CN105424502B - 大变形管道环焊缝弯曲试验机及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开大变形管道环焊缝弯曲试验机及其方法，导轨设置在基座的中央位置，在基座的两侧固定设置固定台，矫正压头和弯曲压头设置在导轨中，丝杠的一端与弯曲压头固定连接，另一端与矫正压头连接，在弯曲压头的外侧与液压推进器的推进杆固定相连，在弯曲试验机上设置由声发射传感器、信号放大器和声发射数据采集卡组成的声发射系统。与现有技术相比，本发明既可以实现对弯曲试验中力学信号、形变信号，还可以针对声信号进行采集和分析。

Description

大变形管道环焊缝弯曲试验机及其方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，更加具体的说，针对大变形管道的三点弯曲/四点弯曲的力学性能测试领域，涉及一种测试各种大变形管道及其焊接接头的弯曲性能试验装置。

背景技术

目前，我国海洋油气资源的开采和利用主要集中在浅海，由于技术能力限制，深水海底油气资源的利用严重滞后。其中，海底管线的铺设技术是深水油气资源开采的关键技术之一。从海底管线铺管技术的发展来看，“卷管式”铺管是近年来国际上发展出来海底管线铺设技术，该技术适合深海，高效且安全，在美国、英国、挪威等国家广泛使用。然而，我国对该技术的研究工作开展的不多，目前只掌握了适合浅海铺设的“S”型铺管技术，制约了向深海的发展。鉴于南海的作业环境，Reel-lay是最适合的铺管方法，可目前国内还没有针对海洋油气大变形管道的性能检测装备及评估技术，因此，发展深海铺管技术，首先开发必要的检测装备。

由于在Reel-lay过程中，管道需在张力作用下经历上卷、解卷、拉直等反复大变形过程。焊管在大变形弯曲过程中，环焊缝由于本身残余应力和弯曲应力的作用会发生裂纹萌生、扩展、甚至是严重的断裂，由于焊接接头承载能力的不均匀性和焊接残余应力分布的复杂性，导致环焊缝弯曲断裂具有较大的随机性和突发性，往往在安全系数下服役时就突然发生失效，造成不可估量的损失。如何准确、可靠的在线实时检测环焊缝弯曲开裂过程、确定开裂的位置并评估开裂的程度具有重要的意义。因此，设计出的管道弯曲性能试验装置必须可以模拟管道的大变形弯曲,反向弯曲(三点弯曲和四点弯曲)等过程，且能达到实际服役过程中的变形量，同时采用声发射技术能对弯曲过程中管道是否开裂进行监测和评估。

因此，开展“卷管式”铺管中卷管式铺管装备研究具有重要的现实意义和紧迫性，可为我国开发深海油气资源开发奠定技术基础，为管道的抗变形能力提供试验设备。所以，针对深海油气输送管道“卷管式”铺设技术的需求，研制大型整管弯管模拟装置具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大变形管道环焊缝弯曲试验机及其方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

大变形管道环焊缝弯曲试验机，包括基座、固定台、导轨、矫正压头、弯曲压头、丝杠和液压推进器，其中：

导轨设置在基座的中央位置，在基座的两侧固定设置固定台，用于与待测管线通过固定法兰进行固定相连；矫正压头和弯曲压头设置在导轨中，且能够沿着导轨进行移动，矫正压头和弯曲压头的工作面相对；丝杠的一端与弯曲压头固定连接，另一端与矫正压头连接，并可通过矫正压头外侧的丝杠螺母调整弯曲压头和矫正压头之间的距离，以适应不同管径的待测管线在两个压头之间进行安装和测试；在弯曲压头的外侧与液压推进器的推进杆固定相连。

