CN104614141A - 一种高压管道甩击装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压管道甩击装置，具体涉及一种压力管道在内部高压气体外泄反冲作用下甩动撞击另一管道的动态试验测试装置，属于动力学试验技术领域。该装置包括主动管、从动管、支承装置、空气压缩机、释放装置、测量装置，其中支承装置包括槽钢平台、主动管固定支座、夹具、螺栓、轴承、辊轴、从动管固定支座，测量装置由高速摄像仪、应变片、动态应变仪、示波器、激光测速器组成，高压电磁阀释放高压空气进入主动管并在其自由端喷出，由于反冲作用力使释放装置解锁释放，主动管随即甩动并撞向从动管，测量装置实时记录撞击过程。<b/>

Description

一种高压管道甩击装置

技术领域

本发明涉及一种高压管道甩击装置，具体涉及一种压力管道在内部高压气体外泄反冲作用下甩动撞击另一管道的动态试验测试装置，属于动力学试验技术领域。

背景技术

管道广泛运用于核电站、石油化工、煤气及民用建筑等重要产业部门，负责大量输送高能量（高温、高压）液体和气体，压力管网已构成这些产业部门的动脉。然而由于各种意外事故，物体撞击或爆炸后产生的碎片冲击，使压力管道局部发生破裂，会造成内部高压的液体或气体外泄。小范围高压液体或气体外漏可能会造成环境污染，大范围泄漏甚至会产生爆炸和火灾，造成生命财产的巨大损失。管道断裂后的连锁反应一方面是由于泄漏液体或气体发生爆炸或火灾引起更大范围的破坏，另一方面管道断裂后在其内部压力释放过程中产生较大反冲作用力使管道发生甩动，从而撞击周围管道，引发其他管道的二次破坏，造成更大范围地灾难。可见，高压管道受侧向冲击破坏及其断裂后在高压气体或流体反冲作用下的甩动后撞击其他管道的连续动力响应的研究，对于安全生产有着十分重要的工程背景，管道甩击方面的研究也成为工程界与力学界的研究热点之一。

随着广大学者的多年研究，管道甩击的塑性动力响应的研究已经取得了一些进展，其中大部分研究着眼于圆管在子弹及落锤冲击作用下的动态响应，而对于管道甩击方面主要从理论与有限元仿真方面进行了一些研究，实验方面的研究少之又少。同时管道甩击问题中仍有很多问题值得探讨，如圆管甩动时局部凹陷的发展及其影响，高压管道甩击对周围管道的破坏程度等。由于在该问题中，两个变形体之间的碰撞将带来很多的耦合效应，使得分析更加复杂并可能出现一些特殊现象。而且管道与管道之间的撞击问题又是一个非常有实际应用前景的研究方向，因此有必要研制一套更符合实际的压力管道甩击相邻管道的动态测试装置，进一步对压力管道甩动中可能发生的冲击动力学问题进行研究，分析压力管道甩动撞击圆管的动力特征，研究压力管道甩击的破坏程度及连锁反应，从而有效避免压力管道甩击事故的发生或减缓其造成的损失。

发明内容

本发明目的是提供一种高压管道甩击装置，对高压管道断裂后甩动过程中可能发生的管与管的相撞现象进行模拟以及实时监测，为压力管道甩击的动力响应研究提供实验条件，以有效评估压力管道甩动的破坏效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高压管道甩击装置，包括主动管、从动管、支承装置、空气压缩机、释放装置、测量装置，其特征在于：所述主动管两端分别连接支承装置与释放装置，主动管为圆管，主动管与释放装置连接的端部设有直角喷头，空气压缩机一端与支承装置铰接，从动管两端通过支承装置固定，从动管与主动管呈正交，测量装置分散于主动管、从动管两侧；

所述支承装置包括槽钢平台、主动管固定支座、夹具、螺栓、轴承、辊轴、从动管固定支座、导轨；所述主动管端部设有辊轴，辊轴嵌入轴承中与主动管固定支座铰接；从动管两端通过夹具与螺栓固定在从动管固定支座上，主动管固定支座、从动管固定支座通过螺栓固定在槽钢平台上，槽钢平台上设有螺栓槽；导轨通过导轨支架和螺栓固定在槽钢平台上；

