CN103207118B - 钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置及测量方法，该测量装置包括油缸、液压系统、压力传感器、水压系统、移动侧力臂、试验管、应变计、试验管中部2D长度位置转角测量装置、过渡环、连接法兰、固定侧力臂、试验管管端转角测量装置、调整节、承力梁、控制系统、计算机数据采集与处理系统、应力应变测量系统、拉线式位移传感器III。采用此装置提高测量稳定性及测量精度。测量方法实现钢管弯曲变形试验的自动控制、实时监测、自动测量，能全程监控、记录试验管同时承受内部压力载荷和弯曲载荷而发生弯曲变形时载荷、位移、转角、应力应变分布的变化情况。并能实时采集、记录、显示试验数据，对试验数据进行分析与处理。

Description

钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及石油管道工程领域，特别涉及钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置及其测量方法。

背景技术

钢管弯曲变形试验是模拟油气输送管承受实际服役载荷状态下，测量试验管在发生弯曲变形时，试验管的载荷和位移关系、载荷和转角关系、试验管应力应变分布情况等，确定试验管屈曲失稳时的应变极限。评估弯曲负荷下钢管的抗屈曲变形能力。

目前，实现钢管弯曲变形试验的机构有英国焊接研究所TWI，加拿大C-FER公司等研究机构。其中TWI的整管弯曲试验系统采用了四点弯曲的设备构造，通过两个支撑点对钢管施加弯矩；而加拿大C-FER则是在一台大型立式拉伸机的基础上，加装力臂对钢管施加弯矩。前者具有载荷大，试验能力强的优点，但是四点弯曲的试验形式容易引起钢管的局部变形。后者的虽然不存在局部变形的问题，但是由于试验设备受到大型拉伸机的空间限制，试验管过短，难以施加足够的弯矩，并且往往要附带有很强的轴向压缩载荷。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的设备及方法均不能获得理想的弯曲变形试验条件。而且在钢管发生弯曲变形时，也无法及时得到试验管的变形情况及试验管的应力应变分布情况，从而很难确定试验管屈曲失稳时的应变极限。评估弯曲负荷下钢管的抗屈曲变形能力。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种提高测量稳定性及测量精度的钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置。

本发明的另一个目的是提供使用上述实时测量装置的测量方法。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置，其特征在于，包括油缸(1)、液压系统(2)、压力传感器(3)、水压系统(4)、移动侧力臂(5)、试验管(6)、应变计(7)、试验管中部2D长度位置转角测量装置(8)、过渡环(10)、连接法兰(11)、固定侧力臂(12)、试验管管端转角测量装置(13)、调整节(15)、承力梁(16)、控制系统(17)、计算机数据采集与处理系统(18)、应力应变测量系统(19)、拉线式位移传感器(III)(20)；

试验管中部2D长度位置转角测量装置(8)包括拉线式位移传感器(I)(9)；

试验管管端转角测量装置(13)包括拉线式位移传感器(II)(14)；

油缸(1)通过油缸上支架和下支架固定到基础支撑上；通过油顶头及压板将油缸连接到移动侧力臂(5)上；通过安装在移动侧力臂(5)上的4个键对油缸的伸出端进行Y方向定位；液压系统(2)用于控制油缸(1)对移动侧力臂(5)施加机械加载，使试验管(6)承受弯曲载荷；压力传感器(3)安装在液压系统(2)；

水压系统(4)用于注入对试验管(6)管段内部加载内压，并在试验管弯曲变形试验过程中保持恒定压力不变；

调整节(15)设置在承力梁(16)上；应变计(7)、试验管中部2D长度位置转角测量装置(8)、拉线式位移传感器I(9)设置在试验管(6)上；应变计(7)采集钢管变形数据输送给应力应变测量系统(19)；过渡环(10)及连接法兰(11)设置在试验管(6)两端，与移动侧力臂(5)和固定侧力臂(12)连接；试验管端转角测量装置(13)、拉线式位移传感器II(14)设置在固定侧力臂(12)和承力梁(16)连接处；拉线式位移传感器III(20)设置在油缸(1)与移动侧力臂(5)连接处；

固定侧力臂(12)上轴座和下轴座通过轴连结在一起；再通过上下轴座与四个H型钢的承力梁(16)连接结在一起；在移动侧力臂(5)框架移动时，固定侧力臂(12)框架围绕着芯轴旋转；固定侧力臂(12)上连接有力臂支撑21；

移动侧力臂(5)和力臂上盖通过4个销轴进行定位，芯轴通过前支撑及力臂上盖连接到移动侧力臂(5)上；移动侧力臂(5)的上轴承座和下轴承座通过轴连接；在下轴承座上安装有滚轮装置；在油缸推动移动侧力臂移动的过程中，滚轮装置在下两个H型钢面上滚动，上轴承座沿着上两个H型钢的滑动面上滑动，同时下轴承座沿着下两个H型钢的滑动面上滑动；移动侧力臂(5)上连接有力臂支撑21；

压力传感器(3)、拉线式位移传感器I(9)、拉线式位移传感器II(14)及拉线式位移传感器III(20)及应力应变测量系统(19)通过控制系统(17)输出到计算机数据采集与分析系统(18)，计算机数据采集与分析系统(18)按要求进行记录、处理、分析。

