在做高壓水的強(qiáng)滲透力對(duì)絕緣的影響試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力較大時(shí)普通應(yīng)變片常常容易損壞。故需采用具有耐壓、質(zhì)量良好的應(yīng)變片，而且應(yīng)變片自帶的引出線有很好的絕緣效果，在高壓情況下能更好做防潮工作。但其成本較高，是普通應(yīng)變片的幾十倍。

應(yīng)變片的引線是通過引線密封裝置引出深水壓力艙的，因深水壓力艙的引線密封裝置一旦密封，除特殊情況不宜再打開。故導(dǎo)線必須能承受反復(fù)加壓、泄壓及高壓情況而不損壞。所以導(dǎo)線必須選擇高強(qiáng)度漆包線或帶有聚氯乙稀外皮的導(dǎo)線，同時(shí)要涂防水層。

2 工藝流程和方法

試驗(yàn)前期研究解決了深海海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的工藝流程和方法中的重點(diǎn)難點(diǎn)問題。根據(jù)研究可以提出下面的工藝流程和方法。

2.1 試驗(yàn)管件選取與清理

好的試驗(yàn)管件選取方案可方便結(jié)果對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的整體優(yōu)化。

選好試驗(yàn)管件后要進(jìn)行清理，對(duì)試驗(yàn)管件進(jìn)行整體清掃的目的是除去試驗(yàn)管件表面浮土、微塵、表面浮銹和嚴(yán)重銹斑等，避免影響后面粘貼應(yīng)變片工作。

2.2 粘貼工藝

2.2.1 粘貼應(yīng)變片前準(zhǔn)備

首先確定測(cè)量點(diǎn)在試驗(yàn)管件的布置情況，然后做好畫線定位工作。本試驗(yàn)的管件測(cè)量點(diǎn)布置如圖1所示。畫線定位做好后要進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)號(hào)，方便后面的工作。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

定位工作做好后，大致標(biāo)出打磨區(qū)域并打磨，打磨到手感光滑、視覺明亮、沒有黑點(diǎn)等。

經(jīng)過打磨后已經(jīng)把上面畫的線打掉，故需要用尖利的工具準(zhǔn)確畫出應(yīng)變片的位置。畫線不宜太深也不宜太淺，盡量一道畫過去完成，但要求劃痕清晰。

為了把再畫線劃出的棱角打掉和使貼片更加牢固、位置更正，需用砂紙?jiān)俅蚰ィ蚰ネ旰笄逑锤蓛簟?/p>

2.2.2 粘貼應(yīng)變片

粘貼應(yīng)變片是整個(gè)貼片過程最為關(guān)鍵的步驟，對(duì)能否采集到正確的應(yīng)變數(shù)據(jù)有絕對(duì)的影響。本試驗(yàn)所采用的應(yīng)變片是特制的耐壓應(yīng)變片。貼應(yīng)變片前需要測(cè)定應(yīng)變片阻值并按阻值大小分類。以每個(gè)截面貼10個(gè)應(yīng)變片為例，每組分13個(gè)應(yīng)變片，2個(gè)用作補(bǔ)償片，留1個(gè)備用。每組應(yīng)變片的阻值控制在0.1Ω誤差以內(nèi)。分應(yīng)變片要在同一個(gè)時(shí)間段完成，避免溫度對(duì)應(yīng)變片阻值的影響。要嚴(yán)格按照粘貼應(yīng)變片的工藝要求進(jìn)行粘貼和固化等。

2.2.3 粘貼接線端子與焊引出線

接線端子要求要有很好的絕緣性。接線端子離應(yīng)變片5～8mm，位置在應(yīng)變片引線那一端，方向和應(yīng)變片的方向保持一致。

在焊引出線前準(zhǔn)備好長(zhǎng)度約15cm的小導(dǎo)線，用于應(yīng)變片與艙體引出線的連接。

應(yīng)變片及其接線端子牢牢粘固在管壁后，就可以為應(yīng)變片焊接引出線。焊好應(yīng)變片的引線，在接線端子上焊小導(dǎo)線做應(yīng)變片新的引出線，注意焊點(diǎn)要光滑。