主动管铰支端连接空气压缩机，空气压缩机由高压电磁阀控制气体释放，主动管另一端通过释放装置连接导轨顶端；

所述释放装置包括弹簧、滚珠、内滑块、绳索、外套筒、中套筒，所述外套筒、中套筒为U型槽结构，外套筒、中套筒、内滑块从外到内相嵌并可以相对滑动，外套筒与中套筒顶部通过弹簧连接，中套筒与内滑块通过滚珠固定连接，两个滚珠分别位于中套筒两端中心位置，外套筒上端通过绳索连接导轨顶端，内滑块下端通过绳索连接主动管端部，外套筒内侧两端分别设有凹槽，凹槽位于中套筒滚珠下方；

所述测量装置包括高速摄像仪、应变片、动态应变仪、示波器、激光测速器，可分布于槽钢平台周围，用于记录撞击结果数据；其中激光测速器位于水平主动管两侧，与从动管上表面高度相同，用以记录撞击时主动管的冲击速度；高速摄像机位于从动管外侧，用以记录撞击过程从动管的变形情况；从动管中部上方及侧面均贴有应变片，应变片连接动态应变仪与示波器，可以测量破坏位置周围的应变，从而进一步分析破坏程度。

上述方案中，所述螺栓槽平行设置在槽钢平台上，且贯通槽钢平台，相邻螺栓槽之间的距离相等，能在任意位置处通过螺栓固定主动管旋转底座与从动管固定支座，从而实现不同的固定管跨距、主动管甩动半径等。

上述方案中，所述主动管两端分别焊接两个短圆柱作为辊轴，辊轴嵌入两个固定于主动管固定支座的圆柱轴承中实现铰接。

上述方案中，所述主动管与空气压缩机之间设有可弯塑料波纹管。

上述方案中，所述夹具为两块方形板，分别设置在固定支座的上方，夹具的两块方形板底部中心开有半圆形凹槽，固定支座上方与其对应设有半圆形凹槽分别夹持从动管两端或主动管两侧的轴承，方形板两侧设有螺栓孔，夹具通过螺栓固定于固定支座上。

本发明高压管道甩击的作用过程为：空气压缩机释放高压气体通过主动管从其自由端排出，高压气体的反冲作用触发释放装置，并使主动管绕其铰支端甩动，撞击与主动管正交的从动管，同时测量装置记录撞击过程相关数据。

此外，固定在槽钢平台上的主动管、从动管位置可调，可实现不同甩动半径，不同跨距管道的撞击过程，可研究不同情况下的撞击现象。

释放装置的作用过程为：当与主动管连接的绳索仅受到主动管的重力作用时，中套筒顶部的弹簧处于正常状态，滚珠位于外套筒凹槽的上方；当与主动管连接的绳索受力增大时，中套筒顶部的弹簧被拉伸，滚珠向下运动滑入外套筒凹槽内，内滑块下移，主动管被释放。释放装置内滑块下端绳索受力来自于：空气压缩机释放后的高压气体填充主动管，主动管端部装有直角喷头，实现气体侧向排出，从而产生侧向反冲作用使主动管甩动。

本发明的有益效果：

（1）本发明利用空气压缩机实现管道断裂后的高压气体释放，更加真实的模拟压力管道在局部断裂后的甩击过程，对研究压力管道甩击现象具有重要参考价值，且喷出清洁空气，无污染。

（2）本发明通过高压电磁阀控制空气压缩机的气体释放，更加有效快捷；

（3）本发明的释放装置能在实验前固定主动管，并在高压空气释放后迅速解锁，从而为压缩气体反冲作用下管道甩动的实现成为可能；

（4）本发明可实现不同甩动半径，不同跨距管道的撞击过程，可研究不同情况下的撞击现象；

（5）本发明中各部件间安装方便，便于升级和改进，同时能满足各项功能。

（6）本发明完整精确记录撞击过程 ，保存实验数据，有利于后期进行详细分析研究。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的支承装置示意图；

