CN102401749B - 一种地下压力管线试验装置 - Google Patents

Abstract

一种地下压力管线试验装置，包括平台，平台上设置有框架，框架包括相对设置的左立板和右立板，连接两块立板顶端的水平板；水平板下侧中心位置设置有气缸，气缸通过设置有调压阀的输气管与高压气源相连接，气缸中的活塞杆穿过气缸下端并与反力加载板连接；左立板、右立板上各设置有一个管道固定装置，两个管道固定装置相对应，其中一个管道固定装置上设置有进气孔，进气孔通过设置有调压阀的输气管与高压气源相连接；在水平板下方的平台上设置有一排左右排列的千斤顶，千斤顶至少为四个，沿气缸的垂直轴线左右对称排列。本发明装置可实现对地层变位不同模式的模拟，并基于地下压力管线测试系统对地下管线安全特性参数进行测量。

Description

一种地下压力管线试验装置

技术领域

本发明属于地下工程、管道工程及市政工程技术领域，涉及一种地下压力管线力学特性试验装置，该装置用于地下压力管线在地层竖向变位作用下的安全性检验。

背景技术

地下管线常被誉为生命线，突显了其在国民经济和人民群众生活中的重要作用。在我国城市化进程不断加速的背景下，地下管线已成为地铁等大型地下工程建设中工程事故的主角，严重影响人民群众的生产和生活，据不完全统计，我国每年因城市地下管线事故造成的经济损失高达450亿元；此外，大型油气管线（比如西气东输、中俄输油管线等工程）在穿越地面沉降区发育区域时，随着地面沉降的不断累积，油气管线安全性受到严重威胁，如何评价地面沉降发育区大型油气管线的长期服役性能已成为大型油气管线建设中的一个重要课题。综上所述，开展地层竖向变位作用下地下压力管线安全特性研究势在必行。但是，目前国内外学者对于地层竖向变位作用下地下压力管线的研究仅限于基于弹性理论和沉降发育模型相结合的理论计算，且理论模型假设条件与工程实际严重不符（例如，忽略管道刚度，认为管道与周围土体协调变形），缺乏行之有效的试验手段来验证和改进已有理论成果，或者为地下压力管线在地层竖向变位作用下的研究提供新的思路。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可以真实直观地反映地层竖向变位作用下的地下压力管线安全特性的地下压力管线试验装置。

技术方案：本发明的地下压力管线试验装置，装置的平台上设置有框架，所述框架包括相对设置的左立板和右立板，连接所述两块立板顶端的水平板；

所述水平板下侧中心位置设置有气缸，所述气缸通过设置有调压阀的输气管与高压气源相连接，气缸中的活塞杆穿过气缸下端，所述活塞杆的下端连接有反力加载板；

左立板、右立板上各设置有一个管道固定装置，两个管道固定装置相对应，其中一个管道固定装置上设置有进气孔，所述进气孔通过另一根也设置有调压阀的输气管与高压气源相连接；

在水平板下方的平台上设置有一排左右排列的千斤顶，所述千斤顶至少为四个，沿气缸的垂直轴线左右对称排列。

本发明中，管道固定装置为一端封闭的管套，所述管套周向上均匀设置有2～5个带有刻度标示的管道固定螺栓。

本发明中，反力加载板的上侧与活塞杆的下端连接，下侧为与试验管道外壁匹配的凹面。

本发明的实验装置可以按功能和结构分为三个部分：地层变位模拟系统、管线压力加载系统和测试系统。

（1）地层变位模拟系统。地层变位模拟系统主要由多个（最少4个）不同位置的千斤顶组成，通过设置千斤顶行进的速度和行程来模拟不同的地层竖向变位模式。试验前必须对每个千斤顶的变形量根据预设的地层变位模式进行精确的计算，以保证对地层变位状态模拟的准确性。

（2）管线压力加载系统。地下管线的填埋深度不同，其所受的地应力便不同，即使在相同地层变位模式下管线力学特性变化规律也必然不同，因此模拟地下管线的不同填埋深度十分重要。本发明利用反力加载框架结合气压加载装置实现对管线不同填埋深度的模拟；管道固定端焊接在反力加载框架上，通过管道固定端上的螺丝固定测试管道，测试管道直径的可调节范围为100mm～1100mm，这个范围基本涵盖了市政工程中地下管线和大型油气管线的直径。供气装置采用高压气源，通过调压阀控制供气压力向加载装置供气，加载装置作用压力到待测管线上，模拟管线填埋深度。供气装置还向待测管线内提供压力，将试验管道两侧封闭，通过输气管将气压施加到管道中以模拟管线内压力。考虑到试验安全问题，本试验装置的最大供气压力为2MPa。。

（3）测试系统包括安装在待测管线上的多种测量仪器，测试项目包括：管道的应变（横向与纵向）、管道的位移以及管道直径的变化，相应的测试仪器分别为横向与纵向应变计、百分表以及轴向引伸计。将各个测试仪器与计算机相连，以实现数据自动不间断采集。