2.2.4 粘貼應(yīng)變片質(zhì)量檢查

檢測(cè)應(yīng)變片的阻值和線路是否有斷路、絕緣性、應(yīng)變片內(nèi)是否有氣泡；應(yīng)變片的粘貼位置是否正確；應(yīng)變片在粘貼過程是否有損壞等。

2.2.5 制作應(yīng)變補(bǔ)償片

制作補(bǔ)償片的工序和粘貼應(yīng)變片的工作同時(shí)進(jìn)行。除了不要求準(zhǔn)確定位，其他與粘貼應(yīng)變片基本一致。補(bǔ)償片粘貼在與試驗(yàn)管件材料一致的鐵塊上。

3 防水與抗壓工藝

3.1 涂第1層保護(hù)膠

第1層保護(hù)膠主要作用是保護(hù)應(yīng)變片，起到防水絕緣的作用。同時(shí)起到軟保護(hù)的作用，避免在高壓下保護(hù)膠對(duì)應(yīng)變片產(chǎn)生過大的附加應(yīng)變。等粘貼應(yīng)變片的膠水固化后用硅橡膠做第1層保護(hù)膠。需要說明的是需先用脫脂棉蘸取無水酒精進(jìn)行表面清洗，目的是使保護(hù)膠粘貼得牢固。

3.2 涂第2層保護(hù)膠

第2層膠的主要作用是防水絕緣和保護(hù)應(yīng)變片，使應(yīng)變片在模擬深海環(huán)境下能正常傳送出應(yīng)變信息，這樣方能隨時(shí)觀測(cè)和采集到數(shù)據(jù)。第2層保護(hù)膠需把第1層保護(hù)膠、接線端子、線頭等可能導(dǎo)致短路的地方全部覆蓋住。特別注意應(yīng)變片引出線處的涂膠工作要細(xì)致，避免因涂膠不合格而導(dǎo)致高壓水沿導(dǎo)線滲透而影響應(yīng)變片的防潮效果。

3.3 涂第3層保護(hù)膠

第3層保護(hù)膠也是起到保護(hù)應(yīng)變片的作用，使試驗(yàn)管件放到模擬深海海底管道的試驗(yàn)環(huán)境并能正確傳送出想要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。第3層保護(hù)膠也是硅橡膠，需要把第2層保護(hù)膠全部覆蓋。同樣也是在涂膠前把需要涂膠的范圍先用脫脂棉蘸取無水酒精進(jìn)行表面清洗。

3.4 檢查應(yīng)變片

做完應(yīng)變片的防護(hù)后，再次檢測(cè)應(yīng)變片的通電與絕緣情況，查看做防護(hù)過程是否對(duì)應(yīng)變片有損壞。

4 連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.1 連線及防護(hù)

在上一步檢測(cè)正常后即可連線，把應(yīng)變片的引出線和應(yīng)變儀通過艙體后的引出線連接起來，但必須做好線路防護(hù)工作，否則將導(dǎo)致短路而不能輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。首先注意應(yīng)變儀上的編號(hào)和應(yīng)變片的編號(hào)要統(tǒng)一；然后即可把應(yīng)變片的小導(dǎo)線和應(yīng)變儀通過艙體后的引出線焊接起來。注意焊前都先給導(dǎo)線加熱縮管，焊后做導(dǎo)線的防護(hù)工作。

4.2 防水工藝

1） 第1層 即在焊口處涂蜜月膠，防止導(dǎo)線和水接觸而導(dǎo)致短路，注意涂膠要均勻而且要全部覆蓋住金屬體。

2） 第2層 等蜜月膠固化后移動(dòng)熱縮管到焊口處，把焊口全封住。用吹風(fēng)機(jī)或打火機(jī)加熱熱縮管導(dǎo)致熱縮管收縮套住導(dǎo)線。