图3为本发明装置的固定支座示意图；

图4为本发明装置的释放装置示意图。

图中：1-空气压缩机；2-高压电磁阀；3-波纹管；4-主动管固定支座；5-夹具；6-轴承；7-辊轴；8-激光测速仪；9-主动管；10-导轨支架；11-导轨；12-释放装置；13-动态应变仪；14-示波器；15-从动管；16-直角喷头；17-从动管固定支座；18-槽钢平台；19-高速摄像仪；20-螺栓槽；21-螺栓；22-弹簧；23-滚珠；24-内滑块；25-绳索；26-外套筒；27-中套筒；28-凹槽。

具体实施方式

下面通过实施例和附图来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1所示，高压管道甩击装置包括主动管9、从动管15、空气压缩机1、释放装置12、支承装置和测量装置六部分，其中支承装置负责主动管9的一端铰接以及从动管15两端固定，空气压缩机1连接主动管9铰接端，将高压空气压入主动管9并从自由端喷出，释放装置12连接主动管9自由端与导轨11顶端，在高压气体喷出时解锁释放主动管9，使其在反冲作用力下高速甩动并与从动管15撞击，测量装置分布于主动管9与从动管15两侧，在撞击过程中记录相关数据。

如图1、图2、图3所示，所述的支承装置包括槽钢平台18、主动管固定支座4、夹具5、螺栓21、轴承6、辊轴7、从动管固定支座17、导轨11，槽钢平台18上平行设有若干条螺栓槽20，主动管固定支座4与从动管固定支座17可通过螺栓21固定于槽钢平台18的任意位置，通过调整固定位置可调整主动管9甩动半径以及从动管15跨距。从动管15两端通过夹具5与螺栓21固定在从动管固定支座17上，主动管9铰支端两侧分别焊接两个小圆柱作为辊轴7，同时不影响空气压缩机1释放的高压气体通过主动管9内部，轴承6通过夹具5与螺栓21固定于主动管固定支座4上，辊轴7嵌入轴承6中心实现主动管9的铰接；导轨11通过导轨支架10和螺栓21固定在槽钢平台18上；

主动管9两端的轴承6通过夹具5固定在主动管固定支座4上方，从动管15通过夹具5固定在从动管固定支座17上方；所述夹具5为两块方形板，分别设置在固定支座的上方，夹具5的两块方形板底部中心开有半圆形凹槽，固定支座上方与其对应设有半圆形凹槽分别夹持从动管15两端或主动管9两侧的轴承6，方形板两侧设有螺栓孔，通过螺栓21固定于固定支座上。

所述主动管9铰支端连接空气压缩机1，空气压缩机1与主动管9之间设有高压电磁阀2，高压控制阀2可有效控制空气压缩机1的气体释放，释放后的高压气体填充主动管9，主动管9端部装有直角喷头16，实现气体侧向排出，从而产生侧向反冲作用使主动管9甩动，由于主动管9会发生甩动，因此空气压缩机1连接主动管9处通过可弯塑料波纹管3连接。

如图4所示，所述释放装置12包括弹簧22、滚珠23、内滑块24、绳索25、外套筒26、中套筒27，所述外套筒26、中套筒27为U型槽结构，外套筒26、中套筒27、内滑块24从外到内相嵌并可相对滑动，中套筒27与内滑块24通过滚珠23固定，中套筒27与外套筒26通过顶部弹簧22连接，外套筒26与内滑块24通过绳索25分别连接导轨11顶端与主动管9自由端。外套筒26内侧两端分别设有凹槽28，凹槽28位于中套筒滚珠23下方；当只受重力作用时，弹簧22伸长有限，滚珠23未达到凹槽28位置，内滑块24被卡而使主动管9保持一定高度，当气体沿主动管的直角喷头16喷出时，对主动管9施加了较大反冲作用，使弹簧22伸长，滚珠23在内滑块24侧向作用下陷入凹槽28，内滑块24脱离中套筒27，主动管9被释放并绕其铰支端甩动。

所述测量装置包括高速摄像仪19、应变片、动态应变仪13、示波器14、激光测速器8组成,其中激光测速器8位于水平主动管9两侧，与从动管15上表面高度相同，用以记录撞击时主动管9的冲击速度。高速摄像仪19位于从动管15外侧，用以记录撞击过程从动管15的变形情况。从动管15中部上方及侧面均贴有应变片，连接动态应变仪13与示波器14，可以测量破坏位置周围的应变，从而进一步分析破坏程度。

