CN104316412A - 一种多功能加载管道整体屈曲实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能加载管道整体屈曲实验系统，包括：自平衡反力架(1)，机械加载装置(2)；多功能加载块(3)；管道引导块(4)；液体循环装置(5)和控制器(6)。其中的液体循环装置(5)包括原料罐(5a)，进料泵(5b)，预热器(5c)和背压阀(5d)；所述的原料罐(5a)里的液体通过进料泵(5b)和循环管路被泵入管道(7)，在循环管路上设置有预热器(5c)和背压阀(5d)；所述的控制器(6)用于控制进料泵(5b)和预热器(5c)；在多功能加载块(3)及固定块(9b)与管道(7)后端相连的位置均设置有排气阀门(9c)。本发明可以实现管道温度、压力以及力加载，能够比较各加载方式的异同。

Description

一种多功能加载管道整体屈曲实验系统

技术领域

本发明属于结构工程领域，涉及一种管道整体屈曲实验系统。

背景技术

海底管道是深海石油开采的重要组成部分。为了确保开采原油能够正常输送至海岸或储存设备，原油必须以很高的温度和压力进行运输。同时，限于深海作业条件，深海输油管道往往只能直接铺设在海床之上，不易进行掩埋。因此，深海管道整体屈曲问题更加显著。特别是深海输油管道多为多层复合管道，如管中管、集束管道等等，这些管道的整体屈曲特性缺少系统研究，往往是等效为单层管道进行分析，这显然是不符合实际的。

已有的海底管道整体屈曲实验装置，具有单一加载功能，比如机械加载方式，仅能够使用某些种类管道，如单层管道。通过在管道一端施加轴向位移模拟轴向压力，产生屈曲。这显然与海底管道因高温高压产生整体屈曲的机理不相符，因此需要提供一套具有多功能加载功能(温度、压力以及力三种加载方式)的，能够使用各类管道(单层管道、管中管以及集束管道等)的整体屈曲实验装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种多功能加载管道整体屈曲实验装置。本发明的技术方案如下：

一种多功能加载管道整体屈曲实验系统，用于对管道(7)进行测试，包括：自平衡反力架(1)，机械加载装置(2)；多功能加载块(3)；管道引导块(4)；液体循环装置(5)，控制器(6)，其中，

在自平衡反力架(1)的前端固定有加载端滑轨(1a)；所述的多功能加载块(3)包括置于加载端滑轨(1a)可滑动底座(3a)、固定在可滑动底座(3a)的加载块(3b)，在加载块(3b)的前部开设有长螺栓接口(3e)，其后部开设有管道接口(3f)；

所述的机械加载装置(2)包括机械加载底座(2a)、固定在机械加载底座(2a)上的螺母(2b)和长螺栓(2c)，所述的管道引导块(4)包括引导块底座(4a)和固定在引导块底座(4a)上的引导片(4b)，所述的机械加载底座(2a)和引导块底座(4a)分别在加载端滑轨(1a)的前端和后端；机械加载装置(2)的长螺栓(2c)一端固定有转盘(2d)，另一端穿过所述的螺母(2b)后进入所述的长螺栓接口(3e)；所述的管道(7)的前端穿过引导片(4b)后连接到所述的管道接口(3f)处；

在所述的自平衡反力架(1)的后端固定有出口固定端底座(9a)上设置有固定块(9b)，管道(7)的后端固定在所述的固定块(9b)上；

所述的管道液体循环装置(5)包括原料罐(5a)，进料泵(5b)，预热器(5c)和背压阀(5d)；所述的原料罐(5a)里的液体通过进料泵(5b)和循环管路被泵入管道(7)，在循环管路上设置有预热器(5c)和背压阀(5d)；所述的控制器(6)用于控制进料泵(5b)和预热器(5c)；在多功能加载块(3)上设置有与所述的管道(7)前端相连的排气口(3g)，在排气口(3g)处设置有排气阀门(3c)；在固定块(9b)与管道(7)后端相连的位置设置有排气阀门(9c)；

在管道(7)上分布有力传感器(12a)和温度传感器(12b)，分别用于测量管道(7)的轴力和温度。

作为优选实施方式，在自平衡反力架(1)的两侧分别固定有侧向支撑滑轨(1b)，在两侧的侧向支撑滑轨(1b)上对称分布有多对侧向支撑(8)，每个侧向支撑(8)包括通过滑块和紧固螺栓固定在侧向支撑滑轨(1b)上的可动底座(8a)，长圆钢(8b)，螺母(8c)和挡板(8d)，长圆钢(8b)放置在可动底座(8a)开口中，长圆钢(8b)紧固于确保挡板(8d)刚好碰到管道(7)而不至于对管道(7)施加侧向力的位置。

