CN104181060B - 一种薄壁管件力学参数测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种薄壁管件力学参数测试方法及装置，其特点是：利用高压泵向外壁贴有应变片的薄壁管件缓慢充入高压液体，同时采用应变仪记录在加载和卸载过程中薄壁管件外壁的轴向和周向应变，并用最小二乘法对测试数据进行线性拟合，基于薄壁管件力学参数测定的力学原理及拟合得到的内压—轴向应变曲线和内压—周向应变曲线，准确获得薄壁管件的屈服强度、弹性模量、泊松比、抗内压屈服强度和抗内压爆裂强度。该装置结构简单，制造成本低，适用于对薄壁管件力学参数的测试和研究。

Description

一种薄壁管件力学参数测试方法及装置

技术领域

本发明涉及到薄壁管件力学参数的测试领域，具体是一种薄壁管件力学参数测试方法及装置。

背景技术

随着我国石油天然气勘探开发的不断深入，油气开采面临的环境越来越恶劣，特别是高酸性油气田的相继出现，使得各种薄壁管件在石油与天然气领域得到了广泛应用，如运输带有不同压力的油、气、水等液态化学平的双金属复合管(一种新型的防腐管件，它的内管为薄壁不锈钢管)，其性能的好坏直接影响到管线的输送安全及整体输送能力。当然，为确保不同工况下的安全并获得最大输送能力，薄壁管件的强度设计显得尤为重要，而薄壁管件的真实弹性模量、泊松比、屈服强度等力学参数是强度设计的关键。

针对常规厚壁管件的屈服强度、弹性模量、泊松比等力学参数，可按GB228-76国家标准在万能试验机上进行拉伸实验获得，然而，对于薄壁管件，因其壁厚太薄，在弹性变形阶段，圆弧形截面被拉成矩形平板，试件圆弧两侧与试件中心受力差别很大，使得试件发生非正常断裂，从而不能获得较好的应力－应变曲线；传统上是将其剖开、碾平，制备出拉伸试样后测试管件的拉伸力学性能，而在碾平的过程中会使得试样局部力学性能弱化，所以测得的数据就不能准确地代表管件的真实力学性能值。因此，采用常规拉伸试验法很难准确获取薄壁管材的力学性能参数(屈服强度、弹性模量、泊松比)。

另外，目前关于薄壁管腐蚀前后爆裂强度的理论和有限元研究，由于很难获得薄壁管的真实力学参数(屈服强度、弹性模量、泊松比)并考虑到真实管材的腐蚀类型(如腐蚀宽度、长度、深度、形状等)，只能凭借经验对其进行近似处理，从而其研究结果有待于验证和完善，因此，实验研究薄壁管材腐蚀前后的抗内压爆裂强度具有十分重要的工程和理论意义。

目前，针对薄壁管件力学参数及性能的研究，西北工业大学范娟等人提出了“薄壁管件周向力学性能测试装置及方法”，该装置及方法可通过理论计算与测试数据相结合的方法获得薄壁管件周向力学性能，其优点在于解决了薄壁管件主要力学性能的测试问题，可用于测试各种尺寸的薄壁管。然而，该测试装置及方法存在以下不足：

(1)需要额外通过机械式的方法确定锥形压头与管件之间的摩擦系数，且增加了管件力学参数的测试误差；

(2)需要额外通过拉伸实验测试管件的极限周向应力来确定加压装置的最大加载压力，而拉伸测试不能准确获得的极限周向应力；

(3)采用机械式方法不能稳定控制测试所需的外载荷，从而导致应变采集即不稳定也不够准确，另外，加载较快导致采集数据较少。

(4)该装置及方法不能准确测出薄壁管件的抗内压屈服强度和爆裂强度；

(5)该实验装置系统涉及到拉伸实验机和压力实验机等大型设备，从而导致测试系统和测试过程较复杂。

因此，发明一种能够稳定控制载荷、结构简单、精度高的薄壁管件力学参数测试方法及装置，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄壁管件力学参数测试方法及装置，以解决现有技术方法不能精确测量薄壁管件力学参数的难题，并在达到上述目的的同时，简化测试过程的复杂性，降低测试系统成本。

本发明采用以下技术方案：一种薄壁管件力学参数测试方法，其特征是：利用高压泵向外壁贴有应变片的薄壁管件缓慢充入高压液体，同时采用应变仪记录在加载和卸载过程中薄壁管件外壁的轴向和周向应变，并用最小二乘法对测试数据进行线性拟合，基于薄壁管件力学参数测定的力学原理及拟合得到的内压-应变曲线，计算得到薄壁管件的屈服强度、弹性模量、泊松比、抗内压屈服/爆裂强度，所述的薄壁管件力学参数测试方法包括以下步骤：