所述试验管中部2D长度位置转角测量装置包括：支撑件、第一至第三传感器安装板、第一至第二位移传感器、控制系统及计算机数据采集与分析系统，

所述支撑件的一端沿其径向插接着第一传感器安装板，所述第一传感器安装板与所述支撑件形成第一测量臂；

所述支撑件的另一端沿其径向插接着所述第二传感器安装板及所述第三传感器安装板，所述第二传感器安装板、所述第三传感器安装板及所述支撑件形成第二测量臂；

其中，所述第一测量臂与第二测量臂之间的距离为所述试验管中部2D长度；

所述第二传感器安装板及所述第三传感器安装板之间形成间隙，所述间隙内安装着所述第一位移传感器和所述第二位移传感器，且所述第一位移传感器和所述第二位移传感器对称布置在所述支撑件的两侧；

所述第一位移传感器和所述第二位移传感器分别与所述控制系统相连，并通过所述控制系统控制动作，所述控制系统于所述计算机数据采集与分析系统相连，通过所述第一位移传感器和所述第二位移传感器测量所述支撑件的位移量并发出电信号，所述电信号经所述控制系统传送给所述计算机数据采集与分析系统，由于所述计算机数据采集与分析系统进行记录、处理、分析及输出打印，得到所述试验管中部2D长度横截面的转角值。

所述试验管管端转角测量装置包括拉线式位移传感器，所述拉线式位移传感器安装在传感器安装板上，所述传感器安装板安装在轴座上，所述拉线式位移传感器的线绳固定在固定侧力臂转轴筒上，所述轴座上设有轴承，所述轴承上设有转动轴，所述转动轴上套设固定侧力臂转轴筒，所述固定侧力臂转轴筒连接固定侧力臂，所述拉线式位移传感器电连接控制系统，所述控制系统连接计算机数据采集与分析系统。

所述力臂支撑包括支撑件、推力轴承、上球轴承、下球轴承滚、轮架及滚轮，所述支撑件连接中心固定轴，所述中心固定轴上依次设有推力轴承、上球轴承及下球轴承，所述上球轴承和下球轴承之间设有滚珠，所述下球轴承安装在轴承座上，所述下球轴承下部设有滚轮架，所述滚轮架下部设有滚轮，所述滚轮架和滚轮上穿设有轴。

所述固定侧力臂上设有4个力臂支撑，所述4个力臂支撑分别为两个前力臂支撑和两个中间力臂支撑，所述两个前力臂支撑用于设置在固定侧力臂和移动侧力臂的一端，所述两个中间力臂支撑用于设置在重载力臂的中部。

所述移动侧力臂上与所述固定侧力臂上对称设有4个力臂支撑。

本发明实施例还提供另一种技术方案：一种钢管弯曲变形试验中试验管大变形及应力实时测量方法，包括以下步骤：

(1)按试验要求制备试验管：

将制备好的试验管和连接法兰进行焊接连接，对焊接好的试验管进行无损探伤检查，合格后，进行静水压试验，检验合格后，进行下一操作；

(2)将试验管安装到试验加载系统：

将制备好的试验管连接到加载力臂上，调整安装精度，定位后把紧高强度螺栓组；

(3)在试验管上安装试验管中部2D长度位置转角测量装置及试验管管端转角测量装置；连接并调整好应力应变测量系统及两个转角测量装置，进入试验阶段；

(4)打开试验管注水系统对试验管进行注水、加压到试验要求并进行保压，利用工业计算机控制加载油缸，按程序进行弯曲加载，模拟油气输送管在服役过程中承载情况：

通过固定侧力臂、移动侧力臂、承力梁及油缸对试验管施加弯曲载荷，加载速率及载荷大小由计算机控制系统进行自动控制；通过精确控制大小及速率的台阶式加载方式，实现施加载荷-恒定载荷-测量记录的反复循环过程；通过计算机数据采集及处理系统完成整个变形过程的数据采集和记录，并实时显示；

(5)试验完成后在数据采集与处理计算机上进行试验结果的显示、分析和打印：

根据试验要求获得载荷-位移曲线、载荷-转角曲线、应力-应变曲线，试验数据经分析与处理后得到试验管的变形规律、应力应变分布情况及试验管的机械性能参数。

所述步骤(3)确认准备工作完成后发讯息到计算机控制系统进入试验状态；

所述步骤(4)中，试验前按要求设置加载控制节距，液压系统控制油缸进入加载程序，每当到达一个节点时，油缸停止前进，液压系统进入保压状态，测量系统开始进行实时测量工作，测量系统的传感器输出信号经控制系统后输入到计算机数据采集与处理系统开始进行数据采集、处理与记录；数据记录完成后发讯息到控制系统进入下一个工作循环过程；

所述的实时测量包括：

通过采集与处理压力传感器、拉线式位移传感器III的输出实现载荷-位移的实时测量：

加载试验过程中压力传感器和拉线式位移传感器III的输出信号输入到控制系统，完成载荷——位移试验数据的记录和试验程序的自动控制；

通过采集与处理应变计和应力应变测量系统的输出实现试验管应力-应变分布的实时测量：

当试验管受弯曲载荷发生弯曲变形时，测量系统将根据试验程序自动进入测量记录程序，计算机控制系统发讯到计算机数据采集与处理系统采集、记录应变计的输出信号，应力应变测量系统完成一次数据采集记录后发讯到控制系统进入下一个施加载荷——恒定载荷——测量记录的循环工作程序，重复进行以上循环工作程序直到试验管发生弯曲变形产生破坏时止，完成钢管弯曲变形试验测量装置测试过程的实时监测、自动测量；

通过采集与处理拉线式位移传感器I的输出实现载荷-试验管中部2D长度位置转角的实时测量：

试验管中部2D位置转角关系测量采用安装在试验管上的试验管中部2D长度位置转角测量装置、拉线式位移传感器I测量；加载试验过程中压力传感器和拉线式位移传感器I的输出信号输入到控制系统完成载荷-试验管中部2D位置转角试验数据的记录；