在上述技术方案中，液压推进器与液压控制器相连。

在上述技术方案中，矫正压头的工作面为平面。

在上述技术方案中，弯曲压头的工作面为凸面，具有不同曲率半径，与待测管线产生一个或者两个接触位置，以形成三点或者四点弯曲。

在上述技术方案中，在弯曲压头的两侧与液压推进器的推进杆固定相连，以使液压推动力能够平均作用。

在上述技术方案中，由弯曲压头和矫正压头组成的压头组，作用于待测管线的中央位置。

在上述技术方案中，在基座上设置标尺，标尺沿着待测管线的径向和轴向进行设置，以测量待测管线的长度、弯曲试验时的径向弯曲量、弯曲压头和矫正压头的行走距离。

在进行使用时，根据待测管线的管径大小，通过丝杠螺母和丝杠调整弯曲压头和矫正压头之间的距离，以使其能够容纳待测管线，且弯曲压头的工作面与待测管线相接触，通过固定法兰将待测管线的两端与固定台固定相连。再通过液压推进器的推进杆推动弯曲压头前进，以实现待测管线的弯曲；弯曲试验后，通过推动干的拉伸以使弯曲压头后退，利用矫正压头对待测管线进行回复。在测试过程中，通过传感器采集液压信号，以得到力学信号；通过标尺采集形变信号。

为更进一步对管道环焊缝弯曲开裂的检测，在上述弯曲试验机上设置声发射系统，包括发射采集装置，所述声发射采集装置包括声发射传感器、信号放大器和声发射数据采集卡，其中：

所述声发射传感器采集大变形管道环焊缝在弯曲过程中产生的声发射弹性波并转化为电压信号，之后输出电压信号至所述信号放大器进行信号放大，经信号放大器输出的信号传输至所述声发射数据采集卡进行信号数字转换，声发射数据采集卡输出的数字信号传输至计算机，再由设置在计算机中的声发射信号处理系统进行声发射信号特征参数提取和分析、波形和频谱分析、弯曲开裂的裂纹源定位分析。

在上述技术方案中，采用信号传输线缆进行声发射传感器、信号放大器和声发射数据采集卡的连接。

在上述技术方案中，在管道环焊缝的两侧等距离的位置对称设置声发射传感器，优选距离环焊缝1m处对称设置且沿每侧的管道环向均匀固定3个声发射探头，声发射探头的环向间距为120°。

在上述技术方案中，采用声发射系统中常用的磁性夹具进行声发射探头和管道的固定，为了降低信号衰减，所述声发射传感器和被测试件之间涂有耦合剂。

在上述技术方案中，声发射传感器和信号放大器的数量一致，声发射数据采集卡数量为一个，即每个声发射传感器都采用独立的信号放大器进行放大，然后汇总到一个声发射数据采集卡中。

进行环焊缝弯曲试验时，待测管线的环焊缝位于弯曲压头中央位置，并与弯曲压头工作面相接处。

通过上述技术方案既可以实现对弯曲试验中力学信号、形变信号，还可以针对声信号进行采集和分析。与现有技术相比，本申请将声发射动态无损检测技术首次应用于大变形管道环焊缝弯曲开裂的在线检测、开裂程度评估、损伤源定位，实现了在线实时检测和评估大变形管道环焊缝弯曲开裂的目的。

附图说明

图1是本发明大变形管道环焊缝弯曲试验机的结构示意图(俯视图)，其中1为基座，2为固定台，3为固定法兰，4为待测管线，5为导轨，6为矫正压头，7为弯曲压头。

图2是本发明大变形管道环焊缝弯曲试验机的结构示意图(俯视图)，其中1为基座，5为导轨，6为矫正压头，7为弯曲压头，8为丝杠，9为推进杆，10为液压推进器，11为液压控制器。

图3是本发明大变形管道环焊缝弯曲试验机的结构示意图(侧视图)，其中1为基座，2为固定台，5为导轨，6为矫正压头，7为弯曲压头，8为丝杠，9为推进杆，10为液压推进器，11为液压控制器。

图4是本发明大变形管道环焊缝弯曲试验机中采用声发射探头的布设示意图(1)。

图5是本发明大变形管道环焊缝弯曲试验机中采用声发射探头的布设示意图(2)，其中4为待测管线，12为声发射探头。

图6是大变形焊接管道弯曲开裂声发射检测定位三维模型。

图7是大变形焊接管道弯曲开裂声发射检测定位二维展开图。

图8是大变形焊接管道弯曲过程中声发射幅值示意图。

图9是大变形焊接管道弯曲过程中声发射能量示意图。

图10是大变形焊接管道弯曲过程中声发射有效值RMS示意图。

图11是大变形焊接管道弯曲过程中声发射信号强度示意图。

图12是大变形焊接管道弯曲开裂声发射定位结果的三维示意图。

图13是大变形焊接管道弯曲开裂声发射定位结果的二维展开图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