3） 第3層 在熱縮管及其兩端加硅膠加以密封。第3層防水工藝是為了避免第1層和第2層防水工藝沒有做好或壓力過大而導(dǎo)致短路。

注意：應(yīng)變儀通過艙體的引線長(zhǎng)度要相等，否則導(dǎo)致應(yīng)變片等效電阻不一致。

4.3 檢測(cè)線路 連接應(yīng)變儀

連好線后用萬用表在應(yīng)變儀處檢測(cè)整個(gè)線路和應(yīng)變片阻值和絕緣是否正常并記錄。做好上面的工作后，就把線連接到應(yīng)變儀上。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集實(shí)例

以材料為Q235B、管件長(zhǎng)8m、外直徑325mm和管厚10mm有缺陷的試驗(yàn)管件為例。試驗(yàn)管件缺陷在試驗(yàn)管件長(zhǎng)度的中間外表面，缺陷為一個(gè)小圓，缺陷小圓直徑為20mm，深度為3mm。試驗(yàn)管件的邊界條件為兩端固支。通過加壓模擬深海管道受靜水壓力壓潰的試驗(yàn)，得到了加壓試驗(yàn)的壓力變化過程，如圖2?？梢钥吹綇募訅旱綁簼⒅敝翂毫禐榱愕娜^程，其最高點(diǎn)即為管件的臨界載荷。試驗(yàn)完成后測(cè)量，可以得到沿管件環(huán)向的最大變形，表2為同一軸向上試驗(yàn)管件最大變形數(shù)據(jù)。

圖2 試驗(yàn)管件壓力曲線

試驗(yàn)管件每站環(huán)向均勻粘貼10片應(yīng)變片，觀察管件變形最大處位置，提取應(yīng)變采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)。表3為同一軸向上試驗(yàn)管件最大變形處的環(huán)向應(yīng)變，與最大變形數(shù)據(jù)總體趨勢(shì)一致，且結(jié)果與ANSYS軟件模擬基本一致，變形以壓縮為正。最大變形特指壓潰前瞬間管道變形。

表2 最大變形數(shù)據(jù)

表3 最大環(huán)向應(yīng)變

圖3是在同一站中最大環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的比較，符合受力分析情況。

圖3 最大變形站最大環(huán)向與軸向應(yīng)變

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了深海海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究思路和工藝流程。其方法是根據(jù)前期研究提出，在試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果和前期研究結(jié)果基本吻合，證明了前期研究的有效性、合理性。深海海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的工作難點(diǎn)就是如何在模擬深海的環(huán)境下能正確地傳輸出想要的數(shù)據(jù)。通過研究和試驗(yàn)，最后得出的數(shù)據(jù)比較理想，說明提出的數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以應(yīng)用于深海海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

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Data Acquisition Technology of Deepwater Submarine Pipeline Buckling Experiments

LIN Zhen－shia，b，YU Jian－xinga，b，WANG Yong－genga，b，MA Juna，b，JING Hai－yonga，b，ZHAO Yi－yua，b，LI Yana，b，ZHANG Gui－zhena，b
（a.School of Civil Engineering；b.Key Laboratory of Harbor ＆Ocean Engineering of Ministry of Education ＆Tianjin City，Tianjin University，Tianjin300072，China）

In order to observe the pipeline buckling process in the test and measure the pipeline strain in the whole process，aprocess flow and method are designed and used in the deepwater submarine pipeline buckling experiment data acquisition.The key to the data acquisition is how to protect the strain gages to make sure that it can output precisely test data in simulated deepwater environment.Finally，it presents an example to explain the feasibility of this method in deepwater submarine pipeline buckling experiment data acquisition.

deep water；pipe line；strain；testing

1001－3482（2011）12－0062－05

TE95

A

2011－06－27

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2008ZX05026－005）；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目（51021004）

林鎮(zhèn)詩(shī)（1985－），男，海南臨高人，碩士研究生，主要從事深水海底管道研究，E－mail：linzhenshi 281184＠163.com。況下，造成防水失效或應(yīng)變片破壞等問題，導(dǎo)致不能采集到所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，采集的數(shù)據(jù)基本滿足要求。