CN102175513B - 一种可分离式深水海底管道屈曲试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于深海石油开发开采及运输技术领域，涉及一种可分离式海底管道屈曲试验系统，包括压力舱、管道弯曲加载装置、液压加载机构、管道附属装置，压力舱包括主舱体和连接在主舱体两端的前端盖和尾端盖，在前端盖和尾端盖的内侧均设置有密封圈；在压力舱的底部上表面设置有导轨，在导轨上放置有由托架和滑轮构成的管道弯曲加载装置；在托架上方的两个端部设置的一对带眼板的U型卡槽；两个U型卡槽上方各设置一对可拆分的带眼板与螺栓的盖板；在托架上方靠内侧设置有一对液压加载机构。本发明可以实现对真实比例试件同时加载外部静水压力、弯曲、试件内压、并能模拟实际工程中海底管道输送不同温度、不同类型介质的真实流动情况。

Description

一种可分离式深水海底管道屈曲试验系统

技术领域

本发明属于深海石油开发开采及运输技术领域，涉及一种海底管道屈曲试验装置。 

背景技术

海底管道特别是深海海底管道所处环境条件极为复杂，在工作过程中的受到多种载荷的作用，如作用于管道外壁的海水压力，特别是深海管道，其水压随着水深增大，每增加1000米水深能使管道外部压力增加到十兆帕；海浪波动或者海流涌动、海底地形崎岖不平以及铺管作业时会引起管道的弯曲，由于海底管道一般输送的是加热的石油，内外温差形成的热膨胀力对管道影响也很大，深海管道在外部静水压、弯曲及内部高温油气形成的热膨胀力、内部压力联合作用下极易发生屈曲。因此，国内外众多研究者对深水海底管道在静水压力与弯曲等多种载荷作用下的屈曲进行了研究。 

目前，深水管道的结构屈曲理论的研究尚处于探索阶段，需要对深水海底管道屈曲机理和条件进行试验研究，以验证和改进屈曲理论并未深水海底管道的设计提供参考。而目前国内外开发了多种用于研究管道在静水压力、弯曲及内部压力等多种载荷作用下的屈曲试验装置。 

在国外，如挪威科技大学的四点弯曲试验装置，该装置由一个形成1.5米的液压加载机构，一个三角形载荷传递板、固定管件两个端部的拉力支架、以及管件内侧对称布置的两个加力力臂组成。在试验时，由液压执行结构拉动载荷传递的三角板，带动与板的两个角相连的两个加力力臂，两个力臂在管件中段两侧施加拉力，而管件两端部的拉力支架则固定住两端部，提供了一个反向的作用力，这样靠与管件接触的四个点为其加载弯曲载荷。类似的装置还有荷兰代尔夫特科技大学的四点弯曲加载装置。美国人则设计了一种两边带齿轮的弯曲加载装置，两边的齿轮由中间带液压机构的链条传动。其加载机理为：液压机构运行时，拉动两边的两条，链条带动齿轮转动，而管道试件两个端部则安装在齿轮盘上，齿轮盘转动带动试件两个端部向上翘起，从而将弯矩加载在试件中间部位。该机构可放入一个直径0.5米的密封压力容器中，在其外部同时加载静水压力。但是该装置只能用于小尺度试件的试验，而且试件内部无法充入介质，进行管道实际运行状态的模拟。在国内，大连大学90年代设计了一种可同时加载弯曲和外部水压的管道试验装置。该装置试验件长3米，中间2米区域为一压力舱，两端伸出舱体的管件部分，各由一个千斤顶施加一个向上的推力，并各设置一个反力支架，通过这四个接触点给管件中段加载弯矩。管件伸出舱体接口处采用活动橡胶装置进行密封，由于采用橡胶密封，中段舱体的水压不能加到深海静水压力值，一般最大1Mpa，而且管件试验长度受到了限制，管道试件上有效研究区域很小。目前，国内还没有模拟深海高压力环境，适合于全比例管道在弯曲、内压等载荷作用下进行屈曲试验的装置。 

发明内容

本发明目的是提供一种可以模拟深海高压环境，进行弯曲、内压等多种载荷作用下管道屈曲试验的装置。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

一种可分离式海底管道屈曲试验系统，包括压力舱、管道弯曲加载装置、液压加载机构、管道附属装置，所述的压力舱包括主舱体和连接在主舱体两端的前端盖和尾端盖，在前端盖和尾端盖的内侧均设置有密封圈，在压力舱上设置有加压卸压口，测试及控制线路连接孔、排水孔、排气孔、注水孔；在压力舱的底部上表面设置有导轨，在导轨上放置有管道弯曲加载装置，所述的管道弯曲加载装置包括托架和位于其下的滑轮；在托架上方的两个端部设置的一对带眼板的U型卡槽；两个U型卡槽上方各设置一对可拆分的带眼板与螺栓的盖板；在托架上方靠内侧设置有一对液压加载机构；所述的管道附属装置包括用于密封管道两端的密封金属套，在密封金属套上固定有进液管路或回液管路。 