由附图1—3所示，本发明大变形管道环焊缝弯曲试验机，包括基座、固定台、导轨、矫正压头、弯曲压头、丝杠和液压推进器，其中：

导轨设置在基座的中央位置，在基座的两侧固定设置固定台，用于与待测管线通过固定法兰进行固定相连；矫正压头和弯曲压头设置在导轨中，且能够沿着导轨进行移动，矫正压头和弯曲压头的工作面相对；丝杠的一端与弯曲压头固定连接，另一端与矫正压头连接，并可通过矫正压头外侧的丝杠螺母调整弯曲压头和矫正压头之间的距离，以适应不同管径的待测管线在两个压头之间进行安装和测试；在弯曲压头的外侧与液压推进器的推进杆固定相连。

在上述技术方案中，液压推进器与液压控制器相连。

在上述技术方案中，矫正压头的工作面为平面。

在上述技术方案中，弯曲压头的工作面为凸面，具有不同曲率半径，与待测管线产生一个或者两个接触位置，以形成三点或者四点弯曲。

在上述技术方案中，在弯曲压头的两侧与液压推进器的推进杆固定相连，以使液压推动力能够平均作用。

在上述技术方案中，由弯曲压头和矫正压头组成的压头组，作用于待测管线的中央位置。

在上述技术方案中，在基座上设置标尺，标尺沿着待测管线的径向和轴向进行设置，以测量待测管线的长度、弯曲试验时的径向弯曲量、弯曲压头和矫正压头的行走距离。

在进行使用时，根据待测管线的管径大小，通过丝杠螺母和丝杠调整弯曲压头和矫正压头之间的距离，以使其能够容纳待测管线，且弯曲压头的工作面与待测管线相接触，通过固定法兰将待测管线的两端与固定台固定相连。再通过液压推进器的推进杆推动弯曲压头前进，以实现待测管线的弯曲(产生1—4％的弯曲形变)；弯曲试验后，通过推动干的拉伸以使弯曲压头后退，利用矫正压头对待测管线进行回复。在测试过程中，通过传感器采集液压信号，以得到力学信号；通过标尺采集形变信号。

为更进一步对管道环焊缝弯曲开裂的检测，在上述弯曲试验机上设置声发射系统，包括六通道的发射采集装置，所述六通道的声发射采集装置包括声发射传感器、信号放大器和声发射数据采集卡，其中：

所述声发射传感器采集大变形管道环焊缝在弯曲过程中产生的声发射弹性波并转化为电压信号，之后输出电压信号至所述信号放大器进行信号放大，经信号放大器输出的信号传输至所述声发射数据采集卡进行信号数字转换，声发射数据采集卡输出的数字信号传输至计算机，再由设置在计算机中的声发射信号处理系统进行声发射信号特征参数提取和分析、波形和频谱分析、弯曲开裂的裂纹源定位分析。

在上述技术方案中，采用信号传输线缆进行声发射传感器、信号放大器和声发射数据采集卡的连接。

在上述技术方案中，在管道环焊缝的两侧等距离的位置对称设置声发射传感器，优选距离环焊缝1m处对称设置且沿每侧的管道环向均匀固定3个声发射探头，声发射探头的环向间距为120°。

在上述技术方案中，采用声发射系统中常用的磁性夹具进行声发射探头和管道的固定，为了降低信号衰减，所述声发射传感器和被测试件之间涂有耦合剂。

在上述技术方案中，声发射传感器和信号放大器的数量一致，声发射数据采集卡数量为一个，即每个声发射传感器都采用独立的信号放大器进行放大，然后汇总到一个声发射数据采集卡中。

进行环焊缝弯曲试验时，待测管线的环焊缝位于弯曲压头中央位置，并与弯曲压头工作面相接处。

通过上述技术方案既可以实现对弯曲试验中力学信号、形变信号，还可以针对声信号进行采集和分析：

(1)声发射传感器布置：使用磁性夹具将声发射传感器等距的固定于管道环焊缝的两侧(距离环焊缝1m)，沿每侧的管道环向均匀固定3个声发射探头，声发射探头的环向间距为120°，为了降低信号衰减，所述声发射传感器和被测试件之间涂有耦合剂。

