CN103353423A - 聚烯烃管及聚烯烃复合管内压-弯曲载荷测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚烯烃及其复合管等的载荷测试装置，旨在提供一种聚烯烃管及聚烯烃复合管内压-弯曲载荷测试装置。该装置包括内压加载装置以及弯曲加载装置；待测管材的两端设密封装置，所述内压加载装置与其中一端的密封装置相连；弯曲加载装置包括加载机构和传动装置，传动装置安装在桁架上；中间悬吊柱的卡箍通过杆件、传动装置与加载机构相连，加载机构还连接一个控制器，通过对弯曲加载装置的控制来调节载荷的大小和加载速率，并在试验过程中实时记录管材中段承受的力与发生的位移。本发明可以在不同温度下，对管道同时提供内压载荷与弯曲静载荷或弯曲疲劳载荷的复杂载荷，实现聚烯烃及其复合管在多载荷耦合作用下的力学行为或安全性能测试。

Description

聚烯烃管及聚烯烃复合管内压-弯曲载荷测试装置

技术领域

本发明是关于聚烯烃及其复合管等的载荷测试装置，特别涉及一种聚烯烃管及聚烯烃复合管内压-弯曲载荷测试装置。

背景技术

塑料管及其复合管具有韧性好、抗冲击、耐腐蚀的性能特点，且使用寿命长，因此该类管材被越来越多地应用于石油、化工、市政等领域。早在20世纪40年代，美国等发达国家就已经开始使用塑料管，至20世纪90年代，PE管在所有燃气输送管中所占比例已超过90%。根据塑料管道数据库委员会PPDC(Plastic Pipe Database Committee)统计，2008年全美塑料主管线相比于2006年增长了55655 km，塑料设施总数增加了230万件，塑料管使用量呈逐年上升趋势，而在国内，PE管自20世纪90年代开始使用，且近些年使用量不断上升。据统计，2009年塑料管道产量580．4万吨，同比增长18.9%，其中PE管约占总量的29%；2010年1～9月塑料管道生产量552.81万吨，同比增长28.23％。增强塑料复合管作为新兴管道，同样保持了迅猛的发展势头。由国内外的统计可以看到，塑料及其复合管材的使用数量与规模逐渐扩大，但另一方面，塑料及其复合管施工操作人员技术素养有待提高，管理维护人员对塑料及复合管性能特点的认识不足、对管道维护的重视不够及管理规范性不强，因此塑料及复合管在施工与应用阶段发生的事故并不鲜见。根据研究人员调研结果显示，塑料及其复合管的失效原因按照载荷分类又可以分为：弯曲载荷、挤压载荷以及点载荷等。这些载荷各自单独作用或耦合作用于承载内压的聚烯烃管及其复合管，便构成了管道的复杂载荷受载。

针对塑料管及其复合管力学性能的研究已经有一段时间，但传统的研究主要关注管材、管件承受单一内压载荷时的力学性能，如短时爆破试验研究、长时静液压试验研究等，而没有考虑管道实际工作中可能承受的挤压载荷、弯曲载荷以及点载荷，以及由这些载荷引起的管道失效风险。其中一重要原因是由于缺少相应的测试方法及设备，导致塑料管及其复合管在复杂载荷下的性能特性研究难以开展。因此，能够弥补现有试验设备的空缺，对塑料管及其复合管做荷载测试的装置需求强烈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种可以在不同温度环境下进行试验的聚烯烃管及聚烯烃复合管内压-弯曲载荷测试装置。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种聚烯烃管及聚烯烃复合管内压-弯曲载荷测试装置，包括用于维持待测管材内部水压的内压加载装置，以及弯曲加载装置；待测管材的两端设密封装置，所述内压加载装置与其中一端的密封装置相连；该试验机还包括桁架和恒温水槽，桁架的承载梁位于恒温水槽上方且与其平行；承载梁的两端分别装有一根竖直向下的悬吊柱，在悬吊柱底端各设有一个用于固定待测管材的圆形卡箍，卡箍圆心的连接线与两悬吊柱的轴线相互垂直且共面；在两端悬吊柱之间的承载梁上还设有一根竖直向下的中间悬吊柱，三根悬吊柱的轴线共面，且中间悬吊柱与两端悬吊柱之间的距离相等；中间悬吊柱的底端安装有圆形卡箍；三个卡箍的圆心共线、圆面相互平行；弯曲加载装置包括加载机构和传动装置，传动装置安装在桁架上；中间悬吊柱的卡箍通过杆件、传动装置与加载机构相连，加载机构提供动力使卡箍带动待测管件实现竖直方向往复运动；所述杆件中装有载荷测量装置，用于测得施加的力载荷或位移载荷；加载机构还连接一个控制器，通过对弯曲加载装置的控制来调节载荷的大小和加载速率，并在试验过程中实时记录管材中段承受的力与发生的位移。