具体操作过程为：首先根据实验目的按照指定尺寸用螺栓21将主动管固定支座4固定于槽钢平台18上，然后将从动管15两端通过夹具5固定于从动管固定支座17，并将主动管9端部辊轴7嵌入轴承6中心，通过夹具5固定轴承6到主动管固定支座4，将空气压缩机1连接高压电磁阀2，并与主动管9铰支端连接，安装好直角喷头16使其垂直于主动管9朝上，连接好测量装置并调试完成之后，提升主动管9到指定高度，实验装置准备完备。实验开始时，首先开启空气压缩机1压缩空气，待达到指定压强后释放高压控制阀2，高压空气沿主动管9喷出，在反冲作用下释放装置12解锁，主动管9绕其铰支端甩动并撞击与其正交的从动管15，同时测量装置记录撞击过程及相关数据。

Claims (6)

1. 一种高压管道甩击装置，包括主动管、从动管、支承装置、空气压缩机、释放装置、测量装置，其特征在于：所述主动管两端分别连接支承装置与释放装置，主动管为圆管，主动管与释放装置连接的端部设有直角喷头，空气压缩机一端与支承装置铰接，从动管两端通过支承装置固定，从动管与主动管呈正交，测量装置分散于主动管、从动管两侧；

所述支承装置包括槽钢平台、主动管固定支座、夹具、螺栓、轴承、辊轴、从动管固定支座、导轨；所述主动管端部设有辊轴，辊轴嵌入轴承中与主动管固定支座铰接；从动管两端通过夹具与螺栓固定在从动管固定支座上，主动管固定支座、从动管固定支座通过螺栓固定在槽钢平台上，槽钢平台上设有螺栓槽；导轨通过导轨支架和螺栓固定在槽钢平台上；

主动管铰支端连接空气压缩机，空气压缩机由高压电磁阀控制气体释放，主动管另一端通过释放装置连接导轨顶端；

所述释放装置包括弹簧、滚珠、内滑块、绳索、外套筒、中套筒，所述外套筒、中套筒为U型槽结构，外套筒、中套筒、内滑块从外到内相嵌并可以相对滑动，外套筒与中套筒顶部通过弹簧连接，中套筒与内滑块通过滚珠固定连接，两个滚珠分别位于中套筒两端中心位置，外套筒上端通过绳索连接导轨顶端，内滑块下端通过绳索连接主动管端部，外套筒内侧两端分别设有凹槽，凹槽位于中套筒滚珠下方；

所述测量装置包括高速摄像仪、应变片、动态应变仪、示波器、激光测速器，其中激光测速器位于水平主动管两侧，高速摄像机位于从动管外侧，从动管中部上方及侧面均贴有应变片，应变片连接动态应变仪与示波器。

2.根据权利要求1所述的高压管道甩击装置，其特征在于：所述螺栓槽平行设置在槽钢平台上，且贯通槽钢平台，相邻螺栓槽之间的距离相等，能在任意位置处通过螺栓固定主动管旋转底座与从动管固定支座。

3.根据权利要求1所述的高压管道甩击装置，其特征在于：所述辊轴为：所述主动管两端分别焊接两个短圆柱作为辊轴，辊轴嵌入两个固定于主动管固定支座的圆柱轴承中实现铰接。

4.根据权利要求1所述的高压管道甩击装置，其特征在于：所述主动管与空气压缩机之间设有可弯塑料波纹管。

5.根据权利要求1所述的高压管道甩击装置，其特征在于：所述夹具为两块方形板，分别设置在固定支座的上方，夹具的两块方形板底部中心开有半圆形凹槽，固定支座上方与其对应设有半圆形凹槽分别夹持从动管两端或主动管两端的轴承，方形板两侧设有螺栓孔，夹具通过螺栓固定于固定支座上。

6.根据权利要求1所述的高压管道甩击装置，其特征在于：所述释放装置中，当与主动管连接的绳索仅受到主动管的重力作用时，中套筒顶部的弹簧处于正常状态，滚珠位于外套筒凹槽的上方；当与主动管连接的绳索受力增大时，中套筒顶部的弹簧被拉伸，滚珠向下运动滑入外套筒凹槽内，内滑块下移，主动管被释放。