通过采集与处理拉线式位移传感器II的输出实现载荷-试验管管端转角的实时测量：

所述试验管管端转角测量采用安装在固定侧力臂装置上的试验管端转角测量装置和拉线式位移传感器II测量，加载试验过程中压力传感器和拉线式位移传感器II的输出信号输入到控制系统完成载荷-管端转角试验数据的记录。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

本发明的测量装置采用四根承力梁承力结构，固定侧力臂装置和移动侧力臂加载，单油缸驱动，试验管水平放置结构；采用卧式设备结构，解决了设备试验能力的问题。使用双力臂加载，并且力臂足够长，可以获得充分的弯曲载荷。

本发明的测量装置能提高钢管弯曲变形试验系统对油气输送管线的研究和试验能力，从而进一步提高管线的设计水平和管线的运行安全可靠性，同时可以建立一套完善、合理的钢管质量评定体系。本发明的测量装置提高了测量稳定性及测量精度。实现了实时监测、自动测量的目的，准确地反映试验管在承受弯曲载荷时，试验管的弯曲变形情况和试验管上的应力应变分布情况。

本发明测量系统的建立，为钢管弯曲变形试验系统提供了一套自动控制、实时监测、自动测量的测量系统。测量系统能全程监控、记录试验管同时承受内部压力载荷和弯曲载荷而发生弯曲变形时载荷、位移、转角、应力应变分布等试验参数的变化情况。计算机数据采集与处理系统能实时采集、记录、显示试验数据，并能对试验数据进行分析与处理。试验结果可以进行查询和打印。具体优点如下：

1、测量系统可以实时测量、记录试验管弯曲变形时试验管承受载荷和试验管端位移的关系。载荷实时测量，测量精度高。外置式的位移测量装置安装、维护简易。实时监测到的载荷及位移均可用于控制试验加载、测量试验循环程序；

2、测量系统可以实时测量、记录试验管弯曲变形时试验管承受载荷和试验管管端转角的关系。试验管端转角的测量方法构思巧妙、准确可靠，测量装置结构简洁、维护方便，测量方法适应性强；

3、测量系统可以实时测量、记录试验管弯曲变形时试验管承受载荷和试验管中部2D位置转角的关系。试验管中部2D位置转角的测量原理构思独特、测量精度高，具有创新的独到性；

4、测量系统可以实时测量、记录试验管弯曲变形时试验管应力——应变的分布状态。试验管的应力应变分布能更加准确地反映出试验管的弯曲变形程度及变形过程；

5、测量系统可以实时测量、记录试验管弯曲变形直至发生破坏时的应力——应变状态。应力应变测量中合理地布置的大变形应变片，能准确、全程地反映出试验管受弯曲载荷发生屈曲变形时的细微过程。

本发明的测量装置模拟油气输送管承受实际服役载荷状态下，测量试验管在发生弯曲变形时，试验管的变形情况及试验管的应力应变分布情况，确定试验管屈曲失稳时的应变极限。评估弯曲负荷下钢管的抗屈曲变形能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面所列附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置示意图；

图2是本发明实施例提供的试验管中部2D长度横截面的转角测量装置的结构示意图；

图3是图2中转角测量装置的原理图；

图4是本发明实施例提供的试验管管端转角测量装置示意图；

图5是本发明实施例提供的力臂支撑结构示意图；

图6是本发明实施例提供的力臂支撑安装在移动侧力臂上的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，一种钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置，包括油缸1、液压系统2、压力传感器3、水压系统4、移动侧力臂5、试验管6、应变计7、试验管中部2D长度位置转角测量装置8、过渡环10、连接法兰11、固定侧力臂12、试验管管端转角测量装置13、调整节15、承力梁16、控制系统17、计算机数据采集与处理系统18、应力应变测量系统19、拉线式位移传感器III20；

试验管中部2D长度位置转角测量装置8包括拉线式位移传感器I 9；

试验管管端转角测量装置13包括拉线式位移传感器II 14；

油缸1通过油缸上支架和下支架固定到基础支撑上；通过油顶头及压板将油缸连接到移动侧力臂5上；通过安装在移动侧力臂5上的4个键对油缸的伸出端进行Y方向定位；液压系统2用于控制油缸1对移动侧力臂5施加机械加载，使试验管6承受弯曲载荷；压力传感器3安装在液压系统2；

水压系统4用于注入对试验管6管段内部加载内压，并在试验管弯曲变形试验过程中保持恒定压力不变；

调整节15设置在承力梁16上；应变计7、试验管中部2D长度位置转角测量装置8、拉线式位移传感器I 9设置在试验管6上；应变计7采集钢管变形数据输送给应力应变测量系统19；过渡环10及连接法兰11设置在试验管6两端，与移动侧力臂5和固定侧力臂12连接；试验管端转角测量装置13、拉线式位移传感器II 14设置在固定侧力臂12和承力梁16连接处；拉线式位移传感器III20设置在油缸1与移动侧力臂5连接处；

固定侧力臂12上轴座和下轴座通过轴连结在一起；再通过上下轴座与四个H型钢的承力梁16连接结在一起；在移动侧力臂5框架移动时，固定侧力臂12框架围绕着芯轴旋转；固定侧力臂12上连接有力臂支撑21；

移动侧力臂5和力臂上盖通过4个销轴进行定位，芯轴通过前支撑及力臂上盖连接到移动侧力臂5上；移动侧力臂5的上轴承座和下轴承座通过轴连接；在下轴承座上安装有滚轮装置；在油缸推动移动侧力臂移动的过程中，滚轮装置在下两个H型钢面上滚动，上轴承座沿着上两个H型钢的滑动面上滑动，同时下轴承座沿着下两个H型钢的滑动面上滑动；移动侧力臂5上连接有力臂支撑21；

