CN102141494B - 全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机的主机单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机的主机单元，属于管道新材料研制及结构设计、力学性能测试技术领域。两根导轨梁与工作台固定连接，两个移动支座分别与导轨梁滑动连接，两个伺服加载单元分别与导轨梁滑动连接，内压加载单元与工作台固定连接。本发明的优点在于：全面可靠的分析海役管道的性能，实现任意组合的加载方式，以全尺寸、全方位的模拟海役管道的受力情况，更全面，更准确的测试管道的力学性能、焊接性能、疲劳寿命等，对于有效预防海役管道破裂有重大意义。

Description

全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机的主机单元

技术领域

本发明属于管道新材料研制及结构设计、力学性能测试技术领域,尤其适用于全尺寸海役管段或焊接管道，测试力学性能、焊接性能、疲劳寿命。

背景技术

当前，在国内科学与技术长期规划的战略研究中，石油天然气部分的研究受到国家的高度重视，提出了“调整东部，发展西部，加快海上”的总方针，现在海上石油天然气的开发已经基本形成了高速高效的发展势态并成为新的经济增长点，海底管道作为油气输送的关键连通部件，其建造量逐年递增。在海底油气管道不断延伸的同时，海底油气管道破裂引起的事故和污染在国内外都呈上升趋势，防止和应对管道溢油的任务也越来越艰巨，由于海役管道特殊的服役环境，且随着向深水海域的迈进，海役管道的环境趋向于更为恶劣，对其力学性能、焊接性能、疲劳寿命等参数的测试显得尤为重要。

目前，对管道性能测试的方法主要有三种：1、在管道上截取标准试样进行各种性能试验，得出试样块的性能参数，推算管道的性能参数；2、通过专业的模拟软件或计算方法进行模拟测算，如：ANSYS、CAESAR、AUTOPSA等；3、在海役管道使用过程中进行检测，前两种测试方式只是在理论上为设计提供了一种参考，具体实际参数很难通过此类的理论研究获得；第三种方法可以得出较为准确的性能参数，但要按此类方法检测海役管道在技术上是很难实现的。

发明内容

本发明提供一种全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机的主机单元，以解决目前对海役管道性能测试中存在的测量不准确的问题。

本发明采取的技术方案是：两根导轨梁与工作台固定连接，两个移动支座分别与导轨梁滑动连接，两个伺服加载单元分别与导轨梁滑动连接，内压加载单元与工作台固定连接；

本发明的移动支座结构是：支座通过顶丝与导轨梁固定连接，行走机构与工作台滑动连接，夹圈一与支座通过自润滑轴承一铰接在一起，自润滑轴承一与移动滑块卡接，自润滑轴承块一、自润滑轴承块二与移动滑块滑动连接，轴承盖一与自润滑轴承一接触连接、并与支座、间隙调整机构固定连接，压板与支座固定连接，间隙调整机构与压板固定连接；

本发明的伺服加载单元结构是：滑动支座通过顶丝与导轨梁固定连接，滑动支座与工作台滑动连接，伺服作动器通过自润滑轴承三与滑动支座形成铰接，轴承盖二与自润滑轴承三接触连接，负荷传感器与夹具连杆串接在伺服作动器的活塞杆上，夹圈二通过自润滑轴承二与夹具连杆铰接，轴承盖二与自润滑轴承二接触连接，防转机构与滑动支座固定连接，其可伸缩轴插入伺服作动器一的限位轴孔内，位移传感器置入伺服作动器内部；

本发明的内压加载单元的结构是：伺服作动器二与固定架固定连接，伺服作动器内的伺服作动器活塞与水压缸内的水压缸活塞固定连接，水路控制阀块与高压水出口管固定连接，位移传感器置入伺服作动器活塞内部，排气阀与水压缸顶端固定连接，液压传感器与在水路控制阀块固定连接，伺服阀与固定架固定连接。

本发明一种实施方式是扣板与导轨梁固定连接。

本发明一种实施方式是扣板夹块分别与移动支座或伺服作动机构中的夹圈内部套接。

本发明的优点在于具有创造性，采用了多通道伺服控制系统，单独或同时实现对全尺寸海役管道进行内压波动疲劳试验和外部径向交变载荷疲劳试验，以模拟海役管道在使用过程中存在的交变应力，这种交变应力一方面来自管内输送油、气或水的压力的波动，另一方面来自于管道外部的变动载荷，如波浪载荷、海流载荷等，可全面可靠的分析海役管道的性能，包含三套电液伺服控制回路，其中一套为内压加载系统，两套为外部径向载荷控制系统，且每套系统均可切换为负荷控制或变形控制，可实现任意组合的加载方式，以全尺寸、全方位的模拟海役管道的受力情况，更全面，更准确的测试管道的力学性能、焊接性能、疲劳寿命等，得出的试验数据与实际参数更接近，为工程应用提供科学的指导具有重要意义，解决了海役管道性能参数的无法确定的难题。对于有效预防海役管道破裂有重大意义。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图，