(2)声发射传感器灵敏度测试：在靠近声发射传感器的位置进行断铅测试，保证声发射传感器接收到的声发射信号幅值达到90dB以上。

(3)声发射检测参数设置：设置信号放大器放大倍数为40dB，采样频率2MSPS，门槛值为45dB，另外，还可以基于环境噪声需设置最佳的数字滤波范围进行滤波，本实施例中暂不进行设置。

(4)建立声发射定位模型：由于大变形管道壁厚在2-20mm范围之内，壁厚比管道的环向周长和管道长度要小的多，属于小壁厚管道，因此选择二维平面定位模式；在声发射检测系统中建立管道模型，并在管道模型上布置声发射传感器，确保建立的管道模型尺寸以及声发射传感器的位置与实际情况一致。大变形焊接管道弯曲开裂声发射检测定位三维模型和二维展开模型分别如附图所示，中间位置为焊缝，标有数字的点的位置为声发射传感器的位置。

(5)声发射信号传播速度计算：选择较远的两个声发射传感器，如附图中1号传感器与4号传感器或2号传感器与5号传感器或3号传感器与6号传感器，通过以下公式断铅模拟裂纹源来测试声速，进行10次测试，计算平均值并输入声发射系统。

其中，S(m)为传感器间距离，2000mm；v(m/s)为声发射信号在管道中的传播速度；t(s)为声发射信号从一个传感器到达另一个传感器的时间。结果表明，管线钢X65的声发射信号的平均传播速度是4492mm/s。

(6)大变形管道环焊缝弯曲开裂在线检测：对环焊缝施加弯曲载荷，在线实时采集并分析整个弯曲过程中的声发射信号。基于声发射特征参数如幅值、能量、有效值RMS、信号强度对开裂过程进行实时监测并对开裂程度进行评估，如附图8-11所示。声发射信号特征参数能够实时指示大变形管道环焊缝在弯曲开裂过程中的弹塑形变形过程、弯曲裂纹萌生的起始时刻、以及裂纹扩展直至断裂的全过程。通常声发射信号幅值的大小可以反映开裂的程度。当声发射信号幅值低于65dB时，管道环焊缝发生显著的弹塑形变形；当声发射信号幅值发生急剧突变并超过70dB时，裂纹开始萌生并扩展；当声发射信号幅值连续超过85dB时，裂纹失稳扩展，预示发生严重的断裂。

(7)大变形管道环焊缝弯曲开裂的定位监测

管道环焊缝在弯曲过程中裂纹萌生和扩展的声发射定位结果如图12-13所示，箭头所指的定位点指示的是裂纹可能出现的位置。可以看出裂纹主要分布于管道的环焊缝承受最大弯曲拉应力的位置，这与有限元应力分析的结果相一致。之后对声发射定位的裂纹区域进行切割并进行磁粉检测和高倍光学检测，以对声发射定位结果进行复检。大量的实验结果表明，在声发射定位裂纹的区域都发现有大量的裂纹存在，而在声发射裂纹定位点以外的区域却没有发现裂纹。因此，基于声发射技术对大变形管道环焊缝弯曲裂纹进行在线实时检测和开裂定位是完全可行的。

与现有技术相比，本申请将声发射动态无损检测技术首次应用于大变形管道环焊缝弯曲开裂的在线检测、开裂程度评估、损伤源定位，实现了在线实时检测和评估大变形管道环焊缝弯曲开裂的目的，其效果具体包括如下几个方面：

1.实现了在线、动态、实时检测大变形管道环焊缝弯曲开裂的目的，整个检测过程中无需终止试验过程。

2.通过建立声发射信号与裂纹萌生和扩展尺寸的映射关系，有助于解决声发射信号定量评估弯曲开裂程度的问题，为声发射技术在线评估弯曲开裂程度建立了很好的基础。

3.不受被检管道材料的限制，可以检测金属材料、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等。

4.可以在恶劣复杂的工况条件使用，操作人只要在安全、适宜的环境下远程操控即可。

5、检测自动程度高，操作简单，检测效率较高，可大幅降低劳动强度。

6、本检测设备耗能低，携带方便，便于作业现场的检测。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.大变形管道环焊缝弯曲试验机，其特征在于，包括基座、固定台、导轨、矫正压头、弯曲压头、丝杠和液压推进器，其中：