本发明中，在两端悬吊柱的底端相对设置两个向下凸出的悬吊臂，其内侧各设一个三角支撑架；每个悬吊臂的端部均开设一个销孔，两个销孔具有相同的内径，其圆心共线且圆面相互平行；在所述用于固定待测管材的圆形卡箍两侧分设固定件，其两个端面之间的距离小于两悬吊臂内侧的间距；卡箍固定件的两个端面上设共轴的销孔，其内径与悬吊臂端部销孔的内径相同，并通过销钉实现在悬吊臂端部的安装；圆形卡箍的结构分为上下两部分，两部分的结构完全相同且关于分割面对称；在卡箍两侧的固定端还贯设竖向的螺栓孔，并通过固定螺栓实现卡箍及销钉的紧固。

本发明中，设待测管材的末端到用于固定待测管材的圆形卡箍之间距离为L₀，则L₀值取为待测管材直径的2～5倍。

本发明中，设待测管材两端卡箍之间的距离为L₁，为在管材中段进行疲劳加载时减小两端卡箍对待测管材的挤压作用，避免待测管材在两端卡箍约束处发生破坏，L₁值取为待测管材直径的4～10倍。

本发明中，设卡箍圆面最低点到悬吊柱底端的距离为L₂，为使卡箍能够自由旋转，L₂值应不小于1.5倍的待测管材直径。

本发明中，所述内压加载装置包括水泵和控制器，控制器通过电缆与水泵相连，水泵通过软管与待测管材端部的密封装置相连。

本发明中，所述弯曲加载装置的加载机构是电机或液压设备。

本发明中，所述的桁架具有如下结构中的一种：桁架横跨于恒温水槽的上方且与承载梁形成十字结构；或者桁架跨越恒温水槽长度方向设置，承重梁与桁架合为一体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

可以在不同温度下，对管道同时提供内压载荷与弯曲静载荷或弯曲疲劳载荷的复杂载荷，实现聚烯烃及其复合管在多载荷耦合作用下的力学行为或安全性能测试。

为提高承载机构的刚度与稳定性，本发明中采用的桁架与承载梁构成十字结构，当恒温水槽较短时可采取一种结构更为简单的承载梁设计方案，仅在水槽长度方向设置单一桁架而起到悬挂试验管材的作用。

附图说明

图1为本发明中内压-弯曲载荷试验机的整体示意图。

图2为本发明中内压-弯曲载荷试验机的正视示意图。

图3为图2中I处局部放大图。

图4为悬吊柱底端的悬吊臂与卡箍组合后的示意图。

图5为为悬吊柱底端的悬吊臂的结构示意图。

图6为固定待测管材用的卡箍上半部分结构示意图。

图7为固定待测管材用的卡箍装配示意图。

图8为悬吊臂与卡箍组合后正视示意图。

图9为单一桁架结构的整体示意图。

图中的附图标记为：1密封装置；2管材；3水槽；4悬吊柱；5桁架；6内压加载装置；7卡箍；8紧固螺栓；9销钉；10销孔；11悬吊臂。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明的聚烯烃及其复合管内压-弯曲载荷试验机作进一步详细描述：

该装置包括用于维持待测管材2内部水压的内压加载装置6，以及弯曲加载装置；待测管材2的两端设密封装置1，所述内压加载装置6与其中一端的密封装置1相连；所述内压加载装置6包括水泵和控制器，控制器通过电缆与水泵相连，水泵通过软管与待测管材2端部的密封装置1相连。这是因为，在待测管材2进行试验时，待测管材2内还应保持一定的内压。内压加载装置6中的控制器可控制内压大小并实时记录内压变化。