图2是本实用新型移动支座的结构示意图，

图3是图2的I部放大图，

图4是本实用新型伺服作动机构的结构示意图，

图5是本实用新型内压加载单元的结构示意图，

图6是本实用新型系统控制原理框图。

具体实施方式：

两根导轨梁2与工作台3固定连接，两个移动支座1分别与导轨梁2滑动连接，两个伺服加载单元4分别与导轨梁2滑动连接，内压加载单元7与工作台3固定连接。

本发明一种实施方式是扣板5与导轨梁2固定连接。

本发明一种实施方式是夹块6分别与移动支座1或伺服作动机构4中的夹圈内部套接。

本发明的移动支座结构是：支座109通过顶丝与导轨梁2固定连接，行走机构110与工作台3滑动连接，夹圈一101与支座109通过自润滑轴承一106铰接在一起，自润滑轴承一106与移动滑块107卡接，自润滑轴承块一104、自润滑轴承块108二与移动滑块107滑动连接，轴承盖一105与自润滑轴承一106接触连接、并与支座、间隙调整机构固定连接，压板102与支座109固定连接，间隙调整机构103与压板102固定连接。

本发明的伺服加载单元结构是：滑动支座409通过顶丝与导轨梁2固定连接，滑动支座409与工作台3滑动连接，伺服作动器410通过自润滑轴承三407与滑动支座409形成铰接，轴承盖二408与自润滑轴承三407接触连接，负荷传感器405与夹具连杆404串接在伺服作动器410的活塞杆上，夹圈二401通过自润滑轴承二402与夹具连杆404铰接，轴承盖二403与自润滑轴承二402接触连接，防转机构406与滑动支座409固定连接，其可伸缩轴插入伺服作动器一410的限位轴孔内，位移传感器411置入伺服作动器410内部。

内压加载单元的结构是：伺服作动器二708与固定架710固定连接，伺服作动器708内的伺服作动器活塞707与水压缸702内的水压缸活塞703固定连接，水路控制阀块706与高压水出口管705固定连接，位移传感器711置入伺服作动器活塞707内部，排气阀701与水压缸702顶端固定连接，液压传感器704与在水路控制阀块706固定连接，伺服阀709与固定架710固定连接。

全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机是由主机单元 、液压源、冷却系统、软件控制单元等组成，主机单元为本发明的核心部分，可实现对海役管道进行内压波动疲劳试验和外部径向交变载荷疲劳试验，可检测管段或焊接管道的力学性能、焊接性能、疲劳寿命等参数；液压源是为试验机提供液压动力的装置，根据整机要求向主机油路系统输出一定流量的压力油；冷却系统包含水箱、冷却塔，主要用于对液压油进行冷却，并可用于冲洗管道，给管道充水，便于内压加载单元对试样进行内部加压；软件控制单元实现数据采集、数据分析、信息反馈、系统控制等功能。

全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机主机单元主要包括工作台、两根导轨梁、两个移动支座、两个伺服加载单元和内压加载单元等组成，其中工作台、两根导轨梁、两个移动支座、两个伺服作动机构等组成外部径向交变载荷模拟部分；内压加载单元为系统内压波动载荷模拟部分；工作台与两根导轨梁铆接在一起组成设备的承载框架，保障设备长期运行的刚度需求，移动支座作为试样8的支撑机构，安装在导轨梁上，可沿导轨梁滑动并固定，以满足调整支撑跨距的需求，伺服加载单元作为试验的加载机构，安装在导轨梁上，可沿导轨梁滑动并固定，以满足调整加载跨距的需求，夹块套在移动支座和伺服作动机构中的夹圈内，用于夹紧试样8，且可根据试样8轴径大小进行更换，以满足不同尺寸试样试验的需求；内压加载单元通过高压软管与试样8一端的法兰连接，试样8另一端封闭，在试样8内部充水后，其内部压力随着内压加载单元的水缸压力的变化而变化。

本发明的移动支座作为试样8的支撑机构，其支座通过顶丝可固定在导轨梁上，松开后通过行走机构可以在工作台上移动，以满足调整支撑跨距的需求，夹圈与支座通过自润滑轴承铰接在一起，自润滑轴承镶嵌在移动滑块上，在移动滑块的上下面分别安装两个自润滑轴承块，形成滑动连接，使夹圈可沿试样轴向移动，采用此种铰接和滑动组合的方式连接可自动补偿试样受载荷后的轴向变形及径向弯曲变形，避免了硬性连接产生的附加载荷。

