CN102087183A - 一种深水立管疲劳实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：它包括主缸筒、轴向加载缸、立管试件总成、横向伺服加载缸、土体作用伺服加载缸；主缸筒顶部设置外压接口和放气阀；主缸筒两端分别连接一具有轴向力接口的轴向加载缸；立管试样总成两端分别铰接在相应一侧的轴向加载缸活塞上，立管试样总成包括一试样主体和一连杆；试样主体下方设置有模拟土体；试样主体两端分别设置一内压接口；试样主体上设置有若干传感器，各传感器的测试引线穿出主缸筒连接测试仪器；各横向伺服加载缸和土体作用伺服加载缸均设置在主缸筒上，其中两个横向伺服加载缸的活塞顶在试样主体顶部，另一个横向伺服加载缸的活塞顶在试样主体与连杆连接处底部；各土体作用伺服加载缸的活塞顶在模拟土体底部。
Description
技术领域
本发明涉及一种疲劳实验装置，特别是关于一种可以模拟海床接触效应的深水立管疲劳实验装置。
背景技术
一般深水立管的受力比较复杂，如图1所示，受力类型一般有海水外压，管内流体内压，水下立管浮重，以及波浪海流等因素引起的动态交变拉压、弯曲作用，对于深水立管着地段还会有复杂的管土动态交变作用。从应力状态来看，深水立管处于复杂的三向交变应力状态，非常容易发生疲劳失效，而且与单向(拉压、弯曲)应力状态下的疲劳失效会有很大的不同。
就目前情况来看，国内外尚未见到有关深水立管在内外压、轴向力、弯矩、以及管土共同作用条件下，模拟深水立管复杂应力状态的疲劳试验装置与方法的文献。一般情况是应用常规拉压、弯曲疲劳实验机，进行深水立管材料或结构的单向应力状态的疲劳实验研究，与深水立管的受力状况偏差较大。因此，在一定理论分析的基础上，模拟深水工况，建立合理的实验方法和装置，结合实验研究深水立管的疲劳性能，对于经济、安全、可靠的开采深水油气，具有非常重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可模拟深水条件下，对深水立管在内压力、外压力、轴向力、弯矩以及管土共同作用下，所产生的疲劳问题进行模拟实验的深水立管疲劳实验装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：它包括一主缸筒、两轴向加载缸、一立管试件总成、若干横向伺服加载缸、若干土体作用伺服加载缸；所述主缸筒顶部一端设置有一外压接口，另一端设置有一放气阀；所述两轴向加载缸分别密封连接在所述主缸筒的两端，两所述轴向加载缸上分别设置有一轴向力接口；所述立管试样总成两端分别铰接在相应一侧的所述轴向加载缸的活塞上，所述立管试样总成包括一试样主体，以及与所述试样主体的一端通过圆柱销转动连接的连杆；所述试样主体下部与所述主缸筒之间设置有模拟土体；所述试样主体的两端分别设置有一连通内部的内压接口；所述试样主体上设置有若干位移传感器和应变传感器，各所述传感器的测试引线穿出所述主缸筒连接测试仪器；所述横向伺服加载缸设置在所述主缸筒上，其中两个所述横向伺服加载缸的活塞顶在所述试样主体顶部，另一个所述横向伺服加载缸的活塞顶在所述试样主体与所述连杆的圆柱销连接处底部；所述土体作用伺服加载缸设置在所述主缸筒上，且其上的各活塞顶在所述模拟土体的底部。
所述轴向力接口、外压接口、内压接口均通过液压通路与液压控制系统连通，各所述液压通路上设置有压力传感器。
各所述横向伺服加载缸和土体作用伺服加载缸均通过液压通路与液压伺服控制系统连通，各所述液压通路上设置有压力传感器。
所述主缸筒与两端所述轴向加载缸的对接处分别设置有外螺纹，且分别通过一个开合螺母式卡箍连接成一体。
所述立管试样总成与所述轴向加载缸之间的所述连接装置包括分别设置在所述立管试样总成两端的接头，两所述接头分别通过一圆柱销与相应端的所述轴向加载缸上的活塞转动连接。
所述立管试样总成的下部、所述模拟土体两端均设置有定位垫块。
所述两轴向加载缸内均设置有轴向定位环。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在主缸筒内设置立管试样总成，并且设置有轴向力接口、内压接口、外压接口，以及提供弯矩和管土作用力的加载缸，因此，可以对立管试样总成施加内压力、外压力、轴向力、弯矩和管土作用力，以模拟立管的三向复杂应力应变状态，从而可以对深水立管等管柱结构的疲劳性能进行实验研究。2、本发明由于采用主缸筒做为立管试样总成所有载荷的承受体，因此，可取代传统试验机的承载机架，结构紧凑，节约空间。3、本发明试样主体两端分别通过圆柱销与端部加载缸活塞和连杆连接，试样主体可绕圆柱销旋转，连杆另一端通过圆柱销与另一端部的加载缸活塞连接，连杆可绕圆柱销旋转，因此，连杆既可传递轴向力，又便于试样主体的旋转运动，避免横向力作用在端部轴向加载缸活塞密封上。