该装置还包括桁架5和恒温水槽3，桁架5的承载梁位于恒温水槽3上方且与其平行；承载梁的两端分别装有一根竖直向下的悬吊柱4，在悬吊柱4底端各设有一个用于固定待测管材2的圆形卡箍7，卡箍7圆心的连接线与两悬吊柱4的轴线相互垂直且共面；在两端悬吊柱4之间的承载梁上还设有一根竖直向下的中间悬吊柱4，三根悬吊柱4的轴线共面，且中间悬吊柱4与两端悬吊柱4之间的距离相等；中间悬吊柱4的底端安装有圆形卡箍7；三个卡箍7的圆心共线、圆面相互平行；弯曲加载装置包括加载机构和传动装置，传动装置安装在桁架5上；中间悬吊柱4的卡箍7通过杆件、传动装置与加载机构相连，加载机构提供动力使卡箍7带动待测管件实现竖直方向往复运动，该加载机构可以是电机或液压设备。所述杆件中装有载荷测量装置，用于测得施加的力载荷或位移载荷；加载机构还连接一个控制器，通过对弯曲加载装置的控制来调节载荷的大小和加载速率，并在试验过程中实时记录管材2中段承受的力与发生的位移。

在两端悬吊柱4的底端相对设置两个向下凸出的悬吊臂11，其内侧各设一个三角支撑架；每个悬吊臂11的端部均开设一个销孔10，两个销孔10具有相同的内径，其圆心共线且圆面相互平行；在所述用于固定待测管材2的圆形卡箍7两侧分设固定件，其两个端面之间的距离小于两悬吊臂11内侧的间距；卡箍7固定件的两个端面上设共轴的销孔10，其内径与悬吊臂11端部销孔10的内径相同，并通过销钉9实现在悬吊臂11端部的安装；圆形卡箍7的结构分为上下两部分，两部分的结构完全相同且关于分割面对称；在卡箍7两侧的固定端还贯设竖向的螺栓孔，并通过固定螺栓实现卡箍7及销钉9的紧固。

当圆形卡箍7的上下两部分闭合后，待测管材2被固定于卡箍7内，而两支卡箍7可在其圆心所连轴线与两竖直悬吊柱4轴线所确定的平面内转动。两支卡箍7可以拆卸，而两根悬吊柱4之间的距离也可以调节，以适应不同直径管材2的试验要求。卡箍7能够以销钉9为转轴进行旋转。两支销钉9上都有螺栓孔，销钉9的螺栓孔与卡箍7两侧螺栓孔对准，之后插入紧固螺栓8，紧固螺栓8有两个作用：一是使卡箍7上下两部分相互压紧，装配成一体；二是使装配闭合的卡箍7与销钉9连接为一体，从而使卡箍7在试验中能够以销钉9为轴进行旋转。

设卡箍7圆面最低点到悬吊柱4底端的距离为L₂，为使卡箍7能够自由旋转，L₂值应不小于1.5倍的待测管材2直径。

为确保管材2两端的密封装置1在试验过程中能始终保持密封性，管材2端部应保持一定的长度。为确保管材2两端的密封装置1在试验过程中能始终保持密封性，管材2端部应保持一定的长度，即管材2端头与管材2端部卡箍7的距离L₀应保持某一较大值，但若L₀值过大，则弯曲试验进行时管材2端头可能发生较大幅度的振动摇摆，同样可能引起密封性能下降。建议L₀值取为试验管材2直径的2～5倍。令待测管材2两端卡箍7之间的距离为L₁，为在管材2中段进行疲劳加载时减小两端卡箍7对待测管材2的挤压作用，避免待测管材2在两端卡箍7约束处发生破坏，L₁值取为待测管材2直径的4～10倍。