导轨设置在基座的中央位置，在基座的两侧固定设置固定台，用于与待测管线通过固定法兰进行固定相连；矫正压头和弯曲压头设置在导轨中，且能够沿着导轨进行移动，矫正压头和弯曲压头的工作面相对；丝杠的一端与弯曲压头固定连接，另一端与矫正压头连接，并可通过矫正压头外侧的丝杠螺母调整弯曲压头和矫正压头之间的距离，以适应不同管径的待测管线在两个压头之间进行安装和测试；在弯曲压头的外侧与液压推进器的推进杆固定相连，液压推进器与液压控制器相连，矫正压头的工作面为平面；弯曲压头的工作面为凸面，具有不同曲率半径，与待测管线产生一个或者两个接触位置，以形成三点或者四点弯曲；丝杠在弯曲压头的两侧与液压推进器的推进杆固定相连，以使液压推动力能够平均作用；弯曲压头和矫正压头组成的压头组，作用于待测管线的中央位置，在基座上设置标尺，标尺沿着待测管线的径向和轴向进行设置，以测量待测管线的长度、弯曲试验时的径向弯曲量、弯曲压头和矫正压头的行走距离；

在所述弯曲试验机上设置声发射系统，声发射系统包括声发射采集装置，所述声发射采集装置包括声发射传感器、信号放大器和声发射数据采集卡，在管道环焊缝的两侧等距离的位置对称设置声发射传感器，距离环焊缝1m处对称设置且沿每侧的管道环向均匀固定3个声发射探头，声发射探头的环向间距为120°，采用声发射系统中常用的磁性夹具进行声发射探头和管道的固定，为了降低信号衰减，所述声发射传感器和被测试件之间涂有耦合剂；声发射传感器和信号放大器的数量一致，声发射数据采集卡数量为一个，即每个声发射传感器都采用独立的信号放大器进行放大，然后汇总到一个声发射数据采集卡中；所述声发射传感器采集大变形管道环焊缝在弯曲过程中产生的声发射弹性波并转化为电压信号，之后输出电压信号至所述信号放大器进行信号放大，经信号放大器输出的信号传输至所述声发射数据采集卡进行信号数字转换，声发射数据采集卡输出的数字信号传输至计算机；采用信号传输线缆进行声发射传感器、信号放大器和声发射数据采集卡的连接；

所述的大变形管道环焊缝弯曲试验机的使用方法，根据待测管线的管径大小，通过丝杠螺母和丝杠调整弯曲压头和矫正压头之间的距离，以使其能够容纳待测管线，且弯曲压头的工作面与待测管线相接触，通过固定法兰将待测管线的两端与固定台固定相连；再通过液压推进器的推进杆推动弯曲压头前进，以实现待测管线的弯曲；弯曲试验后，通过推动杆的拉伸以使弯曲压头后退，利用矫正压头对待测管线进行回复；在测试过程中，通过传感器采集液压信号，以得到力学信号；通过标尺采集形变信号；

大变形管道环焊缝弯曲开裂在线检测方法：对环焊缝施加弯曲载荷，在线实时采集并分析整个弯曲过程中的声发射信号，声发射信号特征参数能够实时指示大变形管道环焊缝在弯曲开裂过程中的弹塑性变形过程、弯曲裂纹萌生的起始时刻、以及裂纹扩展直至断裂的全过程，当声发射信号幅值低于65dB时，管道环焊缝发生显著的弹塑形变形；当声发射信号幅值发生急剧突变并超过70dB时，裂纹开始萌生并扩展；当声发射信号幅值连续超过85dB时，裂纹失稳扩展，预示发生严重的断裂。

2.根据权利要求1所述的大变形管道环焊缝弯曲试验机，其特征在于，在大变形管道环焊缝弯曲开裂在线检测中的应用采用声发射动态无损检测方式。