压力传感器3、拉线式位移传感器I 9、拉线式位移传感器II 14、拉线式位移传感器III20及应力应变测量系统19通过控制系统17输出到计算机数据采集与分析系统18，计算机数据采集与分析系统18按要求进行记录、处理、分析。

本发明试验测量装置可同时对试验管段加载内压及弯矩载荷，通过水压系统4对试验管段内部加载12MPa内压，并在试验管弯曲变形试验过程中保持恒定压力不变。通过固定侧力臂12、移动侧力臂5、承力梁16、油缸1等部件对试验管施加弯曲载荷，并使它们组成一个封闭的受力系统。液压系统2控制油缸1对移动侧力臂施加机械加载，使试验管6承受弯曲载荷。加载速率及载荷大小由计算机控制系统17进行自动控制。加载载荷具有全程不分档的特点。通过可精确控制加载力大小及速率的台阶式加载方式，实现加载-测量的反复循环过程。系统能实现位移控制加载及负荷控制加载方式。

本发明试验测量装置能模拟油气输送管承受的实际服役载荷，通过选用不同的连接法兰11、变化调整节15个数及选用不同规格尺寸的过渡环10可方便地完成不同直径和长度试验管的试验。能实现对直径508～1219mm、最大壁厚22mm、长度6～10m、材质为X70～X100钢管的压缩-弯曲变形实时测量。

参见图2，一种试验管中部2D长度横截面的转角测量装置，试验管中部2D长度横截面的转角测量装置8包括支撑件60、第一至第三传感器安装板50、第一至第二位移传感器40、控制系统17及计算机数据采集与处理系统18，第一位移传感器30和第二位移传感器40均为拉线式位移传感器，第一至第二位移传感器40组成拉线式位移传感器I 9。

支撑件60的一端沿其径向插接着第一传感器安装板22，第一传感器安装板22与支撑件60形成第一测量臂；

支撑件60的另一端沿其径向插接着第二传感器安装板23及第三传感器安装板50，第二传感器安装板23、第三传感器安装板50及支撑件60形成第二测量臂；

其中，第一测量臂与第二测量臂之间的距离为试验管6中部2D长度；

第二传感器安装板23及第三传感器安装板50之间形成间隙，间隙内安装着第一位移传感器30和第二位移传感器40，且第一位移传感器30和第二位移传感器40对称布置在支撑件60的两侧；

第一位移传感器30和第二位移传感器40分别与控制系统17相连，并通过控制系统17控制动作，控制系统17于计算机数据采集与处理系统18相连，通过第一位移传感器30和第二位移传感器40测量支撑件60的位移量并发出电信号，电信号经控制系统17传送给计算机数据采集与处理系统18，由于计算机数据采集与处理系统18进行记录、处理、分析及输出打印，得到试验管6中部2D长度横截面的转角值。

本发明试验管6中部2D长度横截面转角的测量原理：

本发明实施例中，第一传感器安装板22组成第一个测量臂，第一位移传感器30及第二位移传感器40通过第二传感器安装板23、第三传感器安装板50组成第二个测量臂，第一和第二测量臂通过焊接的方式沿试验管6径向安装在2D长度的试验管6截面上。当试验管6承受弯曲载荷，试验管6截面发生转动时，第一和第二测量臂也随截面发生转动。由于第一和第二测量臂在试验管6变形中不受外力的作用，所以第一和第二测量臂将与该截面一起转动而不会发生其他变形，这样就形成测量试验管6中部2D长度横截面转角的测量基准，在第一和第二测量臂的相同位置上选定两个个测点，两个个测点之间的距离作为测量转角的基准长度，在试验管6中心线所在水平面内测得两个测量臂上两个个相对测点之间的距离，就可以利用测量基准长度通过几何关系计算出横截面的转角。

由此可见，本发明实施例试验管6中部2D长度横截面转角测量装置的测量模型结构简单、测量结果准确的优点；转角测量装置安装方便，测量装置可重复使用。

本发明实施例测量原理及测量方法可适用于不同直径、壁厚的高压、高钢级钢管管，特别是实用于模拟高压、大口径、大壁厚、高钢级油气输送管承受实际服役载荷状态，测量试验管6弯曲变形试验时中部2D长度横截面的转角。

由于拉线式位移传感器具有重量轻，测量范围大，测量精度高，稳定性好，安装方便的特点，并且其中的拉线具有自张紧作用，在试验管6弯曲后拉线不会发生弯曲变形等优点，就成为测量横截面转角的理想工具。

参见图4，一种钢管弯曲变形试验系统中试验管管端转角测量装置，试验管管端转角测量装置13包括拉线式位移传感器II14，拉线式位移传感器II14安装在传感器安装板24上，传感器安装板24再通过螺钉安装在轴座61上，拉线式位移传感器II14的线绳固定在固定侧力臂转轴筒31上，轴座61上设有轴承41，轴承41上设有转动轴51，转动轴51上套设固定侧力臂转轴筒31，固定侧力臂转轴筒31连接固定侧力臂12，拉线式位移传感器II14电连接控制系统19，控制系统19连接计算机数据采集与处理系统18。拉线式位移传感器II14可以直接读出位移长度。

本发明试验管管端转角的测量原理：由于试验管管端和固定力臂是刚性连接，试验管弯曲变形试验时，试验管端的转角和固定侧力臂的转角相同。固定侧力臂是一个刚性很大的焊接结构件，因此，试验管管端的转角测量可以转化为固定侧力臂的转角测量。固定侧力臂转角测量的测量点选在固定侧力臂转轴筒上。当试验管受弯曲载荷发生弯曲变形时，试验管管端和固定侧力臂同时发生转动，固定侧力臂转轴筒上的测量点也同时发生转动。固定侧力臂转轴筒上的测量点就是拉线式位移传感器线绳的安装点，测量点的转角线位移等同于拉线式位移传感器的位移。通过拉线式位移传感器的位移测量，运用几何关系计算就能得出试验管管端横截面的转角。

