深水結(jié)構(gòu)實驗室試驗關(guān)鍵問題分析

余建星，馬 駿，王保建，王永更，卞雪航，陳飛宇，龔凡明，周健狀

（天津大學 港口與海洋工程教育部、天津市重點實驗室，建筑工程學院，天津 300072）

深水結(jié)構(gòu)實驗室試驗關(guān)鍵問題分析

余建星，馬 駿，王保建，王永更，卞雪航，陳飛宇，龔凡明，周健狀

（天津大學 港口與海洋工程教育部、天津市重點實驗室，建筑工程學院，天津 300072）

主要針對深水結(jié)構(gòu)實驗室進行的一系列管件屈曲壓潰試驗中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題進行全面綜合的深入分析，并提出切實可行的有效解決方法，從而大大縮短試驗周期，減少人力、物力、財力等的消耗，提高試驗質(zhì)量，加快試驗進度。

深水結(jié)構(gòu)實驗室；管件壓潰；問題分析；解決方法

對于深水結(jié)構(gòu)的研究國內(nèi)并不多見，在國外也是屈指可數(shù)。文中著重就深水海底管道屈曲壓潰試驗中的一系列問題加以總結(jié)，并提出切實有效的解決方法。

在為期一個多月的試驗時間中，筆者所在實驗室總共試驗了20根管件。在保證試驗質(zhì)量，試驗安全，試驗工作人員正常休息的前提下，從做第一根管件長達5 d的周期，到最后第20根管件僅用了2 d。這個在時間上的大幅度縮短，也正是筆者在試驗中不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，改善試驗方式方法，改進試驗工藝，提高試驗效率的過程。

因此，特別為此項試驗按照試驗過程順序出現(xiàn)的一些問題進行分析，并對解決方法進行匯總。

1 試驗測試系統(tǒng)常見問題

1.1 應變片問題

當完成粘貼應變片、接線端子及其焊接引出線工作后，從引出線兩端測量應變片電阻時，發(fā)現(xiàn)電阻超過萬用表最大量程，無讀數(shù)。

原因分析：

（1）應變片在粘貼過程中受擠壓碰撞而損壞；

（2）應變片銅線與接線端子間存在斷路；

（3）引出線內(nèi)部存在斷路。

解決方法：

（1）用放大鏡仔細觀察應變片表面及其銅線是否有損壞斷裂問題，若有，則說明是前兩個原因所致；

（2）若不是前兩個原因，則說明引出線內(nèi)部存在斷路，將引出線從焊錫處焊掉，換線重焊。

1.2 補償片問題

由于各種原因?qū)е履硞€補償片連線出現(xiàn)斷路等問題而不能使用。此次試驗管件長8 m，在管件上每隔1 m作為一站，每站粘貼10個應變片。每個補償片可以補償8個應變片，即如果其中一個補償片壞掉，將導致8個應變片數(shù)據(jù)不準確。所以補償片的正常使用尤其重要。以“舍小保大”為原則，筆者實驗室在壞掉的補償片附近以一根正常的應變片引出線連接到補償片上，在應變儀一端也做對應變更，即將該應變片引出線安插在應變儀補償片的位置上。而對于該應變片則不再連接引線。這樣舍棄1個應變片的數(shù)據(jù)以保證其他7個數(shù)據(jù)的正常。

應變片是物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為電流參數(shù)的高精度傳感元件，所以要考慮到溫度的影響。而且在焊應變片時的溫度和測量應變片時的溫度是不一樣的，這時候應變片沒受載荷就已經(jīng)有應變了，所以要用溫度補償片減掉溫度帶來的應變。

2 試驗安裝系統(tǒng)常見問題

2.1 安裝前端蓋問題

當軌道托車承載壓力艙前端蓋并將其安裝在壓力艙上時，出現(xiàn)前端蓋螺孔與壓力艙前端螺栓不能正常一一對位問題。

原因分析：

（1）前端蓋重達10 t，長期壓在軌道車上使軌道地基下沉或傾斜；

（2）前次試驗周期中前端蓋螺孔與壓力艙前端螺栓有擦碰，而致使前端蓋傾斜或軌道車有相對軌道的橫向偏移；

（3）在前端蓋法蘭連接管件時，由于天車吊裝管件的作用致使連同前端蓋也有一定的移動。

解決方法：

（1）采用軌道車下部四個豎直方向和兩側(cè)水平方向的千斤頂，對軌道車進行調(diào)節(jié)，從而校正前端蓋位置；

（2）如果上述方法不足以校正前端蓋位置，可用天車適當?shù)跗鹎岸松w進行適當旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