本发明提供了一套完整的液体循环系统以及机械加载系统，可以实现管道温度、压力以及力加载，能够比较各加载方式的异同；还可以适应不同类型的管道形式，不仅适用于单层管道，还适用于研究管中管、集束管道等整体屈曲现象。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明专利的实施技术方案，下面对实施例将要使用的附图进行说明，显然，下述附图仅是本发明专利的一些实施方案，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发展其他实施方案。

图1是本发明专利多功能加载管道整体屈曲实验装置的平面组成示意图；

图2是本发明专利多功能加载管道整体屈曲实验装置的自平衡反力架轴测图；

图2a是本发明专利多功能加载管道整体屈曲实验装置的自平衡反力架加载端轴测图；

图2b是本发明专利多功能加载管道整体屈曲实验装置的自平衡反力架固定端轴测图；

图3是本发明专利多功能加载管道整体屈曲实验装置的多功能加载块分解示意图；

图4是本发明专利多功能加载管道整体屈曲实验装置的侧向支撑轴测图；

图5是本发明专利多功能加载管道整体屈曲实验装置的管道应变片及热电偶布置示意图。

其中，

1是自平衡反力架，1a是加载端滑轨，1b是侧向支撑滑轨，1c是固定端滑轨；

2是机械加载装置，2a是底座，2b是螺母，2c是长螺栓，2d是转盘；

3是多功能加载块，3a是可滑动底座，3b是加载块，3c是排气阀门，3d是液体进口，3e是长螺栓接口，3f是管道接口，3g是排气口；

4是管道引导块，4a是引导块底座，4b是引导钢片；

5是液体循环装置，5a是原料罐，5b是进料泵，5c是预热器，5d是背压阀，5e是流入管道，5f是流出管道；

6是温、压控制器；

7是管道，7a是管道测试段，7b是管道试验段；

8是侧向约束，8a是可动底座，8b是长圆钢，8c是螺母，8d是挡板；

9是出口固定端，9a是底座，9b是固定块，9c是排气阀门；

10是滑块；

11是紧固螺栓；

12是监测仪器，12a是应变片，12b是热电偶。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明专利实施技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述的施例仅是本发明专利的一部分施例，而非全部施例。基于本发明专利中的施例，本领域普通技术人员在没有做出创新性劳动的前提下所获得的所有其他施例，都属于本发明专利保护的范围。

实施方式一

普通机械加载方式。若采用普通机械加载方式，则不需要液体循环装置5以及温、压控制装置6参与试验。如图1-2所示，本发明专利实施例提出的普通机械加载管道整体屈曲模拟试验装置，其包括自平衡反力架1，机械加载装置2，多功能加载块3，管道引导块4，管道7，侧向约束8，出口固定块9等。首先，利用滑块10和紧固螺栓11将底座2a、可滑动底座3a、引导块底座4a以及底座9a固定。机械加载装置2的长螺杆2c穿过螺母2b连接于加载块3b的长螺杆接口3e。管道7一端穿过管道引导块4连接加载块3b(如图3)的管道接口3f，将管道另一端插入固定块9b。然后利用紧固螺栓11将引导钢片4b固定于引导块底座4a。将排气阀门3c连接于排气口3g。

将侧向支撑8安装于侧向支撑滑轨1b，如图4所示，所述的侧向支撑8包括可动底座8a，长圆钢8b，螺母8c，挡板8d。可动底座8a通过滑块10和紧固螺栓11等间距的固定于侧向支撑1b之上，将长圆钢8b放置在底座8a开口中，调整长圆钢8b位置保证挡板8d刚好碰到管道7而不至于对管道7施加侧向力。利用螺母8c紧固长圆钢8b。

管道测试段7a和管道试验段7b等间距布置应变片12a用于监测管道轴力，如图5。

至此，试验设备调试完成。

轴向加载前，松开用于固定多功能加载块3的紧固螺栓11，确保多功能加载块3能够沿着加载端滑轨1a轴向滑动。转动机械加载装置2的转盘2d，使长螺栓2c通过螺母2b向内顶入，对管道7施加轴向力，管道试验段7b发生整体屈曲。

此外，管道试验段7b长度是可以调节的。松开出口固定端9的紧固螺栓11，沿着固定端滑轨1c滑动，待滑动至设计位置，通过紧固螺栓11紧固出口固定端9即可。

对于某些试验，侧向约束8不是必须的。

管道试验段7b下方可以填土，用于模拟实际管土作用，或放置其他形态刚性板，用于模拟各种地势的刚性海床面。

上述管道试验段7b可以是单层管道、管中管管道、复合管道以及集束管道等，上述的管道测试段7a可以是单层管道、管中管管道的内管、复合管道的内管以及集束管道的内管。

实施方式二

温、压加载方式。如图1-2所示，本发明专利实施例提出的温、压加载管道整体屈曲模拟试验装置，其包括自平衡反力架1，机械加载装置2，多功能加载块3，管道引导块4，液体循环装置5，温、压控制器6，管道7，侧向约束8，出口固定块9等。实验装置基本组装过程同实施方式一，只需将液体循环装置5和温压控制器6接入自平衡反力架1，将流入管道5e接入加载块3b的液体进口3d，将流出管道5f接入固定块9b。