步骤1：基于理论推导确定薄壁管件力学参数测定的力学原理：

(1)屈服强度计算公式

式中：σ_y为薄壁管屈服强度，MPa，p_y为薄壁管内壁屈服时受到的内压(抗内压屈服强度)，MPa，k为薄壁管外径与内径之比。

(2)弹性模量计算公式

式中：k_εθp为卸载曲线ε_θ-p_i的斜率，p_i为薄壁管受到的内压，MPa，ε_θ为不同内压下测得的周向应变。

(3)泊松比计算公式

式中：k_εzp为卸载曲线ε_z-p_i的斜率，MPa^-1，ε_z为不同内压下测得的轴向应变。

步骤2：基于理论计算公式初步确定薄壁管件的抗内压屈服强度；

步骤3：试件准备；取一段薄壁管件(可为带有任何缺陷的薄壁管件)，在该管件外壁的中心位置每隔90度贴上应变片，将应变片与应变仪相连；然后将带有橡胶密封圈的密封塞置入到薄壁管件内，最后将准备好的试件固定于测试装置上；

步骤4：对薄壁管件施加内压；利用高压泵以缓慢的速度(实现准静态测试)对薄壁管施加内压(要求第一次施加的内压低于薄壁管的理论抗内压屈服强度)，第一次加载完停下来记录初始内压值并采用应变仪采集薄壁管件外壁的轴向和周向应变，第二次以增加0.5MPa的级差向薄壁管件施加内压，同样加载完停下来采集薄壁管件外壁的轴向和周向应变，以此类推，加载到设定值卸载回弹，同样卸载回弹也采取每次卸载0.5MPa的方法，停下来采集薄壁管件外壁的轴向和周向应变，直到内压为零；

步骤5：获取薄壁管抗内压爆裂强度；由步骤4可知，每次向薄壁管施加的内压增加0.5MPa，直到薄壁管发生爆裂，从而获得抗内压爆裂强度；

步骤6：获取轴向和周向应变与内压的关系曲线；根据不同内压下测得的轴向和周向应变数据，分别绘制轴向和周向应变与内压的关系曲线；

步骤7：获取轴向和周向应变卸载曲线的斜率及抗内压屈服强度；基于步骤6获得的轴向和周向应变与内压的关系曲线，结合材料力学理论获得薄壁管的抗内压屈服强度，并利用最小二乘法对轴向和周向应变的卸载曲线进行线性拟合，得到轴向和周向应变卸载曲线斜率；

步骤8：获取薄壁管件屈服强度、弹性模量、泊松比；将步骤7获得的薄壁管抗内压屈服强度代入公式(1)中计算得到薄壁管件屈服强度；将步骤7获得的轴向和周向应变卸载曲线斜率，分别代入公式(2)和公式(3)中计算得到弹性模量和泊松比。

为使用上述方法，本发明提供一种薄壁管件力学参数测试装置，主要包括：螺纹杆、螺栓、密封塞、刚性芯杆、橡胶密封圈、高压液入口、排气口、锥形爪柄、锥形爪柄套、圆形底座、应变片、应变仪，刚性芯杆两端通过螺纹连接带有橡胶密封圈的密封塞，并将刚性芯杆置入外壁贴有应变片的薄壁管件，实现对薄壁管件的密封，密封塞与薄壁管件为小间隙配合，用锥形爪柄将薄壁管件固定于上下圆形底座；密封塞一端为高压液入口，一端为排气口。