参见图5和图6，力臂支撑21包括连接件150、推力轴承100、上球轴承110、下球轴承120、滚轮架130及滚轮140，支撑件150连接中心固定轴180，中心固定轴180上依次设有推力轴承100、上球轴承110及下球轴承120，上球轴承110和下球轴承120之间设有滚珠190，下球轴承120安装在轴承座160上，下球轴承120下部设有滚轮架130，滚轮架130下部设有滚轮140，滚轮架130和滚轮140上穿设有轴170。

本发明通过在固定侧力臂和移动侧力臂下安装力臂支撑，实现了移动侧力臂5的转动和水平移动，固定侧力臂的转动。滚轮及滚轮架的组合形式实现了重载力臂线接触的滚动摩擦移动方式，改变了以往面接触的滑动支撑方式，使固定侧力臂和移动侧力臂的水平移动摩擦力大幅减小。

固定侧力臂上设有4个力臂支撑，4个力臂支撑分别为前部两个力臂支撑和中部两个力臂支撑，前部两个力臂支撑用于设置在固定侧力臂的一端，中部两个力臂支撑用于设置在固定侧力臂的中部。移动侧力臂上也与固定侧力臂上对称设有4个力臂支撑。

本发明的一种钢管弯曲变形试验中试验管大变形及应力实时测量方法，包括以下步骤：

(1)按试验要求制备试验管：

将制备好的试验管和连接法兰进行焊接连接，对焊接好的试验管进行无损探伤检查，合格后，进行静水压试验，检验合格后，进行下一操作；试验管安装准备工作完成后，进行试验管几何参数测量、应变计测点布置。

(2)将试验管安装到试验加载系统：

将制备好的试验管连接到加载力臂上，调整安装精度，定位后把紧高强度螺栓组；

(3)在试验管上安装试验管中部2D长度位置转角测量装置及试验管管端转角测量装置；

连接并调整好应力应变测量系统及两个转角测量装置，进入试验阶段；确认准备工作完成后发讯息到计算机控制系统进入试验状态；

(4)打开试验管注水系统对试验管进行注水、加压到试验要求并进行保压，利用工业计算机控制加载油缸，按程序进行弯曲加载，模拟油气输送管在服役过程中承载情况：

通过固定侧力臂、移动侧力臂、承力梁及油缸对试验管施加弯曲载荷，加载速率及载荷大小由计算机控制系统进行自动控制；通过精确控制大小及速率的台阶式加载方式，实现施加载荷-恒定载荷-测量记录的反复循环过程；通过计算机数据采集及处理系统完成整个变形过程的数据采集和记录，并实时显示；

试验前按要求设置加载控制节距，液压系统控制油缸进入加载程序，每当到达一个节点时，油缸停止前进，液压系统进入保压状态，测量系统开始进行实时测量工作，测量系统的传感器输出信号经控制系统后输入到计算机数据采集与处理系统开始进行数据采集、处理与记录；数据记录完成后发讯息到控制系统进入下一个工作循环过程；

其中，试验管6中部2D长度横截面的转角值的测量方法：

参见图2，将试验管中部2D长度横截面的转角测量装置8固定安装在试验管6上，使转角测量装置中的支撑件60的中心线与试验管6的中线线保持平行，并使转角测量装置中的第一测量臂及第二测量臂对准试验管6中部2D长度；

具体地，本步骤中还包括将第一和第二位移传感器30、40调整好进入测量状态的步骤，调整好的概念是位移量程归零，例如，当传感器第一和第二位移传感器30、40采用拉线式传感器时，使拉线式传感器的拉线紧绷，量程归零，即为调整好；

可以根据试验管6的直径选择相对应的传感器安装板，使传感器安装板的底面弧度符合试验管6外形；

具体将转角测量装置固定安装在试验管上，使转角测量装置中的支撑件的中心线与试验管的中线线保持平行，并使转角测量装置中的第一测量臂及第二测量臂对准试验管中部2D长度；

按试验管6弯曲试验要求加载进行试验，随试验管6的弯曲变形，第一及第二测量臂也随截面发生转动，第一和第二位移传感器30、40因位移改变而发出电信号，电信号经控制系统17后输出到计算机数据采集与处理系统18，计算机数据采集与处理系统18按要求进行记录、处理、分析及输出打印，最终得到试验管6中部2D长度横截面的转角值。

本发明实施例测量方法，易于操作，具有测量成本低的优点。

更具体地，步骤4中的试验管6中部2D长度横截面的转角值，具体按照下述公式计算，

A(t)＝Sin^-1({[L1(t)-L1(0)]/2-[L2(t)-L2(0)]/2}/L0)，其中，第一位移传感器30对应第一测点，第二位移传感器40对应第二测点，

参见图3，其中，实线表示弯曲变形前的测量装置及试验管，点化线表示弯曲变形后的测量装置及试验管，

B表示测量臂的测量位置；

C表示测量臂的与原始位置；

D表示试验管6的外部直径mm；

2D表示两倍试验管6的外部直径的长度，单位mm；

L表示测量臂长度，单位mm；

L0表示第二测量臂上第一测点与第二测点之间的距离(测量基准长度，单位mm)，用图例表示，例如，如图2所示，L0表示第一位移传感器30与第二位移传感器40的中心距离；