作为优选实施方式，在液压加载机构加载处固定有与U型卡槽相同弧度的厚垫板；所述的主舱体由多层钢板捆扎制成。 

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采取了分离式设计，在不考虑外部水压时，可以利用弯曲加载装置直接在管件上施加弯矩和模拟管件内部介质流动、施加内压进行管道屈曲试验；在考虑外部水压时，可将装好试件的弯曲加载装置放入压力舱内部，再施行相应的加载。根据试验需要进行加载，这样就使得深水海底管道屈曲试验操作更具灵活性，提高了试验效率。2、本发明装置的主舱体部分由于采用先进的捆扎工艺将高强度钢板层层捆扎，每捆扎一层都要用X射线探伤，捆扎工艺制造的主舱体总厚度可达数十厘米，保证了舱体具有极强的抗压能力和极高的安全性能。本发明装置可以模拟数千米水深的深海压力环境，为深水海底管道屈曲试验研究提供了稳定的压力环境。3、本发明装置涉及到的焊接、捆扎、锻造等各种制造工艺在国内已经发展成熟，各种零部件如液压加载机构，高强度钢板等在国内常见，便于采购和订制。因此，该套设备制造易于实现，极大地节约了成本。4、本发明试验段总长10米，弯曲加载装置总长8.5米，舱体直径1.6米，可在其内部容纳1∶1真实比例试件进行试验，试件上的有效研究区域大。5、本发明可以实现对真实比例试件同时加载外部静水压力、弯曲、试件内压、并能模拟实际工程中海底管道输送不同温度、不同类型介质的真实流动情况，试验加载条件更为真实、准确，功能齐全，扩展了试验研究范围。 

附图说明

图1是本发明主体结构示意图。 

图2是图1的A-A向侧视图，即前端盖结构图。 

图3是图1的B-B向侧视图，即尾端结构图。 

图4是本发明的弯曲加载装置结构图。 

图5是本发明的弯曲加载装置C-C向侧视图。 

图6是本发明的弯曲加载装置D-D向侧视图。 

本发明装置的主要结构件用图中数字表示，含义如下： 

1——压力舱主舱体 

2——压力舱尾端盖 

3——压力舱前端盖 

4——测试及控制线路连接孔 

5——排气孔 

6——弯曲加载装置回液管路 

7——压力舱前端盖铝制密封圈 

8——管道试件 

9——弯曲加载装置 

10——排水孔 

11——压力舱支座 

12——压力舱导轨 

13——尾端盖连接螺栓及螺母 

14——前端盖大螺栓及螺母 

15——尾端盖压力表 

16——弯曲加载装置进液管路连接口 

17——压力舱注水口 

18——弯曲加载装置回液管路连接口 

19——加压及卸压口 

20——弯曲加载装置U型卡槽 

21——U型卡槽上部盖板 

22——液压加载机构 

23——液压加载机构弧形垫板 

24——U型卡槽外伸眼板 

25——眼板连接螺栓及螺母 

26——弯曲加载装置托架 

27——弯曲加载装置滑轮 

28——密封金属套 

29——弯曲加载装置进液管路 

具体实施方式

本发明的可分离式深海管道屈曲试验装置，包括压力舱和可分离为独立系统的管道弯曲及内压加载装置两大部分。 

1、压力舱可模拟深海高压力环境，以水为内部压力介质，压力舱包括压力舱前端盖、尾端盖、压力舱主舱体以及加压卸压口、测试线路开孔等。压力舱前端盖采用大螺栓与主舱体连接密封，尾端盖则通过16个较小螺栓与舱体尾部连接。前后端盖均采用紧箍于端盖内侧的铝制密封圈进行防水密封。舱体内管件的试验数据通过舱体的开孔传输到舱体外部的数据采 集和处理系统。前后端盖采用整体锻造技术制造，主舱体则采用捆扎工艺制造。试验管件安装于弯曲加载装置后，将弯曲加载装置沿舱体内部导轨放入压力舱内部，可借助液压扳手等工具拧紧前后端盖螺栓，密封压力舱。在主舱体上部还设计了排气孔，借助外部的注水泵等设备通过舱体尾端盖上的注水孔充水，打开舱体上方的排气孔，可以将舱内空气排空，再用加压泵等辅助设备从尾端设置的加压孔将水泵入舱内进行加压，由于排气孔已将舱内空气排空，提高了加压过程的安全性。达到设定的压力值时即可停止加压。此时，舱体内部模拟某一水深的压力环境。 

