CN105806694A

CN105806694A - 海底管道复杂载荷联合加载试验装置

Info

Publication number: CN105806694A
Application number: CN201610064629.1A
Authority: CN
Inventors: 樊志远; 余建星; 余杨; 孙震洲; 段晶辉; 刘杰; 王华昆
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: CN105806694B

Abstract

本发明涉及一种海底管道复杂载荷联合加载试验装置，包括端盖(1‑1)，筒体端部(1‑6)，筒体主体(1‑5)，筒体尾部(1‑12)，在试验管件(1‑16)两端分别焊有前端密封法兰(1‑15)和尾端密封法兰(1‑19)，在筒体主体(1‑5)的顶部和侧部分别开设有孔，在两个开孔处安装有激震装置(1‑10)，用于对管件径向施加振动载荷；在筒体尾部(1‑12)通过连接组件(1‑13)连接有轴向力‑扭矩联合加载装置；尾端密封法兰(1‑1)通过尾端连接组件(1‑23)与连接轴(1‑21)相连，连接轴(1‑21)伸出筒体外与轴向力‑扭矩联合加载装置相连。本发明提供深水管道及立管在不同极限条件载荷下的近似模拟。

Description

海底管道复杂载荷联合加载试验装置

技术领域

本发明涉及一种海底管道复杂载荷联合加载试验装置，利用该装置可以实现缩比尺管道试件受到轴向拉压，振动，扭矩及外压载荷的联合作用，近似模拟海底管道和立管在安装及服役期间的真实作业环境，实现对不同载荷组合作用下深水管道及立管失效模式的深入探索。

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”。

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，其主要构成包括海底油气输送管线及立管。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。服役期间，海底管道的一些关键结构(如跨界管)会受到地震、海流的涡激振动、轴向力以及扭矩的共同作用，其破坏模式受到多种因素的影响；立管作为连接水下生产结构和水上浮体结构的连接主体，其在运营过程当中会受到外压、上部浮体的升沉运动引发的轴向激震力以及海流作用下的涡激力的联合作用。深海输油管线一旦发生破坏，将造成难以弥补的经济损失，所以建造缩比尺深水海底管道复杂载荷联合加载试验装置，开展缩比尺试验，对缩比尺海底管道试件施加外压、轴向力、扭转及振动载荷的联合作用，近似模拟海底管道在服役期间的真实作业环境，对联合载荷作用下海底管道及立管的失效模式进行探索。

深水海底管道及立管在设计之前，必须进行相关测试试验以保证海底管道安装作业和输送管线的安全性。国内外的大量研究成果都表明，通过比例近似等相关原则，缩比尺试验结果可作为实际设计的参考标准。本发明的试验装置能够完成缩比尺深水管道的试验。该装置能够有效施加外压、轴向力、扭矩及振动载荷的联合作用，实现真正意义上的海底管道极限作业环境的模拟，为海底管道的设计和研究提供可靠的技术支持和试验保障。现今国内外在深海压力舱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，不能够实现在多种载荷联合作用下的局部稳定性试验。

2.国内外相关装置不能够实现在高水压作用下，同时施加径向双向振动、轴向拉压及扭矩复合载荷，进行高压下的海底管道试件动力测试试验。

3.国内外相关装置不能够实现在高水压作用下，同时施加轴向、径向振动载荷，进行高压下的深水立管试件的动力测试试验。

已有试验装置(如专利申请号：CN201110008538)，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的上述不足提供一种海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验装置。本发明引入了径向及轴向振动载荷，扭矩载荷，实现外压、轴向力、振动和扭转载荷的联合作用，提供深水管道及立管在不同极限条件载荷下的近似模拟，从而对深海油气输送管线设计提供数据和参考。本发明的技术方案如下：

1.一种海底管道复杂载荷联合加载试验装置，包括端盖(1-1)，筒体端部(1-6)，筒体主体(1-5)，筒体尾部(1-12)，在试验管件(1-16)两端分别焊有前端密封法兰(1-15)和尾端密封法兰(1-19)，其特征在于，

在筒体主体(1-5)的顶部和侧部分别开设有孔，在两个开孔处安装有激震装置(1-10)，用于对管件径向施加振动载荷；

筒体前端通过设置定位稍(1-3)和卡箍(1-4)使得前端盖闭合，并通过密封圈(1-2)保持密封。

在筒体尾部(1-12)通过连接组件(1-13)连接有轴向力-扭矩联合加载装置；

试验管件(1-16)的前端密封法兰(1-15)通过前端连接组件(1-22)与端盖(1-1)相连，其尾端密封法兰(1-1)通过尾端连接组件(1-23)与连接轴(1-21)相连，连接轴(1-21)伸出筒体外与轴向力-扭矩联合加载装置相连。