L1(0)表示试验管6在未发生弯曲前，两个测量臂上相对应第一测点之间的距离，单位mm，用图例表示，例如，如图1所示，当第一位移传感器30与第二位移传感器40均为拉线式传感器时，并且试验管6在未发生弯曲前，由第一位移传感器30拉出一条线沿支撑件60至第一传感器安装板22，该线段的长度即为L1(0)；

L1(t)表示试验管6在弯曲后，两个测量臂上相对应第一测点之间的距离，单位mm，用图例表示，例如，如图2所示，当第一位移传感器30与第二位移传感器40均为拉线式传感器时，并且试验管6在弯曲后，由第一位移传感器30拉出一条线沿支撑件60至第一传感器安装板22，该线段的长度即为L1(0)；

L2(0)表示试验管6在未发生弯曲前，两个测量臂上相对应第二测点之间的距离，单位mm，用图例表示，例如，如图2所示，当第一位移传感器30与第二位移传感器40均为拉线式传感器时，并且试验管6未发生弯曲前，由第二位移传感器40拉出一条线沿支撑件60至第一传感器安装板22，该线段的长度即为L1(0)；

L2(t)表示试验管6在弯曲后，两个测量臂上相对应第二测点之间的距离，单位mm；用图例表示，例如，如图2所示，当第一位移传感器30与第二位移传感器40均为拉线式传感器时，并且试验管6在弯曲后，由第二位移传感器40拉出一条线沿支撑件60至传感器安装板22，该线段的长度即为L1(0)；

A(t)表示横截面的转角，单位度。

其中，试验管管端转角测量装置的测量方法：

参见图4，吊装焊接上连接法兰的试验管6到试验机械加载系统上，调整安装精度，使试验管6中心线平行于机械加载系统的承力梁的中心线、固定侧力臂12垂直于机械加载系统的承力梁中心线，定位后把紧高强度螺栓组。

根据拉线式位移传感器II14安装位置及试验管6管端可能的最大转角选择适合的量程及符合要求精度的拉线式位移传感器II14。试验管6管段可能的最大转角一般不超过10°，因为试验管在实验过程中达到屈曲即被视为实验结束，而此时的钢管整体弯曲不超过15°，因此两边的力臂转角不超过10°。而此时对应的拉线式传感器的量程对应的转角量程即为“适合的量程”。通过传感器安装板24把拉线式位移传感器II14水平地安装在机械加载系统的轴座61上，拉线式位移传感器II14的绳索固定在固定侧力臂12的测量点上。固定侧力臂12的测量点为固定侧力臂转轴筒31，调整并连接好本发明的管端转角测量装置，进入试验测量状态。

按试验管弯曲试验要求加载进行试验，随试验管弯曲变形，试验管6管端随固定侧力臂12转动，固定侧力臂转轴筒31也随之转动，固定侧力臂转轴筒31的转动使拉线式位移传感器II14位移改变，拉线式位移传感器II14的位移改变后发出一个可计量的、成线性比例的电信号，电信号经控制系统19放大处理后输出到计算机数据采集与处理系统18，计算机数据采集与处理系统18按要求进行记录、处理及输出打印，计算机数据采集与处理系统18用于转角值，按照现有的拉线式传感器技术进行数据处理，将位移值转化为转角值后输出打印。通过本发明机械装置，直接测得钢管弯曲试验系统中力臂末端的转角，从而通过几何关系获得整管末端的弯曲角度。

试验管管端转角的计算模型如下：

A(t)＝57.296[L(t)-L(0)]/R                 (1)

L(0)-------试验管在未发生弯曲变形前拉线式位移传感器测量长度(mm)；

L(t)-------试验管在发生弯曲变形后拉线式位移传感器测量长度(mm)；

R------固定侧力臂转轴筒半径(mm，试验系统固定值)；

A(t)------试验管发生弯曲变形时试验管管端转角(°)。

本发明的拉线式位移传感器II重量轻，测量范围大，测量精度高，稳定性好，安装方便，拉线具有自张紧作用，是试验管管端截面转角测量的理想工具。

(5)试验完成后在数据采集与处理计算机上进行试验结果的显示、分析和打印：

根据试验要求获得载荷-位移曲线、载荷-转角曲线、应力-应变曲线，试验数据经分析与处理后得到试验管的变形规律、应力应变分布情况及试验管的机械性能参数。

本发明实施例的实时测量包括：

通过采集与处理压力传感器、拉线式位移传感器III的输出实现载荷-位移的实时测量：

加载在试验管上的弯曲载荷由测量液压系统2中的油缸压力得到，测量系统选用高精度压力传感器3测量油缸压力；试验管管端的位移用拉线式位移传感器III20测量，外置式的高精度拉线式位移传感器III20安装方便、维护简洁。加载试验过程中压力传感器3和拉线式位移传感器III20的输出信号输入到控制系统17，完成载荷——位移试验数据的记录和试验程序的自动控制作用。

通过采集与处理应变计和应力应变测量系统的输出实现试验管应力-应变分布的实时测量；

试验管上的应力——应变分布情况更能精准地反映出试验管在承受弯曲载荷发生变形时的状况。应变计7中包含的大变形应变片，能准确、全程地反映出试验管受弯曲载荷发生屈曲变形时的细微过程。当试验管6受弯曲载荷发生弯曲变形时，测量系统将根据试验程序自动进入测量记录程序。计算机控制系统17发讯到计算机数据采集与处理系统18采集、记录应变计的输出信号。应力应变测量系统19完成—次数据采集记录后发讯到控制系统17进入下一个施加载荷——恒定载荷——测量记录的循环工作程序。重复进行以上循环工作程序直到试验管发生弯曲变形产生破坏时止。钢管弯曲变形试验测量系统的测试过程均可实现实时监测、自动测量。