2、管道弯曲加载装置可分离为一个独立的加载试验系统。包括下部的托架及滑轮；托架上方两个端部设置的一对带眼板的U型卡槽；托架上方靠内侧的一对液压加载机构；两U型卡槽上方的一对带眼板与螺栓的盖板；安装在管道试件两端的一对密封金属套及与之配套的进液管路和回液管路。试验时，将管道试件安放在该弯曲装置上，试件两端由U型卡槽支撑，再由两个U型卡槽盖板压住试件两端部，并用螺栓将U型卡槽与盖板连接锁死，卡住管件两端部，再将该装置沿压力舱底部滑轨推入舱内，进液、回液管路、液压机构控制线路、各测量器传输线路穿出舱体连接到外部的主控及测量系统后，即可进行相关试验。在外部可配备泵设备连接进液管路和回液管路，形成一个回路，从而模拟管件内部介质流动，研究介质温度、内压等因素对管件屈曲的影响。根据试验方案，进行舱体内部加压、调节液压加载机构为管件施加弯曲等载荷。 

下面结合附图对本发明进行详细的描述。 

如图1-6所示，本发明内部可模拟深海高压环境，并能对管道施加弯曲、内压等载荷，还可以模拟管道内部不同温度、不同介质的输运过程，进行多种载荷作用下，1∶1真实比例深海管件的屈曲试验。本发明包括压力舱和可分离为独立系统的管道弯曲及内压加载装置两大部分。 

压力舱可模拟深海高压力环境，以水为内部压力介质，压力舱工作段长约为10米，卧式安装，以水为内部压力介质。压力舱包括压力舱前端盖3、尾端盖2、压力舱主舱体1以及加压卸压口19、测试及控制线路连接孔4等。压力舱前端盖3采用大螺栓及配套螺母14与主舱体连接密封，尾端盖2则通过较小的螺栓及配套螺母13与舱体尾部连接。前后端盖均采用紧箍于端盖内侧的铝制密封圈7进行防水密封。舱体内管件的试验数据通过测试线路4连接开孔传输到舱体外部的数据采集和处理系统。前后端盖采用整体锻造技术制造，主舱体则采用捆扎工艺制造。管道弯曲加载装置还可分离为一个独立的加载试验系统，包括位于下部的托架26及其下的滑轮27；托架上方两个端部设置的一对带眼板24的U型卡槽20；托架上方靠内侧的一对液压加载机构22；两U型卡槽上方的一对带眼板与螺栓的盖板21以及管道附属装置。管道附属装置包括安装在管道试件两端的一对密封金属套28及与之配套的进液管路29和回液管路6。U型卡槽设计弧度较大，可以安放最大外径为24英寸的管件进行试验，为了防止加载弯曲载荷时液压机构对管件局部加载力过大损坏管件结构，在液压加载机构加载处焊有与U型卡槽相同弧度的钢制厚垫板23，以减小试验管件局部压强，防止管件局部结构的破坏。 

本发明制造及组装方法： 

本发明的主舱体1部分采用多层捆扎工艺制造，即在大型卷板机上将1厘米厚的钢板卷成圆柱壳状，再将钢板一层层焊接起来，每焊接一层都要用X射线探伤，确认没有伤痕、沙眼等再进行下一层焊接。共捆扎24层，主舱体总厚度达到24厘米，主舱体前端敞口，要由单独制作的前端盖封闭；主舱体选用Q345R材料。 

3前端舱盖采用锻造工艺制作，如图2所示，前端盖上开了16个大螺栓开孔。前端盖要经常开启与闭合，选用20MnMo材料。 

2舱体尾端盖同样采用锻造工艺，上开16个小螺栓孔。 

由于舱体内部充满水再加压，因此要保证前后端盖在高压下的水密性，因此在前后端盖上各紧固了一层7铝制密封圈。 

在舱体内底部延舱体轴向焊接舱内导轨12，该导轨包括两根平行轨道、在轨道轴向每间隔700mm焊接一个矩形枕板。轨道由直径68mm，厚度10mm的钢管制成，枕板厚度16mm。导轨有足够的长度运送试验管件，同时导轨本身也有足够的强度来抵抗高水压和支撑管件。 

为了实现舱外对舱内加载装置的控制以及舱内管件测试数据采集和传输，在舱体及端盖上分别开有测试及控制线路连接孔、管件内部介质的进液、回液管路开口、排气口、排水口、加压卸压口、注水口等，在这些接口外焊接金属厚壁管，并焊接小法兰盘与外部配套设备连接密封。 