4、本发明由于将主缸筒两端与端部轴向加载缸的连接采用开合螺母式卡箍连接，因此，便于立管试样总成的快速装拆，并可根据需要连接扩展副缸筒或其他附件，以满足不同的实验需要。5、本发明可以将立管试样总成受到的内压力、外压力和轴向力分别通过单独的液压系统施加，因此，可根据不同需要选取适当介质，一般情况下可选用水基介质，以减少污染、降低实验成本。6、本发明通过伺服加载缸对立管试样总成施加横向弯曲和土体作用力，伺服加载缸力的施加与控制可采用常规、成熟的液压伺服控制系统，易于实现。7、本发明横向加载缸安装在试样主体和连杆的圆柱销底部，可起到支撑约束试样主体的作用，又可控制试样主体的旋转运动。本发明集多种实验状况于一体，结构紧凑、节约空间，可广泛用于深水立管轴向、环向(周向)、径向三向应力或应变变化所产生的疲劳问题的实验过程中。
附图说明
图1是海底立管段受力示意图
图2是本发明立管疲劳实验装置示意图
图3是本发明立管试样总成基本结构示意图
图4是本发明立管弯曲与土体作用疲劳实验装置示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2、图3所示，本发明装置包括一主缸筒1，主缸筒1的两端分别设置有一具有端头密封功能的轴向加载缸2，两轴向加载缸2上分别设置有一轴向力接口3，两轴向加载缸2的活塞4分别通过连接装置5转动连接一立管试样总成6的两端。立管试样总成6包括一试样主体7，以及与试样主体7的一端通过圆柱销8转动连接的连杆9。试样主体7下部与主缸筒1之间设置有模拟土体10。主缸筒1顶部间隔设置一对横向伺服加载缸11、12，横向伺服加载缸11、12的活塞顶在试样主体7的顶部；主缸筒1底部设置有一组土体作用伺服加载缸13，各土体作用伺服加载缸13内的活塞顶在模拟土体10的底部；主缸筒1底部还设置有一横向伺服加载缸14，横向伺服加载缸14的活塞顶在试样主体7与连杆9的圆柱销8的连接处底部。主缸筒1的顶部一端设置有一外压接口15，另一端设置有一放气阀16。立管试样总成6的试样主体7的两端分别设置有一连通试件主体7内部的内压接口17。试样主体7上设置有若干位移传感器和应变传感器等传感器，传感器上连接有测试引线23，测试引线23的另一端穿出主缸筒1连接测试仪器。
实验时，轴向力接口3、外压接口15、内压接口17均通过液压通路与液压控制系统连通，各液压通路上设置有压力传感器等仪表，通过液控制系统中的软硬件，可以实现对立管试样总成6的内压力、外压力及轴向力的施加与测控。
实验时，各个横向伺服加载缸11、12、土体作用伺服加载缸13、横向伺服加载缸14均通过液压通路与液压伺服控制系统连通，各液压通路上设置有压力传感器等仪表，并通过液压伺服控制系统中的软硬件，实现对立管试样总成6施加的横向弯曲力及土体作用交变载荷的施加与测控。
上述的液压控制系统主要用于立管试样总成6的内、外压和轴向力的稳定控制，不需要太大的流量和功率，而且，为了节约实验成本，并减小立管试样总成6拆装时的泄漏污染，可以采用水介质。
上述的液压伺服控制系统主要用于立管试样总成6的横向力和位移以及土体作用力的动态控制，需要较大的流量和功率，工作介质为液压油。
上述实施例中，主缸筒1与两端部轴向加载缸2的连接，可以采用以下方式：即在主缸筒1与两端轴向加载缸2的对接处分别设置有外螺纹，且分别通过一个开合螺母式卡箍18连接成一体。
上述实施例中，立管试样总成6两端分别通过连接装置5与相应端的轴向加载缸2连接，该连接装置5包括分别设置在立管试样总成6两端的接头19，两接头19分别通过一圆柱销20与相应端的轴向加载缸2的活塞4转动连接。
上述实施例中，立管试样总成6的下部、模拟土体10的两端均设置有定位垫块21，其作用在于引导端部轴向加载缸2内的活塞4只产生轴向运动，避免密封承受横向力，同时限定模拟土体10的轴向位置。
上述实施例中，可根据需要在轴向加载缸内设置轴向定位环22，其作用是调整和限定立管试样总成6的轴向位置。
上述实施例中，试样主体7两端可以分别设置一连接件，两连接件通过圆柱销8、20分别与连杆9和活塞19形成铰接，在两横向伺服加载缸11、12作用下形成4点弯曲模型，在两横向伺服加载缸11、12之间的部分试样主体7为纯弯曲段。如果只选择两横向伺服加载缸11、12中的一个缸作用在试样主体7上，则可产生三点弯曲作用。
上述实施例中，根据实际土体的弹塑性、吸附性等物理性能指标配制模拟土体10，模拟土体10的作用可以采用横向伺服加载缸14的运动控制实现，也可采用土体作用伺服加载缸13的运动或载荷控制实现，土体作用伺服加载缸13的工作个数可根据实验需要选用。
本发明装置的实验操作方法为：
1)立管试样总成6安装前，打开试样主体7的内压接口17上的内压放气塞，向试样主体7内充入液体，待气体排尽后，将内压放气塞关紧。