轴向力-扭施联合加载装置包括扭矩加载装置(1-24)和轴向力加载装置(1-25)；轴向力加载装置包括轴向力液压油缸(2-6)、轴向力液压油缸外伸活塞杆(2-5)和轴向力加载连接器(2-4)，其中轴向力液压油缸外伸活塞杆(2-5)通过轴向力加载连接器(2-4)与连接轴(1-21)相连；扭矩加载装置主要由曲柄机构(2-3)、扭矩液压油缸(2-2)以及固定在筒体尾部(1-12)的反力支架(2-1)三个部分组成，其中曲柄机构(2-3)与连接轴(1-21)相连；

前端连接组件(1-22)和尾端连接组件(1-23)均包括两套连接组件，一种是固接形式的组建，一种是铰接形式的组件，以适应不同的荷载加载试验要求。

当试验管件(1-16)两端均采用铰接形式时：此时试验管件(1-6)的前端密封法兰(1-15)通过双头螺柱(3-5)与第一前端铰接部件(3-4)相连，第一前端铰接部件(3-4)与第二前端铰接部件(3-1)相扣合，第二前端铰接部件(3-1)通过前端铰接内螺柱(3-3)连接到端盖(1-1)；

试件管件尾端密封法兰(1-19)通过双头螺柱(3-5)与第一尾端铰接部件(3-6)相连，第一尾端铰接部件(3-6)与第二尾端端铰接部件(3-8)相扣合，第二尾端端铰接部件(3-8)通过尾端铰接双头螺柱(3-10)连接到连接轴(1-21)；连接轴(1-21)与筒体尾部(1-12)设有支撑环(3-9)，以保证连接轴(1-21)与筒体的固定。

本发明提供的海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验装置，与国内外现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明的海底管道复杂载荷联合加载试验装置，可以实现缩比尺深水油气输送系统在其铺设和服役期间真实作业环境的模拟，为深水油气输送系统设计及安装提供技术支持。

(2)可以用来实现高压水作用下的深水油气输送结构的动力测试试验，能够实现径向双向面振动或点振动载荷同时加载，能够实现轴向振动和径向单向面振动载荷及点振动载荷的同时加载。振动伺服油缸设计为水压平衡伺服油缸，用于平衡压力筒内水压的作用力并消除伺服液压缸动作引起的压力筒压力变化。

(3)实现对深水油气输送结构施加外压、轴拉，弯矩，振动载荷的联合作用模式，震动载荷频率为0.1-40HZ，输出载荷包括随机载荷和正余弦等规则载荷，能够满足海底管道在铺设和服役期间的真实作业环境模拟需求，实现深水油气输送系统安装及作业过程的安全校核，实现对联合载荷作用下深水输送结构的静力及动力学的失效模式进行深入探索。

附图说明

图1整体布置图

图中标号说明：1-1—端盖；1-2—密封圈；1-3—定位销；1-4—卡箍；1-5—卡箍紧固组件；1-6—筒体端部；1-7—加压孔；1-8—安全阀；1-9—筒体主体；1-10—激震装置；1-11—排气阀；1-12—筒体尾部；1-13—连接组件；1-14—紧固螺栓；1-15—前端密封法兰；1-16—试验管件；1-17—注水阀；1-18—排水阀；1-19—尾端密封法兰；1-20—鞍座及鞍座调节块；1-21—连接轴；1-22—前端连接组件；1-23尾端连接组件；1-24—扭矩加载装置；1-25—轴向力加载装置。

图2拉扭装置放大示意图

图中标号说明：1-12—筒体尾部；1-13—连接组件；1-14—紧固螺栓；1-21—连接轴；1-24—扭矩加载装置；1-25—轴向力加载装置；2-1—反力支架；2-2—扭矩液压油缸；2-3—曲柄机构；2-4—轴向力加载连接器；2-5—轴向力液压油缸外伸活塞杆；2-6—轴向力液压油缸

图3不同连接方式示意图

图中标号说明：1-15—前端密封法兰；1-19—尾端密封法兰；1-21—连接轴；1-22—前端连接组件；1-23尾端连接组件；3-1—前端铰接组件1；3-2—前端铰接组件2；3-3—前端铰接内螺柱；3-4—前端铰接部件3；3-5—双头螺柱；3-6—尾端铰接组件3；3-7—尾端铰接组件2；3-8—尾端交接组件1；3-9—支撑环；3-10—尾端铰接双头螺柱；3-11—前端固接组件；3-12—前端固接内螺柱；3-13—尾端固接组件；3-14—尾端固接双头螺柱