2.2 尾端螺柱不能伸出問題

在將管件往壓力艙中送入時，同時也應有人注意觀察壓力艙尾端，檢查管件尾端螺柱是否能夠正常順利從艙內(nèi)伸出，以防螺柱擦碰艙體內(nèi)壁。如果尾端螺柱偏離艙體中軸線太遠，則尾端螺柱將不能正常伸出。

原因分析：

（1）管件前端法蘭連接不正，即法蘭面與管件軸線未垂直，造成偏移累加。根據(jù)計算，8 m長的管件，前端即使有0.5°的偏斜，也會導致尾端6.981 cm的偏移，而這個數(shù)值是尾端伸出孔所不允許的，如圖1所示。

圖1 管件偏斜模型

（2）管件尾端法蘭連接不正，即法蘭面與管件軸線未垂直，雖不會有偏移累加，也會造成一定程度的傾斜。

解決方法：

用軌道車將管件從壓力艙退出，對于第一個原因引起的問題，將管件前端法蘭重新焊接；對于第二個原因引起的問題，將管件尾端法蘭重新焊接。

3 試驗過程常見問題

3.1 視頻監(jiān)控有橫條干擾

在試驗過程中，視頻監(jiān)控畫面不清晰，有橫條波紋干擾。

原因分析：

（1）攝像機連接電路有接觸不良之處；

（2）附近有電焊機等作業(yè)，形成干擾信號。

因為在焊接焊割管件法蘭以及一些其他輔助性管架時采用電弧焊，電焊的短時間電流強度很大，導致消耗在線路上的電壓大，造成電壓不穩(wěn)定，會造成周邊其他用電設(shè)備不能正常工作。另外，我們使用的CRT顯示器（Cathode Ray Tude），即陰極射線管顯示器，也一種很容易被電磁干擾的顯示器。

解決方法：

（1）檢查攝像頭連接電路，將各個接線處接緊；

（2）若周圍有電焊機等作業(yè)并確實造成干擾，應當在試驗時予以禁止。

3.2 試驗時艙體內(nèi)升壓較慢

原因分析：

（1）可能是由于艙體加壓前未注滿水或艙內(nèi)空氣未排盡，致使加壓時要先壓縮艙內(nèi)空氣；

（2）加壓泵的水中含有水銹等各種雜質(zhì)，導致加壓泵進水管阻塞，加壓緩慢；

（3）艙體內(nèi)管件受水壓已產(chǎn)生彈性變形，使得加壓泵進來的水沒有全部形成水壓，而是填補管件變形產(chǎn)生的容積。

解決方法：

（1）停止加壓，并通過泄壓閥將剩余水壓卸掉，重新向艙內(nèi)注水；

（2）檢修加壓泵，清理其進水管；

（3）如采取前兩種方法仍然不能使水壓上升加快，說明管件已逐漸變形，為安全起見，不宜加壓過高。

3.3 艙內(nèi)管件遠遠超出理論壓潰值而未壓潰

原因分析：

管件法蘭焊接處或管壁有缺陷處已經(jīng)破損進水，致使管件內(nèi)外水壓平衡而不能壓潰。

解決方法：

艙體減壓排水后，將管件從艙體退出，如果是管件法蘭焊接處漏水且管件未受壓變形，可以將法蘭重新焊接供再次試驗使用。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)異常，如數(shù)據(jù)缺失、不穩(wěn)定等

原因分析：

（1）壓力傳感器、應變片等數(shù)據(jù)采集元件損壞會導致部分數(shù)據(jù)不能正常輸出；

（2）應變儀未打開或是應變儀剛剛啟動，數(shù)據(jù)尚未傳輸?shù)接嬎銠C會導致全部數(shù)據(jù)不能正常輸出；

（3）應變儀接地線故障會導致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

解決方法：

（1）檢查應變儀是否已開啟，若已開啟，則檢查電腦軟件系統(tǒng)是否異常工作，重啟電腦或數(shù)據(jù)采集軟件。若應變儀未開啟，則馬上開啟，考機一段時間再開始試驗；

