林鎮(zhèn)詩，余建星，王永更，馬 駿，景海泳，趙羿羽，李 妍，張貴珍

（天津大學a.建筑工程學院；b.港口與海洋工程教育部／天津市重點實驗室，天津300072） ①

深水海底管道屈曲試驗數(shù)據(jù)采集技術研究

林鎮(zhèn)詩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a.建筑工程學院；b.港口與海洋工程教育部／天津市重點實驗室，天津300072）①

為了觀察深水海底管道屈曲試驗過程中管道的屈曲進程和測量管道在屈曲變形過程中的應變，設計和完善了一種適用于深海海底管道屈曲試驗數(shù)據(jù)采集的工藝流程和方法。數(shù)據(jù)采集工作的重點是保護應變片并使其在模擬深海環(huán)境中能夠正確輸出試驗數(shù)據(jù)，同時可以實時監(jiān)控試驗壓力等數(shù)據(jù)。試驗結果表明：研制出的深水海底管道屈曲試驗數(shù)據(jù)采集技術和方法可行、有效。

深水；管道；應變；試驗

深水海底管道屈曲試驗數(shù)據(jù)采集技術是深水海底管道屈曲試驗必備的技術，而深水海底管道屈曲試驗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重、最普遍的問題［1］。已有一些文獻對管道的性能及幾何缺陷、殘余應力、非均勻地應力等因素對管道強度的影響進行了分析［2－6］?，F(xiàn)有理論和數(shù)值模擬還不能很準確地預測因運輸、管道鋪設等原因而導致管道產(chǎn)生各種缺陷的屈曲失效行為［7］。因此，進行深海海底管道屈曲試驗對理解深海管道屈曲行為十分重要，而且也是相關理論和數(shù)值模擬方法的驗證和補充［8］。但要在深水甚至相當于幾千米水深的壓力下觀測到深海屈曲試驗的數(shù)據(jù)，必須用新的防護和抗壓方法。

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

1 防護與抗壓工藝研究

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

對于深水，由于高壓及高壓狀態(tài)下水具有很強的滲透力且水的導電性，在深水中對應變片防水具有特殊要求?，F(xiàn)在行之有效的方法是加防護膠，而防護膠會產(chǎn)生附加應變，應變片在高壓情況下也容易被損壞。同時，要向外正確輸送出試驗數(shù)據(jù)，應變片必須和導線相連接，導線和接口處的防護也是一個難點。因此，進行深水海底管道屈曲試驗數(shù)據(jù)采集要解決好應變片的防水與抗壓及導線的防護。

1.1 防護膠對應變的影響

首先不考慮水壓的影響，先在等強度梁測試加防護膠與不加防護膠應變及加各種防護膠對應變的影響［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變片的防護膠，與沒加防護膠的應變片進行對比。嚴格按照粘貼工藝要求做好應變片粘貼及對應變片涂上防護膠，并做好應變片溫度補償?shù)?；同時，應變片的位置要對稱，使數(shù)據(jù)更具有對比性?？紤]加防護膠引起應變片靈敏度的影響，相同撓度下不加防護膠、加硅膠和蜜月膠的試驗結果如表1。

表1 防護膠對應變的影響試驗結果

由表1可以看出，用彈性模量較大的蜜月膠做防護膠對應變有明顯的影響，即引起較大附加應變；但彈性模量較小的硅膠對應變的影響較小，只有約0.6%。經(jīng)多次及不同應變大小的試驗得出的結果基本一致，故選擇彈性模量較小的硅膠作為內(nèi)防護膠。對于加防護膠后，為了更好地反映真實應變，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可對實測的數(shù)據(jù)進行修正。

試驗只考慮了防護膠對應變片引起的附加應變的影響，而沒有考慮到高壓水的強滲透力對絕緣的影響及在高壓水對應變測量的影響。

1.2 高壓水強滲透力對絕緣的影響

為了觀察高壓水的強滲透力對絕緣的影響，設計了4組試驗進行對比，應變片粘貼在Q235B碳鋼試驗塊上（100mm×100mm×10mm）。試驗在壓力容器里進行，壓力每增加2MPa測量1次絕緣電阻，試驗前測量絕緣電阻＞100MΩ。為了方便觀察試驗，加壓速度不宜過快。

1.2.1 第1組試驗

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變片。為了觀察高壓水滲透情況，把試驗塊放置2d后觀察，發(fā)現(xiàn)未涂防護層部分基本銹蝕，用工具打開最外層防護膠，發(fā)現(xiàn)已有銹點滲透，而且已開始滲透到第1層防護膠，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

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

1.2.3 第3組試驗

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

1.2.4 第4組試驗

在第3組的基礎上加1個鋼防水盒，壓力不大時其零點漂移比第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，容易在測點處引起附加的彎曲應力，影響測點的應變場。且結構復雜，使用麻煩，密封亦不可靠［10］。

1.3 高壓下應變測量的補償

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

1.4 高壓水下應變片與導線的選擇

在做高壓水的強滲透力對絕緣的影響試驗時發(fā)現(xiàn)，當壓力較大時普通應變片常常容易損壞。故需采用具有耐壓、質(zhì)量良好的應變片，而且應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，是普通應變片的幾十倍。