图4(a)yox平面双向面振动载荷加载示意图

图4(b)zox平面双向面振动载荷加载示意图

图5(a)yox平面双向点振动载荷加载示意图

图5(b)yoz平面双向点振动载荷加载示意图

图6(a)轴向双向振动点振动载荷加载示意图

图6(b)侧向双向振动点振动载荷加载示意图

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，缩比尺深水海底管道复杂载荷联合加载屈曲试验装置主要包括：端盖1-1，筒体端部1-6，筒体主体1-5，筒体尾部1-12以及与筒体尾部相连的轴向力-扭矩联合加载装置扭矩加载装置1-24和轴向力加载装置1-25共同组成。整个筒体部分通过鞍座1-20固定在地面上。筒体前端通过设置定位稍1-3和卡箍1-4使得前端盖闭合，并通过密封圈1-2保持密封。筒体主体设置若干开孔，包括1个安全阀1-8，注水口1-17、排水孔1-18、排气孔1-11以及加压孔1-7。装置中部设有顶部和侧部两个开孔，并分别安装有激震装置1-10，用于对管件径向施加双向点、面振动载荷。试验管件1-16两端分别焊有前端密封法兰1-15和尾端密封法兰1-19。轴向力-扭矩联合加载装置通过连接组件1-13与筒体尾部连接，并通过紧固螺栓固定在筒体尾部1-12。试验中，管件通过前端连接组件1-22与端盖1-1相连，通过尾端连接组件1-23与连接轴1-21相连，连接轴1-21伸出筒体外与轴向力-扭矩联合加载装置相连。筒体能够承受7500米水压，采用高压密封技术，保证高压下能够对管件施加动、静力载荷。

2如图2所示，其为轴向力-扭施联合加载装置示意图。轴向力加载装置主要由轴向力液压油缸2-6、轴向力液压油缸外伸活塞杆2-5，轴向力加载连接器2-4组成。其中轴向力液压油缸外伸活塞杆2-5通过轴向力加载连接器2-4与连接轴1-21相连，能够对管件施加最大为2MN的轴向拉压力。扭矩加载装置主要由曲柄机构2-3、扭矩液压油缸2-2以及固定在筒体尾部1-12的反力支架2-1三个部分组成。其中曲柄机构2-3与连接轴1-21相连，能够对管件施加扭矩。过程中通过曲柄机构实现对扭矩的控制。

3如图3所示，管件两端连接方式可以分为固接和铰接两种形式。

当试验管件1-16两端均采用铰接形式时：此时管件前端密封法兰1-15通过双头螺柱3-5与前端铰接部件33-4相连后，前端铰接部件33-4连同与其相扣合的前端铰接部件23-2通过前端铰接内螺柱3-3与前端铰接部件3-1相连后一并连接到端盖1-1。同时管件尾端密封法兰1-19通过双头螺柱3-5与尾端铰接部件33-6相连后，尾端端铰接部件33-6连同与其相扣合的尾端铰接部件23-7通过尾端铰接双头螺柱3-10与尾端铰接部件3-8相连后一并连接到连接轴1-21。连接轴1-21与筒体尾部1-12设有支撑环3-9，以保证连接轴1-21与筒体时刻保持固定。

试验过程中，不同连接形式组件可以相互组合。

如图4所示，通过安装在筒体上部及侧部的激震装置1-10对管件施加yoz平面内的双向面振动载荷，实现对被测试件同时施加双向面振动载荷、轴向拉压力、扭矩和水压的共同作用。同理如图5，可实现对被测试件同时施加双向点振动载荷、轴向拉压力、扭矩和水压的共同作用。如图6所示，通过将拉扭装置更换为激震装置1-10，实现对加载管件轴轴及侧向的双向点振动激励，模拟管件受到轴向、侧向激震和水压作用下的动力学行为。

试验管件1-16安装于装置内部后，关闭排水阀1-18，开启排气阀1-11，借助外部的注水泵等设备通过注水阀1-17向装置内部注水，待排气阀1-11流出均匀液柱时，关闭排气阀1-11和注水阀1-17。检查好舱体密封性后，利用加压泵等辅助设备从加压孔1-7对装置内部进行加压，达到设定的压力值即可停止加压。随后可以进行缩比尺管件在不同联合载荷作用下的静力及动力学试验。安全阀1-8的设计可以保证舱体内压力过大时，装置内的水从安全阀1-8排出，保证了试验装置的安全性。

Claims

2.根据权利要求1所述的海底管道复杂载荷联合加载试验装置，其特征在于，当试验管件(1-16)两端均采用铰接形式时：此时试验管件(1-6)的前端密封法兰(1-15)通过双头螺柱(3-5)与第一前端铰接部件(3-4)相连，第一前端铰接部件(3-4)与第二前端铰接部件(3-1)相扣合，第二前端铰接部件(3-1)通过前端铰接内螺柱(3-3)连接到端盖(1-1)；

3.根据权利要求1所述的海底管道复杂载荷联合加载试验装置，其特征在于，筒体主体设置有若干开孔，包括安全阀(1-8)，注水口(1-17)、排水孔(1-18)、排气孔(1-11)以及加压孔(1-7)。