CN104913894A - 管道防甩装置水平冲击试验方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种管道防甩装置水平冲击试验方法及设备，所述设备包括U型杆安装部件、牵引系统和测试系统，其中U型杆安装部件用于安装U型杆试件；牵引系统包括试验台车、滑车及其控制驱动部件，试验台车前端连接有冲击头，用于对U型杆试件进行水平冲击；测试系统包括高速相机采集系统、应变采集系统、电测量系统和试验速度测量系统，分别测量U型杆试件在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车加速度和碰撞速度信息。利用本发明的管道防甩装置水平冲击试验方法及设备，能获取加速度、关键位置应变、U型杆试件变形随时间的变化和碰撞速度等信息，测量精度高。

Description

管道防甩装置水平冲击试验方法及设备

技术领域

本发明涉及电力设备的测试技术，特别是涉及到电力设备中安全装置的冲击测试技术。

背景技术

核电站高能管道包括在正常工况下最高运行温度超过100℃或最高运行压力超过2MPa的管道系统。高能管道在运行期间压力脉动或过高压力的出现，使管道材料机械性能降低，从而可能引起管道破裂。管道突然破裂时，泄露的高压流体会对管道产生很大的横向力，在喷射力的作用下，破裂的管道会产生很高的横向速度，并使管道绕着管道上的一个局部变形区作高速旋转运动，破裂的管道会打到其他管道、设备或仪表上，造成这些器件的破坏，加剧事故的严重性，造成连锁式的危害。为了减轻管道破裂产生的后果，需要对管道破裂后的甩动规律进行认真分析，并设置相应的防护措施，尽量减少可能的破坏。

现有核电厂设计建造过程中均设置了管道防甩装置，其中利用U型管道防甩装置环抱住高能管道，在管道破裂时利用U型管道防甩装置材料的塑性变形来吸收能量，是一种普遍使用的方法。U型管道防甩装置结构如图1所示，其中U型杆固定在刚性支座上，弯曲部分环绕抱住高压管道并留有可调节的间隙，高压管道甩动时，利用U型杆的塑性变形来吸收能量，根据需要可以设计多组U型杆。

由于核电厂对安全要求极为严格，U型管道防甩装置之前全部需要进口，国内对其设计加工和测试的经验有限，并且也没有对于管道防甩装置冲击测试的相关法规，因此在这方面的现有技术还比较少。

通过现有技术调研，有研究机构对U型管道防甩装置进行过冲击试验。冲击试验采用落锤冲击试验机完成，例如一种落锤试验机如专利200910061645.5所示，由挡铁、吊钩、钢丝绳、抓钩装置、钢轨夹持装置组成，能够通过吊钩上的抓钩装置实现对冲击锤的抓取和释放，可以通过调整冲击锤的高度调整输入能量。对较高能量的试验还需要借助爆炸使锤头获得一个较高的初速度。由于涉及爆炸，试验中不容易对输入能量实现精确控制，并且落锤试验中不易采集获得准确、稳定的力信号。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种管道防甩装置水平冲击试验方法及设备，所述管道防甩装置水平冲击试验方法及设备能够进行高速、高能量撞击试验，输入能量大小可以精确控制，并且可以方便地获得准确稳定的应变、加速度、高速摄像、变形量等试验数据，获得的试验数据能够全面、客观地评价管道防甩装置的性能，并能对管道防甩装置的设计提供有力支撑，可广泛用于U型管道防甩装置和其他类似的工程结构件的动态冲击试验。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种管道防甩装置水平冲击试验设备，所述管道防甩装置水平冲击试验设备包括U型杆安装部件、牵引系统和测试系统，其中，

U型杆安装部件用于安装U型杆试件；

牵引系统包括试验台车、滑车及其控制驱动部件，试验台车前端连接有冲击头，用于对U型杆试件进行水平冲击；

测试系统包括高速相机采集系统、应变采集系统、电测量系统和试验速度测量系统，分别测量U型杆试件在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车的加速度和碰撞速度信息。

所述U型杆安装部件包括固定壁障和U型杆安装框架，其中，

固定壁障和U型杆安装框架固定在一起；

固定壁障连接部位有槽；

U型杆安装框架具有销座；

U型杆试件的两端有孔，所述两端插入U型杆安装框架的销座，通过圆柱销插入U型杆安装框架的销座孔和U型杆试件两端的孔，将所述U型杆试件可转动地安装在所述销座中。

所述应变采集系统包括应变片、应变采集桥盒、超动态应变采集仪和应变采集电脑，其中应变片粘贴在U型杆试件的关键部位，应变采集桥盒与应变片相连接，并连接至超动态应变采集仪，超动态应变采集仪将U型杆试件关键部位的应变信息发送至应变采集电脑。

