CN105466791B - 海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法，所采用的装置包括主舱体(5)、用于对试验管件(12)施加弯矩的侧向液压杆装置d、前端法兰(13)、两套在螺纹上相互匹配的后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，在主舱体(5)的前端向内凸出部位设有与前端法兰(13)相匹配的螺纹，第一套后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，螺纹和螺距与前端法兰的螺距相同，称之为类型Ⅰ，第二套后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，螺距与前端法兰的螺距不同，螺距的差值根据实验要求确定，称之为类型Ⅱ。本发明可以实现对全尺寸海底管道在其铺设和服役期间真实作业环境的模拟，并进行杂载荷联合加载屈曲试验。

Description

海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法

技术领域

本发明涉及一种深水海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法，可以实现对全尺寸海底管道施加轴拉，弯矩，扭矩载荷的联合作用。

背景技术

能源安全和世界经济的核心竞争力越来越依赖于对海洋资源的利用的和开发程度上。而我国海洋油气勘探和开发技术与世界先进水平相比仍有较大差距，必须加快深海油气开发技术革新，步入“深海时代”，海洋强国战略已经逐渐上升至国家意志。

其中深海输油管线的设计建造及相关技术是深海油气资源开发的关键。输油管线的安全运行是深海油气资源得到有效利用的重要保障，然而海底管道在安装过程和服役期间会承受来自环境、设备等多方面载荷的联合作用，海底管道的压溃会对输油管线产生灾难性的破坏，所以建造深水海底管道复杂载荷联合加载的屈曲试验装置，可以对海底管道施加轴拉，弯矩，扭转载荷的联合作用，模拟海底管道在铺设和服役期间的真实作业环境，为海底管道安装作业时承受的载荷进行校核，同时能够对联合载荷作用下深水管道的失效模式进行探索。

现今国内外在深海压力舱设计方面的存在的不足之处主要有：

1.国内外深水压力舱能够模拟的外部载荷单一，主要是在水压作用下的轴拉或弯矩对海底管道力学性能的影响，不能够实现全尺寸管道在多种载荷联合作用下的局部稳定性试验。

2.弯矩加载方式只能在施加水压之前根据弯矩大小进行管件的固定，将固定件放入压力舱内进行试验，不能在试验过程中改变弯矩值的大小。

3.扭矩载荷在铺管作业和输油管线中是必须考虑的重要因素，国内外鲜有针对全尺寸管件的扭矩试验。

国内已有试验装置(如专利申请号：CN201110008538)，在国内开创性实现了全尺寸管道的试验，但也只是外在载荷的单一施加，并不能实现多种载荷的联合作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术上述不足，重新涉及了一种能够实现对海底管道施加轴拉，弯矩，扭转载荷的联合作用的试验装置，并根据此装置，给出了试验方法。本发明的技术方案如下：

一种海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法，所采用包括主舱体(5)、用于对试验管件(12)施加弯矩的侧向液压杆装置d、前端法兰(13)、两套在螺纹上相互匹配的后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，在主舱体(5)的前端向内凸出部位设有与前端法兰(13)相匹配的螺纹，第一套后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，螺纹和螺距与前端法兰的螺距相同，称之为类型Ⅰ，第二套后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，螺距与前端法兰的螺距不同，螺距的差值根据实验要求确定，称之为类型Ⅱ，

所述的试验装置实现的试验方法如下：

①当仅模拟深水水压作用时，采用类型Ⅰ的后端法兰(11)和圆环柱体(9)，此时后端法兰(11)与前端法兰(13)的螺纹和螺距均完全相同，将试验管件(12)与相应的法兰固定连接后，将其从试验装置前端送入主舱体(5)，完成与主舱体(5)前后螺纹的对接后，准备开始进行接下来的试验过程；