本发明的伺服加载单元作为试验的加载执行机构，其滑动支座通过顶丝可固定在导轨梁上，松开后可以在工作台上移动，以满足调整加载跨距的需求。伺服作动器通过自润滑轴承与滑动支座形成铰接。负荷传感器与夹具连杆串接在伺服作动器的活塞杆上，夹圈通过自润滑轴承与夹具连杆铰接，伺服加载单元采用上下铰接，可保证试样弯曲疲劳过程中受力状态自适应调节，随着管道的变形加载点也自动跟随，避免对试样产生附加载荷。

本发明的内压加载单元以液压源为动力源，通过伺服阀控制伺服作动器，带动水压缸活塞移动，对水压缸内的水加压并使之变动，试样8一端焊接封头密封，另一端采用高压软管与水压缸连接，随着水压缸内压力的变化，试样8内部产生内压波动载荷，内压加载回路中的液压传感器测量压力信号反馈到控制系统进而形成内压疲劳控制闭环，实现对试样8进行内压波动疲劳试验。

海役管道的疲劳往往是管线中的各种交变应力引起的，这种交变应力有些来源于管内输送压力的波动，也有些来自于管线外部的交变载荷等，这些因素导致的交变应力使得管道上的裂纹或缺陷发生扩展，最终导致管道疲劳断裂，由于疲劳断裂是突然发生的，所以对于海役管道的断裂造成的危害是非常严重的，随着全球油气工业正在向海洋进军，海底油气管道不断延伸变长，破裂泄漏的风险也日益增大，本发明可全尺寸、全方位的模拟海役管道的受力情况，准确的检测管道的力学性能、焊接性能、疲劳寿命等，对于有效预防海役管道破裂有重大意义。

本发明的软件控制单元由控制器，计算机及软件和相关附件组成，该控制系统核心是采用TI公司的240系列DSP器件构成的全数字测控器，它设计成标准ISA总线卡的形式，安装在工业控制计算机的插槽内，与计算机一起构成完整的伺服控制系统，该测控卡上集位移放大器、负荷放大器、变形放大器、伺服驱动器和DSP控制器等于一体，采用双口RAM和CPLD等大规模可编程器件，使系统高度集成化，每通道可配置两至三块数字调理器和一块阀驱动器用于完成信号的测量和控制，控制方式可为负荷、位移等，可在液压站开启状态下平滑切换控制方式；函数发生器频率为0.001—200Hz；控制波形有：正弦、方波、三角波、单调波（斜波），外部输入波等；并带有多路数字电压表可实时显示测量信号；全部操作和设置通过计算机由系统软件虚拟面板实现，可快速生成试验，功能丰富灵活,可实现疲劳次数预置，断裂停机并返回设定位置，还预留连接动态应变采集系统接口，可以用来采集来自动态采集系统即在试件上指定位置的应变值并可在软件中显示其实时曲线，同时也可存储采集的数据供以后分析处理。

Claims (3)

1.一种全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机的主机单元，其特征在于：两根导轨梁与工作台固定连接，两个移动支座分别与导轨梁滑动连接，两个伺服加载单元分别与导轨梁滑动连接，内压加载单元与工作台固定连接；该移动支座结构是：支座通过顶丝与导轨梁固定连接，行走机构与导轨梁滑动连接，松开顶丝后，行走机构可在导轨梁上移动，夹圈一与支座通过自润滑轴承一铰接在一起，自润滑轴承一与移动滑块卡接，自润滑轴承块一、自润滑轴承块二与移动滑块滑动连接，轴承盖一与自润滑轴承一接触连接、并与支座、间隙调整机构固定连接，压板与支座固定连接，间隙调整机构与压板固定连接；该伺服加载单元结构是：滑动支座通过顶丝与导轨梁固定连接，松开顶丝后，滑动支架可在导轨梁上移动，伺服作动器一通过自润滑轴承三与滑动支座形成铰接，轴承盖二与自润滑轴承三接触连接，负荷传感器与夹具连杆串接在伺服作动器一的活塞杆上，夹圈二通过自润滑轴承二与夹具连杆铰接，轴承盖二与自润滑轴承二接触连接，防转机构与滑动支座固定连接，其可伸缩轴插入伺服作动器一的限位轴孔内，位移传感器置入伺服作动器一内部；该内压加载单元的结构是：伺服作动器二与固定架固定连接，伺服作动器二内的伺服作动器活塞与水压缸内的水压缸活塞固定连接，水路控制阀块与高压水出口管固定连接，位移传感器置入伺服作动器活塞内部，排气阀与水压缸顶端固定连接，液压传感器与水路控制阀块固定连接，伺服阀与固定架固定连接。

2.根据权利要求1所述的全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机的主机单元，其特征在于扣板与导轨梁固定连接。

3. 根据权利要求1所述的全尺寸海役管道海洋环境模拟疲劳寿命试验机的主机单元，其特征在于夹块分别与移动支座的夹圈一或伺服加载单元中的夹圈二内部套接。

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