所述的体液循环装置5包括：5a是原料罐，5b是进料泵，5c是预热器，5d是背压阀，5e是流入管道，5f是流出管道。如图1所示，将原料罐5a、进料泵5b、预热器5c、温、压控制器6、流入管道5e、加载块3b、管道7、固定块9b、流出管道5f以及背压阀5d依次连接，形成闭合回路。

打开排气阀门3c和9c，通过温、压控制器6启动进料泵5b和预热器5c，此时原料泵5b中液体开始在闭合回路中流动，回路中气体会从排气阀门3c和9c中排出。然后关闭排气阀门3c和9c，此时回路中被液体充满，无气体。通过滑块10和紧固螺栓11固定多功能加载块2。

管道测试段7a和管道试验段7b等间距布置应变片12a和热电偶12b用于监测管道轴力以及温度，如图5。

至此，试验设备调试完成。

加载时，通过温、压控制器6控制管道7内液体温度和内压，通过应变片12a和热电偶12b实时监测管道7内力和温度。

实施方式三

温、压、机械混合加载方式。如图1-2所示，本发明专利实施例提出的温、压、机械加载管道整体屈曲模拟试验装置，其包括自平衡反力架1，机械加载装置2，多功能加载块3，管道引导块4，液体循环装置5，温、压控制器6，管道7，侧向约束8，出口固定块9等。实验装置基本组装过程同实施方式二。

在通过温压控制器6进行温压加载之前，首先松开用于固定多功能加载块3的紧固螺栓11，确保多功能加载块3能够沿着加载端滑轨1a轴向滑动。转动机械加载装置2的转盘2d，使长螺栓2c通过螺母2b向内顶入，对管道7施加预轴力。机械加载完成后，通过滑块10和紧固螺栓11固定多功能加载块3。通过温压控制器6启动管道7内液体循环，对管道施加温压荷载。

Claims (2)

1.一种多功能加载管道整体屈曲实验系统，用于对管道(7)进行测试，包括：自平衡反力架(1)，机械加载装置(2)，多功能加载块(3)，管道引导块(4)，液体循环装置(5)，控制器(6)，其中，

在自平衡反力架(1)的前端固定有加载端滑轨(1a)；所述的多功能加载块(3)包括置于加载端滑轨(1a)可滑动底座(3a)、固定在可滑动底座(3a)的加载块(3b)，在加载块(3b)的前部开设有长螺栓接口(3e)，其后部开设有管道接口(3f)；

所述的机械加载装置(2)包括机械加载底座(2a)、固定在机械加载底座(2a)上的螺母(2b)和长螺栓(2c)，所述的管道引导块(4)包括引导块底座(4a)和固定在引导块底座(4a)上的引导片(4b)，所述的机械加载底座(2a)和引导块底座(4a)分别在加载端滑轨(1a)的前端和后端；机械加载装置(2)的长螺栓(2c)一端固定有转盘(2d)，另一端穿过所述的螺母(2b)后进入所述的长螺栓接口(3e)；所述的管道(7)的前端穿过引导片(4b)后连接到所述的管道接口(3f)处；

在所述的自平衡反力架(1)的后端固定有出口固定端底座(9a)上设置有固定块(9b)，管道(7)的后端固定在所述的固定块(9b)上；

所述的管道液体循环装置(5)包括原料罐(5a)，进料泵(5b)，预热器(5c)和背压阀(5d)；所述的原料罐(5a)里的液体通过进料泵(5b)和循环管路被泵入管道(7)，在循环管路上设置有预热器(5c)和背压阀(5d)；所述的控制器(6)用于控制进料泵(5b)和预热器(5c)；在多功能加载块(3)上设置有与所述的管道(7)前端相连的排气口(3g)，在排气口(3g)处设置有排气阀门(3c)；在固定块(9b)与管道(7)后端相连的位置设置有排气阀门(9c)；

在管道(7)上分布有力传感器(12a)和温度传感器(12b)，分别用于测量管道(7)的轴力和温度。

2.根据权利要求1所述的种多功能加载管道整体屈曲实验系统，其特征在于，在自平衡反力架(1)的两侧分别固定有侧向支撑滑轨(1b)，在两侧的侧向支撑滑轨(1b)上对称分布有多对侧向支撑(8)，每个侧向支撑(8)包括通过滑块和紧固螺栓固定在侧向支撑滑轨(1b)上的可动底座(8a)，长圆钢(8b)，螺母(8c)和挡板(8d)，长圆钢(8b)放置在可动底座(8a)开口中，长圆钢(8b)紧固于确保挡板(8d)刚好碰到管道(7)而不至于对管道(7)施加侧向力的位置。