所述U型杆试件关键部位包括U型杆试件的顶部、起弧点、根部区域。

所述电测量系统包括加速度传感器、加速度数据采集器和加速度采集电脑，其中，

加速度传感器固定于牵引系统的试验台车上，加速度传感器通过线缆连接至加速度数据采集器；

加速度数据采集器固定于牵引系统的试验台车上，收集并存储试验台车的加速度信息；

加速度采集电脑用于读取加速度数据采集器中存储的试验台车加速度信息。

所述牵引系统的控制驱动部件包括远程控制电脑、控制柜、电机、钢索和钢索释放装置，其中，

试验台车与滑车通过螺栓连接；

滑车可卡紧钢索，通过钢索运动带动试验台车；

钢索释放装置用于松开滑车与钢索，避免水平冲击对牵引系统的损害；

电机用于根据远程控制电脑和控制柜的控制带动钢索运动。

所述钢索释放装置固定于预定位置，相应地，所述滑车包括钢索卡紧臂与钢索卡紧凸轮，其中所述钢索卡紧臂通过花键固定至钢索卡紧凸轮，用于当滑车运动至预定位置时，钢索卡紧臂被所述钢索释放装置阻挡而发生转动，带动钢索卡紧凸轮转动；所述钢索卡紧凸轮用于卡紧钢索，并随着钢索卡紧臂转动放松钢索。

一种管道防甩装置水平冲击试验方法，所述方法包括：

A、将U型杆试件安装于U型杆安装部件；

B、将钢索卡紧至滑车，通过电机带动钢索运动，控制试验台车抵达预定位置时达到预定速度；

C、试验台车抵达预定位置时，滑车松开钢索，试验台车继续移动，冲击头与U型杆试件发生水平冲击；

D、通过高速相机采集系统、应变采集系统、电测量系统和试验速度测量系统测量U型杆试件在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车的加速度和碰撞速度信息。

通过采用本发明的管道防甩装置冲击试验方法和设备，能够获得以下有益技术效果：

一、本发明的管道防甩装置冲击试验方法和设备能够方便地调节冲击速度和冲击质量，从而准确地控制冲击能量；

二、不仅可以用于检测U型管道防甩装置的抗冲击性能，而且适用于检测其他类似功能结构件的抗冲击性能；

三、对被试结构件的材料没有限制、操作简便；

四、通过电测量系统、应变采集系统、高速相机采集系统和试验速度测量系统，能够获取加速度、关键位置应变、U型杆试件变形随时间的变化和碰撞速度等信息，测量精度高。

附图说明

图1为U型管道防甩装置的结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中U型管道防甩装置水平冲击试验设备硬件结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中U型管道防甩装置水平冲击试验设备的滑车结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中U型管道防甩装置水平冲击试验设备的U型杆试件安装结构示意图。

图5为本发明具体实施方式中U型管道防甩装置水平冲击试验设备的测试系统组成方框示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

首先介绍说明书附图中各附图标记所代表的部件名称。

1、固定壁障，

2、高速相机采集电脑，

3、高速相机，

4、U型杆安装框架，

5、U型杆试件，

6、应变片，

7、应变采集电脑，

8、超动态应变采集仪，

9、应变采集桥盒，

10、试验台车，

11、加速度采集电脑，

12、加速度数据采集器，

13、加速度传感器，

14、激光测速仪，

15、滑车，

16、远程控制电脑，

17、轨道，

18、控制柜，

19、电机，

20、钢索，

21、钢索释放装置，

22、配重，

23、冲击头，

24、圆柱销，

25、限位螺栓，

26、顶部高速相机，

27、照明系统，

28、钢索卡紧臂，

29、钢索卡紧凸轮。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

如图2所示，本发明具体实施方式中，公开了一种管道防甩装置水平冲击试验设备，所述管道防甩装置在本实施方式中特指U型管道防甩装置，但其实本发明也可以用于其他类型管道防甩装置的水平冲击试验。