2)将立管试样总成6安装在主缸筒1内，打开主缸筒1上的放气阀16，向主缸筒1内充入液体，待气体排尽后，将放气阀16关紧。
3)首先开启与轴向力接口3、外压接口15、内压接口17连接的液压控制系统，并按比例将压力施加到预定数值，稳定控制。
4)开启液压伺服控制系统，按照载荷谱对图4所示横向伺服加载缸11、12进行力控制，从而对立管试样总成6施加横向弯曲疲劳载荷；按照立管运动规律对横向伺服加载缸14进行位移控制，实现立管与土体的动态作用，其作用规律可以通过土体作用伺服加载缸13反馈采集记录。
5)步骤4)中的过程也可如此实现：开启液压伺服控制系统，按照载荷谱对对图4所示横向伺服加载缸11、12进行力控制，对立管试样总成6施加横向弯曲载荷，并将横向伺服加载缸14关闭，锁定位移，管土作用通过土体作用伺服加载缸组13(可选)直接按照一定规律施加。
6)立管试样总成6的应变、变形可通过应变传感器、位移传感器及相应仪器测试采集，并分析判断立管试样总成6的疲劳损伤。
7)立管试样总成6疲劳裂纹的产生可以通过立管试样总成6内、外压差的变化测试判断，当立管试样总成6出现裂纹后，内外串通，压差无法控制，即可判断裂纹产生。
8)实验完毕，卸掉压力、载荷，并将主缸筒1内的液体排尽后，再拆卸立管试样总成6。
上述各实施例仅用于说明本发明，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：它包括一主缸筒、两轴向加载缸、一立管试件总成、若干横向伺服加载缸、若干土体作用伺服加载缸；
所述主缸筒顶部一端设置有一外压接口，另一端设置有一放气阀；
所述两轴向加载缸分别密封连接在所述主缸筒的两端，两所述轴向加载缸上分别设置有一轴向力接口；
所述立管试样总成两端分别铰接在相应一侧的所述轴向加载缸的活塞上，所述立管试样总成包括一试样主体，以及与所述试样主体的一端通过圆柱销转动连接的连杆；所述试样主体下部与所述主缸筒之间设置有模拟土体；所述试样主体的两端分别设置有一连通内部的内压接口；所述试样主体上设置有若干位移传感器和应变传感器，各所述传感器的测试引线穿出所述主缸筒连接测试仪器；
所述横向伺服加载缸设置在所述主缸筒上，其中两个所述横向伺服加载缸的活塞顶在所述试样主体顶部，另一个所述横向伺服加载缸的活塞顶在所述试样主体与所述连杆的圆柱销连接处底部；
所述土体作用伺服加载缸设置在所述主缸筒上，且其上的各活塞顶在所述模拟土体的底部。
2.如权利要求1所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：所述轴向力接口、外压接口、内压接口均通过液压通路与液压控制系统连通，各所述液压通路上设置有压力传感器。
3.如权利要求1所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：各所述横向伺服加载缸和土体作用伺服加载缸均通过液压通路与液压伺服控制系统连通，各所述液压通路上设置有压力传感器。
4.如权利要求2所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：各所述横向伺服加载缸和土体作用伺服加载缸均通过液压通路与液压伺服控制系统连通，各所述液压通路上设置有压力传感器。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：所述主缸筒与两端所述轴向加载缸的对接处分别设置有外螺纹，且分别通过一个开合螺母式卡箍连接成一体。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：所述立管试样总成与所述轴向加载缸之间的所述连接装置包括分别设置在所述立管试样总成两端的接头，两所述接头分别通过一圆柱销与相应端的所述轴向加载缸上的活塞转动连接。
7.如权利要求5所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：所述立管试样总成与所述轴向加载缸之间的所述连接装置包括分别设置在所述立管试样总成两端的接头，两所述接头分别通过一圆柱销与相应端的所述轴向加载缸上的活塞转动连接。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：所述立管试样总成的下部、所述模拟土体两端均设置有定位垫块。
9.如权利要求5或6所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：所述立管试样总成的下部、所述模拟土体两端均设置有定位垫块。
10.如权利要求1～9所述的一种深水立管疲劳实验装置，其特征在于：所述两轴向加载缸内均设置有轴向定位环。
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