②当仅施加轴拉载荷时，采用类型为Ⅱ的后端法兰(11)与圆环柱体(9)，此时后端法兰(11)螺纹的螺距与前端法兰(13)的螺距不同，根据试验所需轴拉的大小，确定前端法兰和后端法兰的旋转角度后，将前后端法兰与主舱体(5)进行连接，完成与主舱体(5)前后螺纹的对接后，试验管件只承受单一载荷轴拉的作用，准备开始进行接下来的试验过程；

③当仅施加扭矩载荷时，采用类型为Ⅱ的后端法兰(11)与圆环柱体(9)，此时后端法兰(11)螺纹的螺距与前端法兰(13)的螺距不同，这样当前端法兰和后端法兰前进相同的距离时，前端法兰(13)与后端法兰(11)旋转角度角度不同，根据试验所需扭矩的大小，确定前后端法兰前进的相同距离后，将前后端法兰与主舱体(5)进行连接，完成与主舱体(5)前后螺纹的对接后，试验管件只承受单一载荷扭矩的作用，准备开始进行接下来的试验过程；

④当施加轴拉和弯矩的联合作用时，采用类型为Ⅱ的后端法兰(11)与圆环柱体(9)，此时后端法兰(11)螺纹的螺距与前端法兰(13)的螺距不同，这样根据试验所需的轴拉和弯矩载荷大小，确定前端法兰和后端法兰各自的旋转角度后，将前后端法兰与主舱体(5)进行连接，完成与主舱体(5)前后螺纹的对接后，试验管件承受轴拉和扭矩的联合作用，准备开始进行接下来的试验过程；

⑤弯矩载荷的施加装置是通过主舱体(5)的侧向开口位置安装液压杆实现的，根据试验的目的性，可以单独施加，也可以与其他载荷联合施加，施加弯矩载荷的时间和大小可以自由控制。

1.根据权利要求1所述的复杂载荷联合加载屈曲试验方法，其特征在于，带螺纹的圆环柱体的螺距是后端法兰的螺距的两倍。

本发明针对全尺寸海底管道，提供了上述深水海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法，与国内外现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明的深水海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法，可以实现对全尺寸海底管道在其铺设和服役期间真实作业环境的模拟，试验结果更加接近实际工况，为工程实际实现有效的试验积累。

(2)本发明考虑到了扭矩载荷对海底管道失效模式的影响，实现了对深水管道更加全面的受力分析，为解决工程实际提供了更加全面的分析视角，为失效模式探索提供了更多的解答途径。

(3)本发明实现了对全尺寸海底管道施加轴拉，弯矩，扭转载荷的联合作用模式，其中弯矩载荷的施加依靠侧向开孔的油压机推动杆件进行，可以在试验过程中根据试验目的便捷灵活的选择弯矩大小，模拟海底管道在铺设和服役期间的真实作业环境，为海底管道安装作业承受的载荷进行校核，同时能够对联合载荷作用下深水管道的失效模式进行探索。

附图说明

图1本发明所采用的试验方法的整体布置图

图2侧向液压装置放大示意图

图3前后端法兰装配过程示意图

图4管道前端法兰

图5管道后端法兰Ⅰ

图6管道后端法兰Ⅱ

图7后端带螺纹圆环Ⅰ

图8后端带螺纹圆环Ⅱ

图9法兰与舱体限位销示意图

图中标号说明：1—螺母；2—双头螺柱；3—球面垫圈；4—前端舱盖；5—主舱体；

6—螺纹；7—流水孔；8—后端舱盖；9—带螺纹的圆环柱体；10—小车；11—后端法兰；

12—试验管件；13—前端法兰；14—前端法兰处螺纹；7—流水孔；15—主舱体前端螺纹；

16—后端法兰处螺纹；17—圆环柱体内螺纹；18—流水孔；19—法兰上的限位孔；

20—舱体上的限位孔；

a—安全阀；b—排气口；c—排水口；d—液压杆；e—压力传感器口；f—测试线路开孔；g—注水口；h—加压孔；

d1—液压杆；d2—活塞；d3—注油口；d4—液压缸；

注：d为主舱体侧向开孔的液压杆装置，为图示清楚标注在图1下方，其实际位置为主舱体侧面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述：