所述管道防甩装置水平冲击试验设备包括U型杆安装部件、牵引系统和测试系统，其中，

U型杆安装部件用于安装U型杆试件5；

牵引系统包括试验台车10、滑车15及其控制驱动部件，试验台车10前端连接有冲击头23，用于对U型杆试件5进行水平冲击；

如图5所示，测试系统包括高速相机采集系统、应变采集系统、电测量系统和试验速度测量系统，分别用于测量U型杆试件5在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车10加速度和碰撞速度信息。

因此，本发明的具体实施方式能够通过电测量系统、应变采集系统、高速相机采集系统和试验速度测量系统，能够获取试验台车10的加速度、U型杆试件5关键位置应变、U型杆试件5变形随时间的变化和碰撞速度等信息，测量精度高。

在一个具体实施方式中，所述U型杆安装部件包括固定壁障1和U型杆安装框架4，其中，

固定壁障1和U型杆安装框架4固定在一起，例如通过T型螺栓固定在一起；

固定壁障1连接部位有槽，用于连接U型杆安装框架4，例如所述槽为T型槽；

U型杆安装框架4具有销座；

所述U型杆试件5是U型管道防甩装置中最重要的部件，主要依靠其材料的塑性变形来实现吸能效果。如图4所示，U型杆试件5的两端插入U型杆安装框架4的销座，U型杆试件5的两端也有孔，通过圆柱销24插入U型杆安装框架4的销座孔和U型杆试件5两端的孔，将所述U型杆试件5可转动安装在所述销座中。当圆柱销24插入U型杆安装框架4的销座孔和U型杆试件5两端的孔后，通过限位螺栓25防止圆柱销24的脱出。

在另一个具体实施方式中，如图2所示，所述管道防甩装置水平冲击试验设备还包括照明系统27，所述的照明系统27是保证高速摄像质量的重要部分，在水平冲击试验中要求以很高的照明强度照亮被拍摄的碰撞区域。

为了准确获取U型杆试件的变形状况，需要对其进行高速摄像，因此在一个具体实施方式中所述高速相机采集系统包括具有防抖动功能的高速相机3和高速相机采集电脑2，所述高速相机采集帧速为1000帧/秒以上。所述高速相机采集电脑根据高速相机采集的图像，确定U型杆试件在水平冲击过程中的形变信息，以利于了解水平冲击的瞬态过程。

为了获得更完整的信息，一个具体实施方式中高速相机采集系统还包括有顶部高速相机26，对其性能要求与高速相机3类似。

在一个具体实施方式中，所述应变采集系统包括应变片6、应变采集桥盒9、超动态应变采集仪8和应变采集电脑7，其中在U型杆试件5关键部位粘贴应变片6，应变采集桥盒9与应变片6相连接，并连接至超动态应变采集仪8，超动态应变采集仪8将U型杆试件5关键部位的应变信息发送至应变采集电脑7。由此，本发明的管道防甩装置水平冲击试验方法及装置，能够实现高精度、高响应、高频率的方式采集应变片的电压信号。

在一个更加具体的实施方式中，所述U型杆试件5的关键部位包括U型杆试件5的顶部、起弧点、根部区域。

另外，为了实现预定的冲击能量，本发明的管道防甩装置水平冲击试验方法及装置还能给试验台车10予以配重22，所述配重22与试验台车10通过螺栓连接，安装于试验台车10的上方，这样根据质量和速度，即能随意调整冲击试验中的冲击能量。

另外，所述电测量系统包括加速度传感器13、加速度数据采集器12和加速度采集电脑11。加速度传感器13与试验台车10固连在一起，并通过线缆将加速度信号传送到加速度数据采集器12中，加速度数据采集器12也固定在试验台车10上，并能够存储试验过程中试验台车10的加速度信息。试验结束后，连接加速度采集电脑11和加速度数据采集器12，将试验台车10的加速度信息读取出来。

在另一具体实施方式中，所述牵引系统由试验台车10、滑车15、远程控制电脑16、控制柜18、电机19、钢索20、钢索释放装置21组成。本发明的管道防甩装置水平碰撞试验设备中试验台车10的运动由电机19驱动。试验台车10与滑车15通过螺栓连接，滑车15能够卡紧钢索20，通过钢索20运动带动试验台车10在轨道17上运动。试验台车10重量可以通过配重22进行调节。