通过采集与处理拉线式位移传感器I的输出实现载荷-试验管中部2D长度位置转角的实时测量：

试验管中部2D位置转角关系测量采用安装在试验管6上的试验管中部2D长度位置转角测量装置8、拉线式位移传感器I 9测量。测量方法构思巧妙，测量原理准确可靠，测量装置结构简单，维护简易。加载试验过程中压力传感器3和拉线式位移传感器I 9的输出信号输入到控制系统17完成载荷——试验管中部2D位置转角试验数据的记录。

通过采集与处理拉线式位移传感器II的输出实现载荷-试验管管端转角的实时测量：

试验管管端转角测量采用安装在固定侧力臂装置12上的试验管端转角测量装置13和拉线式位移传感器II 14测量，测量方法构思巧妙，测量原理准确可靠，测量装置结构简单，维护简易，且适用于不同直径、壁厚及长度的试验管。加载试验过程中压力传感器3和拉线式位移传感器II 14的输出信号输入到控制系统17完成载荷——管端转角试验数据的记录。

本发明的计算机数据采集与处理系统18对采集、记录到的试验数据能进行各种分析与处理，并能将试验结果以参数曲线、数据报表的形式显示、打印出来。计算机数据采集与处理系统18还能对历史数据进行回放及查询。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置，其特征在于，包括油缸(1)、液压系统(2)、压力传感器(3)、水压系统(4)、移动侧力臂(5)、试验管(6)、应变计(7)、试验管中部2D长度位置转角测量装置(8)、过渡环(10)、连接法兰(11)、固定侧力臂(12)、试验管管端转角测量装置(13)、调整节(15)、承力梁(16)、控制系统(17)、计算机数据采集与处理系统(18)、应力应变测量系统(19)、拉线式位移传感器Ⅲ(20)；

试验管中部2D长度位置转角测量装置(8)包括拉线式位移传感器Ⅰ(9)；

试验管管端转角测量装置(13)包括拉线式位移传感器Ⅱ(14)；

油缸(1)通过油缸上支架和下支架固定到基础支撑上；通过油顶头及压板将油缸连接到移动侧力臂(5)上；通过安装在移动侧力臂(5)上的4个键对油缸的伸出端进行Y方向定位；液压系统(2)用于控制油缸(1)对移动侧力臂(5)施加机械加载，使试验管(6)承受弯曲载荷；压力传感器(3)安装在液压系统(2)上；

水压系统(4)用于注入水对试验管(6)管段内部加载内压，并在试验管弯曲变形试验过程中保持恒定压力不变；

调整节(15)设置在承力梁(16)上；应变计(7)、试验管中部2D长度位置转角测量装置(8)、拉线式位移传感器Ⅰ(9)设置在试验管(6)上；应变计(7)采集钢管变形数据输送给应力应变测量系统(19)；过渡环(10)及连接法兰(11)设置在试验管(6)两端，与移动侧力臂(5)和固定侧力臂(12)连接；试验管管端转角测量装置(13)、拉线式位移传感器Ⅱ(14)设置在固定侧力臂(12)和承力梁(16)连接处；拉线式位移传感器Ⅲ(20)设置在油缸(1)与移动侧力臂(5)连接处；

固定侧力臂(12)上轴座和下轴座通过轴连在一起；再通过上下轴座与四个H型钢的承力梁(16)连接在一起；在移动侧力臂(5)框架移动时，固定侧力臂(12)框架围绕着芯轴旋转；固定侧力臂(12)上连接有力臂支撑(21)；

移动侧力臂(5)和力臂上盖通过4个销轴进行定位，芯轴通过前支撑及力臂上盖连接到移动侧力臂(5)上；移动侧力臂(5)的上轴承座和下轴承座通过轴连接；在下轴承座上安装有滚轮装置；在油缸推动移动侧力臂移动的过程中，滚轮装置在下两个H型钢面上滚动，上轴承座沿着上两个H型钢的滑动面上滑动，同时下轴承座沿着下两个H型钢的滑动面上滑动；移动侧力臂(5)上连接有力臂支撑(21)；

压力传感器(3)、拉线式位移传感器Ⅰ(9)、拉线式位移传感器Ⅱ(14)及拉线式位移传感器Ⅲ(20)及应力应变测量系统(19)通过控制系统(17)输出到计算机数据采集与处理系统(18)，计算机数据采集与处理系统(18)按要求进行记录、处理、分析；

所述试验管中部2D长度位置转角测量装置包括：支撑件、第一至第三传感器安装板、第一至第二位移传感器、控制系统及计算机数据采集与处理系统，

所述支撑件的一端沿其径向插接着第一传感器安装板，所述第一传感器安装板与所述支撑件形成第一测量臂；

所述支撑件的另一端沿其径向插接着所述第二传感器安装板及所述第三传感器安装板，所述第二传感器安装板、所述第三传感器安装板及所述支撑件形成第二测量臂；

其中，所述第一测量臂与第二测量臂之间的距离为所述试验管中部2D长度；

所述第二传感器安装板及所述第三传感器安装板之间形成间隙，所述间隙内安装着所述第一位移传感器和所述第二位移传感器，且所述第一位移传感器和所述第二位移传感器对称布置在所述支撑件的两侧；

所述第一位移传感器和所述第二位移传感器分别与所述控制系统相连，并通过所述控制系统控制动作，所述控制系统与所述计算机数据采集与处理系统相连，通过所述第一位移传感器和所述第二位移传感器测量所述支撑件的位移量并发出电信号，所述电信号经所述控制系统传送给所述计算机数据采集与处理系统，由于所述计算机数据采集与处理系统进行记录、处理、分析及输出打印，得到所述试验管中部2D长度横截面的转角值。