所述螺纹杆和螺栓均为4根，分别以90度的间隔均匀分布在圆形底座和锥形爪柄套上，其中螺纹杆用于固定上下圆形底座，螺栓用于固定锥形爪柄和锥形爪柄套于圆形底座。

所述刚性芯杆主要起到防止附加轴向拉应力传递到薄壁管件及减小加压过程所需充液量的作用；锥形爪柄与锥形爪柄套为圆锥面接触，起到牢牢固定薄壁管件与圆形底座上。

与现有测试方法及装置相比，本发明具有以下优点：

(1)利用液压式方法控制薄壁管件测试所需的内压，能够实现内压缓慢而稳定地增加，使得采集数据充足且稳定；

(2)基于力学参数测定力力学原理及最小二乘法对卸载曲线的拟合处理，该方法能准确测得薄壁管件的弹性模量和泊松比；

(3)该装置及方法能准确测出薄壁管件的抗内压屈服强度和爆裂强度；为薄壁管腐蚀前后抗内压屈服和爆裂强度的理论研究和工程设计与应用提供重要的依据。

(4)该实验装置系统不涉及其它大型设备的使用，故其测试系统和测试过程简单。

附图说明

图1为测试装置示意图之主视图。

图2为薄壁管件截面的剖视图。

图3为圆形底座俯视图。

图4为不锈钢管材力学参数的测量值。

图5为轴向和周向应变与内压的关系曲线。

具体实施方式

本实施例是一种测试的201不锈钢管(薄壁管件)力学参数的测试方法。

本发明利用高压泵向外壁贴有应变片的薄壁管件缓慢充入高压液体，同时采用应变仪记录在加载和卸载过程中薄壁管件外壁的轴向和周向应变，并用最小二乘法对测试数据进行线性拟合，基于薄壁管件力学参数测定的力学原理及拟合得到的内压-应变曲线，计算得到薄壁管件的屈服强度、弹性模量、泊松比、抗内压屈服/爆裂强度。

为使用上述方法，本发明提供一种薄壁管件力学参数测试装置，主要包括：螺纹杆5、螺栓8、密封塞2、刚性芯杆7、橡胶密封圈9、高压液入口10、排气口1、锥形爪柄3、锥形爪柄套4、圆形底座6、应变片12、应变仪13，刚性芯杆7两端通过螺纹连接带有橡胶密封圈9的密封塞2，并将刚性芯杆置入外壁贴有应变片12的薄壁管件11，实现对薄壁管件11的密封，密封塞2与薄壁管件11为小间隙配合，用锥形爪柄3将薄壁管件11固定于上下圆形底座6；密封塞2一端为高压液入口10，一端为排气口1。

所述螺纹杆5和螺栓8均为4根，分别以90度的间隔均匀分布于圆形底座6和锥形爪柄套4，其中螺纹杆5用于固定上下圆形底座6，螺栓8用来固定锥形爪柄3和锥形爪柄套4于圆形底座6。

所述刚性芯杆7主要起到防止附加轴向拉应力传递到薄壁管件11及减小加压过程所需充液量的作用；锥形爪柄3与锥形爪柄套4为圆锥面接触，起到牢牢固定薄壁管件11于圆形底座6的作用。

利用本发明提供的测试方法及装置对201不锈钢管(薄壁管件)的力学参数进行测试，试件数量为2个，具体测试过程包括以下步骤：

步骤1：基于理论计算公式初步确定201不锈钢管11的抗内压屈服强度；

步骤2：试件准备；取两段不锈钢管11，在该管件外壁的中心位置每隔90度贴上应变片12，将应变片12与应变仪13相连；置入带有橡胶密封圈9的密封塞2到不锈钢管11内，最后将准备好的试件固定于测试装置上；

步骤3：对不锈钢管11施加内压；利用高压泵以缓慢的速度(实现准静态测试)对不锈钢管11施加内压(第一次施加的内压低于不锈钢管11的理论抗内压屈服强度)，第一次加载完停下来记录初始内压值并采用应变仪13采集不锈钢管11外壁的轴向和周向应变，第二次以增加0.5MPa的级差向不锈钢管11施加内压，同样加载完停下来采集不锈钢管11外壁的轴向和周向应变，以此类推，加载到设定值卸载回弹；同理，卸载回弹也采取每次卸载0.5Mpa并停下来采集不锈钢管11外壁的轴向和周向应变的方法，直到内压卸为零；

步骤4：获取不锈钢管11抗内压爆裂强度；由步骤4可知，每次向不锈钢管11施加的内压增加0.5MPa，直到不锈钢管11发生爆裂，从而获得抗内压爆裂强度，见图4；

步骤5：获取轴向和周向应变与内压的关系曲线；根据不同内压下测得的轴向和周向应变数据，分别绘制轴向和周向应变与内压的关系曲线，见图5；

步骤6：获取轴向和周向应变卸载曲线的斜率及抗内压屈服强度；基于步骤5获得的轴向和周向应变与内压的关系曲线，结合材料力学理论获得不锈钢管11的抗内压屈服强度，见图4，并利用最小二乘法对轴向和周向应变的卸载曲线进行线性拟合，得到轴向和周向应变卸载曲线斜率，见图4；

步骤7：获取薄壁管件11屈服强度、弹性模量、泊松比；将步骤6获得的抗内压屈服强度代入公式(1)中计算得到薄壁管件11屈服强度；将步骤6获得的轴向和周向应变卸载曲线斜率，分别代入公式(2)和公式(3)中计算得到弹性模量和泊松比，如图4所示。

Claims (4)

1.一种薄壁管件力学参数测试方法，其特征在于，所述的薄壁管件力学参数测试方法包括以下步骤：

步骤1：基于理论计算公式初步确定薄壁管件(11)的抗内压屈服强度；

步骤2：试件准备；取一段薄壁管件(11)，在该管件外壁的中心位置每隔90度贴上应变片(12)，将应变片(12)与应变仪(13)相连；置入带有橡胶密封圈(9)的密封塞(2)到薄壁管件(11)内，最后将准备好的试件固定于测试装置上；