通过控制柜18可以对试验台车10的冲击速度进行控制。试验台车10前部安装了与U型杆试件发生碰撞的冲击头23，冲击头23尺寸与被管道防甩装置所环抱的管道尺寸相同。钢索释放装置21固定在距离固定壁障1较近的预定位置。在试验过程中，当冲击头23将要与U型杆试件5发生碰撞时，钢索释放装置21与滑车15上钢索卡紧臂28发生撞击，钢索卡紧臂28通过花键带动钢索卡紧凸轮29绕花键轴转动，使滑车15与钢索20脱开，试验台车10由于惯性在轨道17中继续向前运动，直至冲击头23与U型杆试件5发生碰撞为止，因此钢索释放装置21能够防止碰撞对牵引系统造成损害。

另外，所述管道防甩装置水平冲击试验设备还包括试验速度测量系统，即激光测速仪14，所述激光测速仪14能够测量水平冲击前试验台车10经过激光测速仪14时的所具有的瞬时速度。

与本发明的管道防甩装置水平冲击试验设备相适应，本发明的具体实施方式中还公开了一种管道防甩装置水平冲击试验方法，所述方法包括：

A、将U型杆试件5安装于U型杆安装部件；

B、将钢索20卡紧至滑车15，通过电机19带动钢索20运动，控制试验台车10抵达预定位置时达到预定速度；

C、试验台车10抵达预定位置时，滑车15松开钢索20，试验台车10继续移动，冲击头23与U型杆试件5发生水平冲击；

D、通过高速相机采集系统、应变采集系统、电测量系统和试验速度测量系统测量U型杆试件5在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车10的加速度和碰撞速度信息。

具体而言，首先，进行试验前需要对试验台车10整体进行称重，包括试验台车10、冲击头23、配重22、滑车15、加速度传感器13和加速度数据采集器12，并合理调整配重22，使整体冲击质量达到试验预定要求。

随后将冲击头23、配重22、滑车15、加速度传感器13和加速度数据采集器12通过螺栓或其他方法安装在试验台车10的车架上。被冲击的U型杆试件5安装在与碰撞的固定壁障1连接的U型杆安装框架4中。其中固定壁障1为刚体墙，U型杆安装框架4为刚度和强度足够的钢结构框架，与固定壁障1和地面通过螺栓相连。

如图4所示，U型杆试件5按照实际使用状态，通过圆柱销24与U型杆安装框架4相连，并由限位螺栓25限位，防止圆柱销24脱落。试验中，U型杆试件5固定端只能够绕圆柱销24的中心线转动，与管道防甩装置实际使用情况一致。

然后，需要对试验中涉及的测量系统进行操作。所述高速相机采集系统，在水平方向和高空竖直方向放置水平高速相机3和顶部高速相机26，与高速相机采集电脑2相连，通过对高速相机采集电脑2设置分辨率、快门速度等参数，试验后存储图像数据。

另外将应变片6粘贴于U型杆试件5的关键点位置，通过应变采集桥盒9连接到超动态应变采集仪8上，超动态应变采集仪8由应变采集电脑7控制，进行采集参数的设置，并于试验后保存数据。

随后在试验台车10底部固定加速度传感器13，并与加速度数据采集器12相连，加速度数据采集器12中的电池能够在试验中提供试验过程所需的电能，并能够实时记录加速度传感器13采集到的加速度信息，试验结束后将加速度采集电脑11连接到加速度数据采集器13上，读取并保存试验中的加速度信息。

所述激光测速仪14，能够测量碰撞前试验台车10经过激光测速仪14时的瞬时速度。每次试验前对U型杆试件5进行编号，在每次试验前和试验后对U型杆试件5拍照、测量U型杆试件5关键尺寸、试验参数等信息，并将测量得的数据按照U型杆试件5编号命名。

进行正式试验时，试验台车10需要在起始位置发射。如图3所示，为将试验台车10与钢索20相连，需旋转滑车15的钢索卡紧臂28，钢索卡紧臂28通过花键带动钢索卡紧凸轮29绕花键轴旋转，将钢索20卡紧在滑车15底部，滑车15与试验台车10通过螺栓连接，能够在钢索20的带动下推动试验台车10向前运动。远程控制电脑16能设置试验速度等参数、发布发射指令，通过远程控制控制柜18使电机19按照试验要求转动，从而通过钢索20带动试验台车10运动。

如图2所示，试验台车10在试验过程中由电机19拖动钢索20带动，从远离U型杆试件5的位置发射，沿着轨道17朝向U型杆试件5方向运动。试验台车10在即将与U型杆试件5碰撞前，钢索释放装置21与滑车15上钢索卡紧臂28发生撞击，带动钢索卡紧凸轮29转动，使滑车15与钢索20脱开，试验台车10由于惯性在轨道17中继续向前运动，直至冲击头23与U型杆试件5发生碰撞，吸收完全部能量为止，整个冲击过程结束。随之进行U型杆试件5在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车10的加速度和碰撞速度信息的整理和分析。