弯曲加载装置则由两层厚钢板制成托架26，托架钢板下方配以横纵焊接的角钢为加强筋。在下层钢板开槽，焊接两排滑轮27。底部托架两端焊有U型卡槽20，如图5所示，U型开槽中间开有一个弧形槽，该槽弧度要大于24英寸管件弧度，并具有一定宽度，两端外伸出两条眼板24，每条眼板上开有一个螺栓孔，U型卡槽用于支撑管件端部。U型卡槽上方配有一个活动的可拆分式的卡槽盖板，盖板同样外伸出两条眼板，大螺栓穿过眼板的螺孔，并配备螺母，上部盖板与两根大螺栓组装在一起，管件在U行卡槽安装好之后，上部盖板的大螺栓对准U型卡槽螺孔，盖板向下平移，直到将管件端部卡紧，这一设计使得弯曲加载装置可以适用于不同管径的试验件。在两个U型卡槽内侧焊接有一对液压加载机构，液压结构活塞杆上方焊接弧形垫板，垫板钢制，弧度与U型卡槽弧度相同，较宽，可以有效缓解加载点管件的局部压强。管道试件两端可焊接带进液管路和回液管路的密封金属套，通过进液管路与回液管路形成的回路及外部配备的泵设备，可使不同温度、不同类型的流体介质在管件内部的流动，模拟深海管道输运油气等介质的流程。 

本发明使用方法如下： 

本发明主要用于模拟深海高压环境，并可对内部试件施加弯曲载荷、还可以模拟试件内部不同温度、不同类型介质的流动。可分成如下几步： 

1、将已经处理好并安好各种测试传感器的试验管件8用天车等辅助工具吊起，管件两端此时已经焊接好连有管路的密封金属套，将管件两端安放在弯曲加载装置两端的U型卡槽上；再将盖板上的螺栓对准U型卡槽的螺孔，使盖板缓缓下移，直到卡紧管件端部，然后拧紧U型卡槽螺孔下部的螺栓。如不加载外部静水压力，则直接将液压机构控制线路连接在外部配备的主控系统上，管件两端进液及回液管路连接在外部的泵设备上，通过主控系统控制液压机构行程，管件两端受到卡槽及盖板约束，内侧两个点被液压机构顶起，中段逐渐隆起，此 时为管件加载上了一定的弯曲率。通过控制液压机构的加载力来控制管件曲率。此时还可以启动泵设备，按一定速率向管件内部输送一定温度的流体介质，模拟输油等管道内部液体流动。 

2、若考虑外部静水压力的作用，则将安装好管件的弯曲加载装置沿导轨送入压力舱内部。管件上的测试数据采集传输线由测试线路4导出口导出与数据采集系统连接，管件两端的进液、回液管路则分别通过16，18两个导出口导出与外部的泵设备形成一个闭合回路。液压机构控制线路则也通过导出口4导出，与舱体外部的液压控制系统连接。 

4、各条线路、管路由舱体导出并连接完毕后，闭合压力舱前后端盖，并用配套的螺栓螺母以对角型紧固、密封。 

5、舱体密封好之后通过尾端盖上的注水口17向舱内注水，打开舱体上部排气孔5，压力舱注满水后，残余气体从舱体内完全排除，此时依次关闭注水口和排气孔，通过尾端盖的加压卸压口19向舱内加压。加到设定压力值后，通过外部液压控制系统操纵内部液压机构向管件施加弯曲载荷，还可通过泵向管件内部注如流动介质，模拟海底管道输送油气时的内部动态。 

6、再通过舱体外部配备的试验采集系统采集数据，完成试验。 

7、试验结束后，打开加压卸压口19将舱内水压降为0，再打开舱体下部的排水阀10排水，依次打开舱体尾端盖和前端盖，拆卸试验管件，完成一次试验。 

Claims (2)

1.一种可分离式海底管道屈曲试验系统，包括压力舱、管道弯曲加载装置、液压加载机构、管道附属装置，所述的压力舱包括主舱体和连接在主舱体两端的前端盖和尾端盖，在前端盖和尾端盖的内侧均设置有密封圈，在压力舱上设置有加压卸压口，测试及控制线路连接孔、排水孔、排气孔、注水孔；在压力舱的底部上表面设置有导轨，在导轨上放置有管道弯曲加载装置，所述的管道弯曲加载装置包括托架和位于其下的滑轮；在托架上方的两个端部设置的一对带眼板的U型卡槽；两个U型卡槽上方各设置一个可拆分的带眼板与螺栓的盖板；在托架上方靠内侧设置有一对液压加载机构；所述的管道附属装置包括用于密封管道两端的密封金属套，在密封金属套上固定有进液管路或回液管路。

2.根据权利要求1所述的可分离式海底管道屈曲试验系统，其特征在于，在液压加载机构加载处固定有与U型卡槽相同弧度的厚垫板。

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