步骤3：对薄壁管件(11)施加内压；为实现准静态测试，利用高压泵以缓慢的速度对薄壁管件(11)施加内压，要求第一次施加的内压低于薄壁管件(11)的理论抗内压屈服强度，第一次加载完停下来记录初始内压值并采用应变仪(13)采集薄壁管件(11)外壁的轴向和周向应变，第二次以增加0.5MPa的级差向薄壁管件(11)施加内压，同样加载完停下来采集薄壁管件(11)外壁的轴向和周向应变，以此类推，加载到设定值卸载回弹；同理，卸载回弹也采取每次卸载0.5MPa并停下来采集薄壁管件(11)外壁的轴向和周向应变的方法，直到内压卸为零；

步骤4：获取薄壁管件(11)抗内压爆裂强度；由步骤4可知，每次向薄壁管件(11)施加的内压增加0.5MPa，直到薄壁管件(11)发生爆裂，从而获得抗内压爆裂强度；

步骤5：获取轴向和周向应变与内压的关系曲线；根据不同内压下测得的轴向和周向应变数据，分别绘制轴向和周向应变与内压的关系曲线；

步骤6：获取轴向和周向应变卸载曲线的斜率及抗内压屈服强度；基于步骤5获得的轴向和周向应变与内压的关系曲线，结合材料力学理论获得薄壁管件(11)的抗内压屈服强度，并利用最小二乘法对轴向和周向应变的卸载曲线进行线性拟合，得到轴向和周向应变卸载曲线斜率；

步骤7：获取薄壁管件(11)屈服强度、弹性模量、泊松比；将步骤6获得的抗内压屈服强度代入公式(1)中计算得到薄壁管件(11)屈服强度；

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{p_y}{\ln k}---\left(1\right)$

式中：σ_y为薄壁管件(11)屈服强度，p_y为薄壁管件(11)内壁屈服时受到的内压，即抗内压屈服强度，k为薄壁管件(11)外径与内径之比；

步骤8：将步骤6获得的轴向和周向应变卸载曲线斜率，分别代入公式(2)和公式(3)中计算得到弹性模量和泊松比；

$E_i=\frac{1}{k_{\mathrm{\ϵ}\mathrm{\θ}p}}\frac{1}{\ln k}---\left(2\right)$

式中：k_εθp为卸载曲线ε_θ-p_i的斜率，p_i为薄壁管件(11)受到的内压，ε_θ为不同内压下测得的周向应变；

${\mathrm{\μ}}_i=-\frac{k_{\mathrm{\ϵ}zp}}{k_{\mathrm{\ϵ}\mathrm{\θ}p}}\frac{k^2-1}{\ln k}---\left(3\right)$

式中：k_εzp为卸载曲线ε_z-p_i的斜率，ε_z为不同内压下测得的轴向应变。

2.一种为权利要求1所述的方法使用的薄壁管件力学参数测试装置，其特征在于：装置主要包括：螺纹杆(5)、螺栓(8)、密封塞(2)、刚性芯杆(7)、橡胶密封圈(9)、高压液入口(10)、排气口(1)、锥形爪柄(3)、锥形爪柄套(4)、圆形底座(6)、应变片(12)、应变仪(13)，刚性芯杆(7)两端通过螺纹连接带有橡胶密封圈(9)的密封塞(2)，并将刚性芯杆(7)置入外壁贴有应变片(12)的薄壁管件(11)，实现对薄壁管件(11)的密封，密封塞(2)与薄壁管件(11)为小间隙配合，用锥形爪柄(3)将薄壁管件(11)固定于上下圆形底座(6)；密封塞(2)一端为高压液入口(10)，一端为排气口(1)。

3.根据权利要求2所述的一种薄壁管件力学参数测试装置，其特征在于：螺纹杆(5)和螺栓(8)均为4根，分别以90度的间隔均匀分布于圆形底座(6)和锥形爪柄套(4)，其中螺纹杆(5)用于固定上下圆形底座(6)，螺栓(8)用来固定锥形爪柄(3)和锥形爪柄套(4)于圆形底座(6)。

4.根据权利要求2所述的一种薄壁管件力学参数测试装置，其特征在于：刚性芯杆(7)主要起到防止附加轴向拉应力传递到薄壁管件(11)及减小加压过程所需充液量的作用；锥形爪柄(3)与锥形爪柄套(4)为圆锥面接触，起到牢牢固定薄壁管件(11)于圆形底座(6)的作用。