因此，通过利用本发明的管道防甩装置水平冲击试验方法和设备，能够方便地调节冲击速度和冲击质量，从而准确地控制冲击能量；另外不仅可以用于检测U型管道防甩装置的抗冲击性能，而且适用于检测其他结构件的抗冲击性能；可获取试验台车10的加速度、U型杆试件5关键位置应变、U型杆试件5变形随时间的变化和碰撞速度等信息，测量精度高。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种管道防甩装置水平冲击试验设备，所述管道防甩装置水平冲击试验设备包括U型杆安装部件、牵引系统和测试系统，其中，

U型杆安装部件用于安装U型杆试件；

牵引系统包括试验台车、滑车及其控制驱动部件，试验台车前端连接有冲击头，用于对U型杆试件进行水平冲击；

测试系统包括高速相机采集系统、应变采集系统、电测量系统和试验速度测量系统，分别测量U型杆试件在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车的加速度和碰撞速度信息。

2.根据权利要求1中所述的管道防甩装置水平冲击试验设备，其特征在于，所述U型杆安装部件包括固定壁障和U型杆安装框架，其中，

固定壁障和U型杆安装框架固定在一起；

固定壁障连接部位有槽；

U型杆安装框架具有销座；

U型杆试件的两端有孔，所述两端插入U型杆安装框架的销座，通过圆柱销插入U型杆安装框架的销座孔和U型杆试件两端的孔，将所述U型杆试件可转动地安装在所述销座中。

3.根据权利要求1中所述的管道防甩装置水平冲击试验设备，其特征在于，所述应变采集系统包括应变片、应变采集桥盒、超动态应变采集仪和应变采集电脑，其中应变片粘贴在U型杆试件的关键部位，应变采集桥盒与应变片相连接，并连接至超动态应变采集仪，超动态应变采集仪将U型杆试件关键部位的应变信息发送至应变采集电脑。

4.根据权利要求3中所述的管道防甩装置水平冲击试验设备，其特征在于，所述U型杆试件关键部位包括U型杆试件的顶部、起弧点、根部区域。

5.根据权利要求1中所述的管道防甩装置水平冲击试验设备，其特征在于，所述电测量系统包括加速度传感器、加速度数据采集器和加速度采集电脑，其中，

加速度传感器固定于牵引系统的试验台车上，加速度传感器通过线缆连接至加速度数据采集器；

加速度数据采集器固定于牵引系统的试验台车上，收集并存储试验台车的加速度信息；

加速度采集电脑用于读取加速度数据采集器中存储的试验台车加速度信息。

6.根据权利要求1中所述的管道防甩装置水平冲击试验设备，其特征在于，所述牵引系统的控制驱动部件包括远程控制电脑、控制柜、电机、钢索和钢索释放装置，其中，

试验台车与滑车通过螺栓连接；

滑车可卡紧钢索，通过钢索运动带动试验台车；

钢索释放装置用于松开滑车与钢索，避免水平冲击对牵引系统的损害；

电机用于根据远程控制电脑和控制柜的控制带动钢索运动。

7.根据权利要求6中所述的管道防甩装置水平冲击试验设备，其特征在于，所述钢索释放装置固定于预定位置，相应地，所述滑车包括钢索卡紧臂与钢索卡紧凸轮，其中，

所述钢索卡紧臂通过花键固定至钢索卡紧凸轮，用于当滑车运动至预定位置时，钢索卡紧臂被所述钢索释放装置阻挡而发生转动，带动钢索卡紧凸轮转动；

所述钢索卡紧凸轮用于卡紧钢索，并随着钢索卡紧臂转动放松钢索。

8.一种管道防甩装置水平冲击试验方法，所述方法包括：

A、将U型杆试件安装于U型杆安装部件；

B、将钢索卡紧至滑车，通过电机带动钢索运动，控制试验台车抵达预定位置时达到预定速度；

C、试验台车抵达预定位置时，滑车松开钢索，试验台车继续移动，冲击头与U型杆试件发生水平冲击；

D、通过高速相机采集系统、应变采集系统、电测量系统和试验速度测量系统测量U型杆试件在水平冲击过程中的形变、关键部位的应变、试验台车的加速度和碰撞速度信息。