如图1所示，本发明设计的深水海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验装置主要包括：双头螺柱2，舱体前端舱盖4，主舱体5，后端舱盖8，带螺纹圆环柱体9，后端法兰11，试验管件12，前端法兰13，安全阀a，排水口b，加压孔h，注水口g，测试线路开孔f，侧向液压杆装置d等。舱体前端舱盖4和后端舱盖8采用螺栓2与主舱体5连接密封，主要有16个螺栓构成，前后端舱盖构造基本相同，均采用紧箍于端盖内侧的铝制密封圈进行防水密封，后端舱盖包括了加压口h和注水口g。舱体内管件的试验数据通过舱体的开孔传输到舱体外部的数据采集和处理系统，前端舱盖4、后端舱盖8、管道前端法兰13、后端法兰11采用整体锻造技术制造。主舱体部分采用先进的捆扎工艺将高强度钢板层层捆扎，每捆扎一层采用X射线探伤，保证了舱体具有极强的抗压能力和安全性能，能够承受7500米水深的压力。

如图2所示，侧向液压装置主要由液压杆d1，活塞d2，注油口d3，液压缸d4构成。该装置位于主舱体侧向，开孔处以铝制密封圈进行防水密封，该装置共有三个，均匀分布于主舱体侧向，可以在试验过程中控制管件弯矩的施加，增加载荷施加的灵活性。

如图3所示，试验管件12与前端法兰13和后端法兰11完成焊接后，试验件从前端进入主舱体，调整好舱体内小车高度，将试验件后端放在小车上，缓慢放入主舱体，使试验件的前后法兰与主舱体前后处螺纹完成对接，采用液压扳手或其他设备对前后法兰进行同时同角度的转动，达到预设角度和位置后，进行前后法兰的紧固安装。

如图3至图8所示，管道后端法兰11比前端法兰13略小，这样有利于焊接后的试验管件12从主舱体5前端进入安装。同时，管道后端法兰11与后端带螺纹的圆环柱体9分别有两套：Ⅰ和Ⅱ。其中类型Ⅰ代表后端法兰11与前端法兰13的螺纹和螺距均完全相同；类型Ⅱ代表后端法兰11螺纹的螺距是前端法兰13螺距的两倍。这样当后端法兰11采用Ⅰ时，前后端法兰旋转相同角度前进的距离相同；当后端法兰11采用Ⅱ时，由于前后法兰螺距不同，旋转相同角度后，后端法兰11的前进距离是前端法兰13的两倍，从而产生管道轴拉的作用效果。相对应的后端带螺纹的圆环柱体9必须有两套，其作用主要是配合后端法兰11的调换和安装。

该装置主舱体5前后部向内突出部分具有螺纹，前端法兰13和后端法兰11也具有相对应的螺纹如图4、图5、图6所示，可实现前端法兰13和后端法兰11的旋转安装，管道后端法兰11的直径比前端法兰13小，这样后端法兰11可以从主舱体5前部进入舱体。如图7、图8所示主舱体后部特别设计了两套带螺纹的圆环柱体(Ⅰ和Ⅱ)，对应如图5、图6所示两套后端法兰装置(Ⅰ和Ⅱ)，其中圆环柱体螺纹Ⅰ与主舱体前部螺纹完全一样，相对应的后端法兰Ⅰ的螺纹前端法兰的螺纹也完全相同；圆环柱体螺纹Ⅱ的螺距是主舱体前端螺纹螺距的两倍，这样相对应的后端法兰Ⅱ的螺距也是前端法兰螺距的两倍，当前后端法兰旋转相同角度时，后端法兰11前进的距离是前端法兰13的两倍，就会使焊接在前后法兰的管件受到轴拉作用，旋转的角度越大产生的轴拉力越大，成功施加了轴拉载荷。扭矩载荷只需要前后端法兰安装时保证轴向前进距离相同，即由于旋转相同角度后，后端法兰前进距离长，固定后端法兰，使前端法兰继续旋转前进相同的距离，保证前后端法兰旋转后的距离与初始距离不变，但旋转角度不同，旋转至设定角度后利用限位销固定，如图9所示，成功施加了扭矩载荷。考虑到扭矩载荷施加的有效性，在前后法兰相应位置设置限位孔19来放置限位销，以及舱体相应位置设置限位孔20来放置限位销，当扭矩达到设计大小时，利用限位销来固定其位置。