下面以DN200的钢丝缠绕复合管为例对本发明进行具体说明。

DN200管材取长度为2000mm，如图2所示，卡箍7与管材2端头距离L₀为400mm，卡箍7的内径与管材2相同为200mm，卡箍7厚度为10mm，两端卡箍7约束处相距L₁=1200mm。如图3所示，卡箍7与悬吊柱4通过铰链连接，卡箍7可在其圆面轴线与悬吊柱4轴线所确定的平面内转动。所述水槽3长度取为2400mm，宽度取为400mm，高度取为1000mm。

将DN200管材放于卡箍7内，闭合卡箍7的销孔10与悬吊臂11的销孔10对准，之后插入销钉9，两支销钉9上都有螺栓孔，之后插入紧固螺栓8。

然后就可以按照不同工作需求，采用不同恒定温度环境，对DN200管材进行弯曲静载荷或弯曲疲劳载荷与内压载荷的安全性能测试。

以上实例中以十字型桁架承载结构为例进行了说明，但本专利同样适用于其他桁架结构。当试验管材长度较短时可仅在水槽长度方向设置单一桁架而起到悬挂试验管材的作用，如图9所示。

Claims (8)

1.聚烯烃管及聚烯烃复合管内压-弯曲载荷测试装置，包括用于维持待测管材内部水压的内压加载装置，以及弯曲加载装置；其特征在于，待测管材的两端设密封装置，所述内压加载装置与其中一端的密封装置相连；该试验机还包括桁架和恒温水槽，桁架的承载梁位于恒温水槽上方且与其平行；承载梁的两端分别装有一根竖直向下的悬吊柱，在悬吊柱底端各设有一个用于固定待测管材的圆形卡箍，卡箍圆心的连接线与两悬吊柱的轴线相互垂直且共面；在两端悬吊柱之间的承载梁上还设有一根竖直向下的中间悬吊柱，三根悬吊柱的轴线共面，且中间悬吊柱与两端悬吊柱之间的距离相等；中间悬吊柱的底端安装有圆形卡箍；三个卡箍的圆心共线、圆面相互平行；弯曲加载装置包括加载机构和传动装置，传动装置安装在桁架上；中间悬吊柱的卡箍通过杆件、传动装置与加载机构相连，加载机构提供动力使卡箍带动待测管件实现竖直方向往复运动；所述杆件中装有载荷测量装置，用于测得施加的力载荷或位移载荷；加载机构还连接一个控制器，通过对弯曲加载装置的控制来调节载荷的大小和加载速率，并在试验过程中实时记录管材中段承受的力与发生的位移。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在两端悬吊柱的底端相对设置两个向下凸出的悬吊臂，其内侧各设一个三角支撑架；每个悬吊臂的端部均开设一个销孔，两个销孔具有相同的内径，其圆心共线且圆面相互平行；在所述用于固定待测管材的圆形卡箍两侧分设固定件，其两个端面之间的距离小于两悬吊臂内侧的间距；卡箍固定件的两个端面上设共轴的销孔，其内径与悬吊臂端部销孔的内径相同，并通过销钉实现在悬吊臂端部的安装；圆形卡箍的结构分为上下两部分，两部分的结构完全相同且关于分割面对称；在卡箍两侧的固定端还贯设竖向的螺栓孔，并通过固定螺栓实现卡箍及销钉的紧固。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，设卡箍圆面最低点到悬吊柱底端的距离为L₂，为使卡箍能够自由旋转，L₂值应不小于1.5倍的待测管材直径。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，设待测管材的末端到用于固定待测管材的圆形卡箍之间距离为L₀，则L₀值取为待测管材直径的2～5倍。

5.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，设待测管材两端卡箍之间的距离为L₁，为在管材中段进行疲劳加载时减小两端卡箍对待测管材的挤压作用，避免待测管材在两端卡箍约束处发生破坏，L₁值取为待测管材直径的4～10倍。

6.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述内压加载装置包括水泵和控制器，控制器通过电缆与水泵相连，水泵通过软管与待测管材端部的密封装置相连。

7.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述弯曲加载装置的加载机构是电机或液压设备。

8.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述的桁架具有如下结构中的一种：桁架横跨于恒温水槽的上方且与承载梁形成十字结构；或者桁架跨越恒温水槽长度方向设置，承重梁与桁架合为一体。

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