有益效果：本发明突破了目前地层变位模式下地下管线安全特性研究中以理论模型研究为主，但理论模型假设条件与工程严重不符的困局，开发了一种可以模拟不同地层变位模式、不同管线埋藏深度、不同管线直径、不同管材等各种工况的地下压力管线试验装置，从模型试验的角度分析地下管线的在地层变位模式下的应力及变形发展规律，填补了地下压力管线在地层变位作用下安全特性试验装置方面的空白。

本发明通过不同分布位置千斤顶，调整千斤顶的变形量来实现不同的地层竖向变位模式，同时观测地下压力管线的变形与内力的变化，达到判别地下管线安全特性的目的。本发明中的试验管道固定装置不仅可以有效的固定管道模拟管道在与泵站连接时的应力状态，而且可以通过调节螺丝调整尺寸适应不同的试验管道直径，保证本试验设备拥有较强的兼容性。本发明试验装置可真实直观地反映地层变位对地下压力管线性能的影响，为研究地下压力管线的安全特性、提出切实可行的地下管线加固措施创造了有利条件，为理论研究及工程应用提供了坚实的基础与支撑。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图；

图2为本发明试验装置的侧面结构示意图；

图3为管道固定装置的结构示意图。

图中有：左立板1、右立板2、平台3、水平板4、气缸5、活塞杆6、反力加载板7、管道固定装置8、千斤顶9、高压气源10、输气管11、调压阀12、进气孔13、管道固定螺栓14、试验管道15、纵向应变计16、横向应变计17、百分表18、轴向引伸计19、千斤顶固定槽20。

具体实施方式

本发明的地下压力管线试验装置，装置的平台3上设置有框架，框架包括相对设置的左立板1和右立板2，连接所述两块立板顶端的水平板4；水平板4下侧中心位置设置有气缸5，所述气缸5通过设置有调压阀12的输气管11与高压气源10相连接，气缸5中的活塞杆6穿过气缸5下端，所述活塞杆6的下端连接有反力加载板7；反力加载板7的上侧与活塞杆6的下端连接，下侧为与试验管道15外壁匹配的凹面。

左立板1、右立板2上各设置有一个管道固定装置8，管道固定装置8为一端封闭的管套，管套周向上均匀设置有2～5个带有刻度标示的管道固定螺栓14，两个管道固定装置8相对应，其中一个管道固定装置8上设置有进气孔13，所述进气孔13通过另一根也设置有调压阀12的输气管11与高压气源10相连接；在水平板4下方的平台3上设置有一排左右排列的千斤顶9，千斤顶9至少为四个，沿气缸5的垂直轴线左右对称排列，千斤顶9安装在平台3上设置的千斤顶固定槽20里。

本发明的具体工作方式和过程如下：

1.试验管道安装及测试设备布置

首先在试验管道15外侧等间距布置纵向应变计16和横向应变计17：纵向应变计16布置的间隔为0.1～0.5D（D为管道直径，间隔根据管道直径的尺寸确定）；横向应变计17的布置间隔是直径小于500mm时每60°一个，大于500mm时每45°一个。而后将试验管道15固定在管道固定装置8上，拧紧管道固定螺丝14固定试验管道15。在试验管道15中点布置轴向引伸计19，并在管道的不同位置放置百分表18若干只。最后将所有测试设备的数据线与计算机相连。

2.安装千斤顶

将千斤顶9放入千斤顶固定槽20中，并提升千斤顶9与试验管道15接触。

3.开动高压气源10，分别向气缸5及试验管道15供气

启动高压气源10，按照与埋藏深度等效荷载调节调压阀12，向气缸5供气；推动活塞6向试验管道15施压，与此同时打开试验管道的进气孔13根据试验预案中的预定内压力向试验管道15输送气压；

4.启动千斤顶9下降，并同时开启观测设备，记录试验数据

根据试验方案中的地层变位模式设置不同位置处千斤顶9的下降量，同时控制其下降速度避免造成试验管道局部应力集中；打开数据采集系统记录各个观测设备的读数。

Claims (3)

1.一种地下压力管线试验装置，其特征在于，该装置的平台（3）上设置有框架，所述框架包括相对设置的左立板（1）和右立板（2），连接所述两块立板顶端的水平板（4）；

所述水平板（4）下侧中心位置设置有气缸（5），所述气缸（5）通过设置有调压阀（12）的输气管（11）与高压气源（10）相连接，气缸（5）中的活塞杆（6）穿过气缸（5）下端，所述活塞杆（6）的下端连接有反力加载板（7）；

左立板（1）、右立板（2）上各设置有一个管道固定装置（8），两个管道固定装置（8）相对应，其中一个管道固定装置（8）上设置有进气孔（13），所述进气孔（13）通过另一根也设置有调压阀（12）的输气管（11）与高压气源（10）相连接；

在水平板（4）下方的平台（3）上设置有一排左右排列的千斤顶（9），所述千斤顶（9）至少为四个，沿气缸（5）的垂直轴线左右对称排列。

2.根据权利要求1所述的地下压力管线试验装置，其特征在于，所述的管道固定装置（8）为一端封闭的管套，所述管套周向上均匀设置有2～5个带有刻度标示的管道固定螺栓（14）。

3.根据权利要求1所述的地下压力管线试验装置，其特征在于，所述的反力加载板（7）的上侧与活塞杆（6）的下端连接，下侧为与试验管道（15）外壁匹配的凹面。

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