侧向开孔处的液压杆装置，可以通过液压杆的长度变化对管道不同位置施加弯矩载荷。所以该试验装置可完成单个载荷或多个载荷联合作用的加载过程。

如图1所示，试验管件安装于压力舱内部后，可借助液压扳手等工具拧紧前后端盖螺栓2，使前后舱盖处于完全密封状态，关闭排水阀和泄压阀。主舱体上部设计排气孔b，借助外部的注水泵等设备通过舱体尾端盖上的注水孔g冲水，由于管道前后法兰有开孔所以可以保证水充满整个舱体，逐渐冲水使舱内空气排尽，保证舱内充满水后，关闭排气孔b和注水孔g。检查好舱体密封性后，再用加压泵等辅助设备从尾端设置的加压孔h对舱内进行加压，由于排气孔b已将舱内空气排尽，提高了加压过程的安全性，达到设定的压力值即可停止加压，此时舱体内部模拟某一水深的压力环境。同时安全阀a的设计可以保证舱体内压力过大时，将舱体内的水排出，保证试验装置的安全性。

Claims (1)

1.一种海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验方法，所采用的试验装置包括主舱体(5)，用于对试验管件(12)施加弯矩的侧向液压杆装置,其特征在于，所述的试验装置还包括前端法兰(13)、两套在螺纹上相互匹配的后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，在主舱体(5)的前端向内凸出部位设有与前端法兰(13)相匹配的螺纹，第一套后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，螺纹和螺距与前端法兰的螺距相同，称之为类型Ⅰ；第二套后端法兰(11)和带螺纹的圆环柱体(9)，其螺距是前端法兰螺距的两倍，称之为类型Ⅱ；利用所述的试验装置实现的试验方法如下：

①当仅模拟深水水压作用时，采用类型Ⅰ的后端法兰(11)和圆环柱体(9)，此时后端法兰(11)与前端法兰(13)的螺纹和螺距均完全相同，将试验管件(12)与相应的法兰固定连接后，将其从试验装置前端送入主舱体(5)，完成与主舱体(5)前、后螺纹的对接后，准备开始进行接下来的试验过程；

②当仅施加轴拉载荷时，采用类型为Ⅱ的后端法兰(11)与圆环柱体(9)，此时后端法兰(11)螺纹的螺距与前端法兰(13)的螺距不同，根据试验所需轴拉的大小，确定前端法兰和后端法兰的旋转角度后，将前、后端法兰与主舱体(5)进行连接，完成与主舱体(5)前、后螺纹的对接后，试验管件只承受单一载荷轴拉的作用，准备开始进行接下来的试验过程；

③当仅施加扭矩载荷时，采用类型为Ⅱ的后端法兰(11)与圆环柱体(9)，此时后端法兰(11)螺纹的螺距与前端法兰(13)的螺距不同，这样当前端法兰和后端法兰前进相同的距离时，前端法兰(13)与后端法兰(11)旋转角度不同，根据试验所需扭矩的大小，确定前、后端法兰前进的相同距离后，将前、后端法兰与主舱体(5)进行连接，完成与主舱体(5)前、后螺纹的对接后，试验管件只承受单一载荷扭矩的作用，准备开始进行接下来的试验过程；

④弯矩载荷的施加装置是通过主舱体(5)的侧向开口位置安装液压杆实现的，根据试验的目的性，单独施加或与其他载荷联合施加，施加弯矩载荷的时间和大小自由控制。