（2）檢查應變儀接地線是否接好。

本試驗壓力艙采用的是金屬電阻應變片式壓力傳感器。其工作原理是將應變片緊密粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變（俗稱電阻應變效應），從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過測得的電壓變化，推出電阻變化，最后進一步導出應變片應變值。

金屬電阻應變式傳感器屬于精密元件，其上的應變片應謹慎小心使用，避免碰撞、震動等機械損耗。在我們做第二根管件壓潰試驗時，就出現(xiàn)了部分數(shù)據(jù)不能正常輸出的情況。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是傳感器損壞所致。而導致傳感器發(fā)生故障的原因則是在用風炮緊固尾端蓋螺母時，產(chǎn)生的劇烈震動使得傳感器內(nèi)部應變片損壞。為此，在試驗時我們采取了先安裝尾端蓋后安裝傳感器的方法，以避免傳感器的再次損壞。

3.5 壓力艙排水緩慢

當我們在加壓將管件壓潰并已經(jīng)卸掉水壓后，排水時發(fā)現(xiàn)水流緩慢，從排水管與下水道接口處可以觀察到水并非成股大量流出。

原因分析：

（1）壓力艙頂部高壓截止排氣閥未擰開或未完全擰開；

（2）壓力艙底部排水閥未完全擰開；

（3）排水管道截止閥未完全擰開；

（4）壓力艙內(nèi)部排水口處被雜物堵住。

解決方法：

（1）檢查高壓截止閥，排水閥，排水管道截止閥是否已擰開，要將三者都完全擰開，即用適當力度擰到擰不動為止；

（2）若上述方法仍不奏效，則可能是壓力艙內(nèi)部排水口處被堵。由于受高壓作用，粘貼和固定在管壁的應變片涂膠，補償塊等可能會從管壁脫落而順水流堵住排水口。這時應等艙內(nèi)排水殆盡（可能時間會比較長，約2 h），再打開前后端蓋。試驗人員入艙檢查排水口情況，及時清理雜物。

4 結(jié)論

以上就是筆者在對整個模擬深海水壓下管道屈曲壓潰試驗中出現(xiàn)的問題、原因以及解決方法的總結(jié)。在試驗中，每發(fā)現(xiàn)一個問題，筆者都會及時分析其原因，并盡快找出最好的解決方法，避免以后出現(xiàn)類似問題，并且縮短了試驗周期，提高了試驗效率，加快了試驗進度，節(jié)約試驗成本，有利于后續(xù)試驗更加順利地完成。

[1]趙冬巖，余建星，丘志勇，等.含缺陷海底管道屈曲穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬[J].天津大學學報，2009,42(12)：24-30.

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[3]黨學博，龔順風，等．深水海底管道極限承載能力分析[J].浙江大學學報，2010,44(4)：31-34.

[4]尹福炎.電阻應變片的溫度自補償及其他[J].稱重知識，2009:25-40.

[5] 蔣勇.手工電弧焊的安全防護[J].安全，2009（4）:36-50.

Key Problem Analysis of Deep-water Structure Lab Experiment

YU Jian-xing,MA Jun,WANG Bao-jian,WANG Yong-geng,BIAN Xue-hang,CHEN Fei-yu,GONG Fan-ming,ZHOU Jian-zhuang
(School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Analysis of key problems proposed in the serial experiments of pipeline buckling-crushing is given.Through the experiments,the solution is proposed to greatly reduce the experiments period,manpower,material,financial and other consumption,and to improve experiments quality,speed up the schedule.

Deep-water structure Lab;pipeline-crushing;problem analysis;solution

P751

B

1003-2029（2011）04-0102-03

2011-03-01

國家科技重大專項資助項目（2008ZX05026-005-05）；上海交通大學海洋工程國家重點實驗室研究基金資助項目

余建星（1958- ），男，教授，博士生導師，主要研究方向為深水海底管道屈曲及大型工程結(jié)構(gòu)可靠性分析與優(yōu)化、風險評估與控制。Email：yjx2000@tju.edu.cn，famame@tju.edu.cn