應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。故導線必須能承受反復加壓、泄壓及高壓情況而不損壞。所以導線必須選擇高強度漆包線或帶有聚氯乙稀外皮的導線，同時要涂防水層。

2 工藝流程和方法

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

2.1 試驗管件選取與清理

好的試驗管件選取方案可方便結果對比，實現(xiàn)對后續(xù)試驗的整體優(yōu)化。

選好試驗管件后要進行清理，對試驗管件進行整體清掃的目的是除去試驗管件表面浮土、微塵、表面浮銹和嚴重銹斑等，避免影響后面粘貼應變片工作。

2.2 粘貼工藝

2.2.1 粘貼應變片前準備

首先確定測量點在試驗管件的布置情況，然后做好畫線定位工作。本試驗的管件測量點布置如圖1所示。畫線定位做好后要進行統(tǒng)一標號，方便后面的工作。

圖1 測點布置

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

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確畫出應變片的位置。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，需用砂紙再打磨，打磨完后清洗干凈。

2.2.2 粘貼應變片

粘貼應變片是整個貼片過程最為關鍵的步驟，對能否采集到正確的應變數(shù)據(jù)有絕對的影響。本試驗所采用的應變片是特制的耐壓應變片。貼應變片前需要測定應變片阻值并按阻值大小分類。以每個截面貼10個應變片為例，每組分13個應變片，2個用作補償片，留1個備用。每組應變片的阻值控制在0.1Ω誤差以內(nèi)。分應變片要在同一個時間段完成，避免溫度對應變片阻值的影響。要嚴格按照粘貼應變片的工藝要求進行粘貼和固化等。

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。接線端子離應變片5～8mm，位置在應變片引線那一端，方向和應變片的方向保持一致。

在焊引出線前準備好長度約15cm的小導線，用于應變片與艙體引出線的連接。

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

2.2.4 粘貼應變片質(zhì)量檢查

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

2.2.5 制作應變補償片

制作補償片的工序和粘貼應變片的工作同時進行。除了不要求準確定位，其他與粘貼應變片基本一致。補償片粘貼在與試驗管件材料一致的鐵塊上。

3 防水與抗壓工藝

3.1 涂第1層保護膠

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

3.2 涂第2層保護膠

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

3.3 涂第3層保護膠

第3層保護膠也是起到保護應變片的作用，使試驗管件放到模擬深海海底管道的試驗環(huán)境并能正確傳送出想要的試驗數(shù)據(jù)。第3層保護膠也是硅橡膠，需要把第2層保護膠全部覆蓋。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行表面清洗。

3.4 檢查應變片

做完應變片的防護后，再次檢測應變片的通電與絕緣情況，查看做防護過程是否對應變片有損壞。

4 連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.1 連線及防護

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

4.2 防水工藝

1） 第1層 即在焊口處涂蜜月膠，防止導線和水接觸而導致短路，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熱縮管到焊口處，把焊口全封住。用吹風機或打火機加熱熱縮管導致熱縮管收縮套住導線。

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致短路。

注意：應變儀通過艙體的引線長度要相等，否則導致應變片等效電阻不一致。

4.3 檢測線路 連接應變儀

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

5 試驗數(shù)據(jù)采集實例

以材料為Q235B、管件長8m、外直徑325mm和管厚10mm有缺陷的試驗管件為例。試驗管件缺陷在試驗管件長度的中間外表面，缺陷為一個小圓，缺陷小圓直徑為20mm，深度為3mm。試驗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，得到了加壓試驗的壓力變化過程，如圖2?？梢钥吹綇募訅旱綁簼⒅敝翂毫禐榱愕娜^程，其最高點即為管件的臨界載荷。試驗完成后測量，可以得到沿管件環(huán)向的最大變形，表2為同一軸向上試驗管件最大變形數(shù)據(jù)。

圖2 試驗管件壓力曲線

試驗管件每站環(huán)向均勻粘貼10片應變片，觀察管件變形最大處位置，提取應變采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)。表3為同一軸向上試驗管件最大變形處的環(huán)向應變，與最大變形數(shù)據(jù)總體趨勢一致，且結果與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)向應變

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

圖3 最大變形站最大環(huán)向與軸向應變

6 結語

本文詳細介紹了深海海底管道屈曲試驗數(shù)據(jù)采集技術的研究思路和工藝流程。其方法是根據(jù)前期研究提出，在試驗過程中設計對比試驗，其結果和前期研究結果基本吻合，證明了前期研究的有效性、合理性。深海海底管道屈曲試驗數(shù)據(jù)采集技術的工作難點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，最后得出的數(shù)據(jù)比較理想，說明提出的數(shù)據(jù)采集技術可以應用于深海海底管道屈曲試驗數(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

國家科技重大專項資助項目（2008ZX05026－005）；國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金項目（51021004）

林鎮(zhèn)詩（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，造成防水失效或應變片破壞等問題，導致不能采集到所需的試驗數(shù)據(jù)。經(jīng)過試驗驗證，采集的數(shù)據(jù)基本滿足要求。