2.根据权利要求1所述的钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置，其特征在于，试验管管端转角测量装置包括拉线式位移传感器II(14)，所述拉线式位移传感器II(14)安装在第四传感器安装板(24)上，所述第四传感器安装板(24)安装在轴座(61)上，所述拉线式位移传感器II(14)的线绳固定在固定侧力臂转轴筒(31)上，所述轴座(61)上设有轴承(41)，所述轴承(41)上设有转动轴(51)，所述转动轴(51)上套设固定侧力臂转轴筒(31)，所述固定侧力臂转轴筒(31)连接固定侧力臂(12)，所述拉线式位移传感器II(14)电连接控制系统(19)，所述控制系统(19)连接计算机数据采集与处理系统(18)。

3.根据权利要求1所述的钢管弯曲变形中试验管大变形及应力实时测量装置，其特征在于：

所述力臂支撑包括支撑件、推力轴承、上球轴承、下球轴承、滚轮架及滚轮，所述支撑件连接中心固定轴，所述中心固定轴上依次设有推力轴承、上球轴承及下球轴承，所述上球轴承和下球轴承之间设有滚珠，所述下球轴承安装在轴承座上，所述下球轴承下部设有滚轮架，所述滚轮架下部设有滚轮，所述滚轮架和滚轮上穿设有轴，

所述固定侧力臂上设有4个力臂支撑，所述4个力臂支撑分别为前部两个力臂支撑和中部两个力臂支撑，所述前部两个力臂支撑用于设置在所述固定侧力臂的一端，所述中部两个力臂支撑用于设置在所述固定侧力臂的中部，所述移动侧力臂上也与所述固定侧力臂上对称设有4个力臂支撑。

4.一种钢管弯曲变形试验中试验管大变形及应力实时测量方法，包括以下步骤：

(1)按试验要求制备试验管：

将制备好的试验管和连接法兰进行焊接连接，对焊接好的试验管进行无损探伤检查，合格后，进行静水压试验，检验合格后，进行下一操作；

(2)将试验管安装到试验加载系统：

将制备好的试验管连接到加载力臂上，调整安装精度，定位后把紧高强度螺栓组；

(3)在试验管上安装试验管中部2D长度位置转角测量装置及试验管管端转角测量装置；连接并调整好应力应变测量系统及两个转角测量装置，进入试验阶段；

(4)打开试验管注水系统对试验管进行注水、加压到试验要求并进行保压，利用工业计算机控制加载油缸，按程序进行弯曲加载，模拟油气输送管在服役过程中承载情况：

通过固定侧力臂、移动侧力臂、承力梁及油缸对试验管施加弯曲载荷，加载速率及载荷大小由计算机控制系统进行自动控制；通过精确控制大小及速率的台阶式加载方式，实现施加载荷－恒定载荷-测量记录的反复循环过程；通过计算机数据采集及处理系统完成整个变形过程的数据采集和记录，并实时显示；

(5)试验完成后在数据采集与处理计算机上进行试验结果的显示、分析和打印：

根据试验要求获得载荷-位移曲线、载荷－转角曲线、应力-应变曲线，试验数据经分析与处理后得到试验管的变形规律、应力应变分布情况及试验管的机械性能参数；

所述步骤(3)确认准备工作完成后发讯息到计算机控制系统进入试验状态；

所述步骤(4)中，试验前按要求设置加载控制节距，液压系统控制油缸进入加载程序，每当到达一个节点时，油缸停止前进，液压系统进入保压状态，测量系统开始进行实时测量工作，测量系统的传感器输出信号经控制系统后输入到计算机数据采集与处理系统开始进行数据采集、处理与记录；数据记录完成后发讯息到控制系统进入下一个工作循环过程；

所述的实时测量包括：

通过采集与处理压力传感器、拉线式位移传感器Ⅲ的输出实现载荷－位移的实时测量：

加载试验过程中压力传感器和拉线式位移传感器Ⅲ的输出信号输入到控制系统，完成载荷——位移试验数据的记录和试验程序的自动控制；

通过采集与处理应变计和应力应变测量系统的输出实现试验管应力－应变分布的实时测量：

当试验管受弯曲载荷发生弯曲变形时，测量系统将根据试验程序自动进入测量记录程序，计算机控制系统发讯息到计算机数据采集与处理系统采集、记录应变计的输出信号，应力应变测量系统完成一次数据采集记录后发讯息到控制系统进入下一个施加载荷——恒定载荷——测量记录的循环工作程序，重复进行以上循环工作程序直到试验管发生弯曲变形产生破坏时为止，完成钢管弯曲变形试验测量装置测试过程的实时监测、自动测量；

通过采集与处理拉线式位移传感器Ⅰ的输出实现载荷－试验管中部2D长度位置转角的实时测量：

试验管中部2D位置转角关系测量采用安装在试验管上的试验管中部2D长度位置转角测量装置、拉线式位移传感器Ⅰ测量；加载试验过程中压力传感器和拉线式位移传感器Ⅰ的输出信号输入到控制系统完成载荷－试验管中部2D位置转角试验数据的记录；

通过采集与处理拉线式位移传感器Ⅱ的输出实现载荷－试验管管端转角的实时测量：

所述试验管管端转角测量采用安装在固定侧力臂装置上的试验管管端转角测量装置和拉线式位移传感器Ⅱ测量，加载试验过程中压力传感器和拉线式位移传感器Ⅱ的输出信号输入到控制系统完成载荷－管端转角试验数据的记录。