CN105890996A - 一种易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳实验装置，包括摆头装置、可移动框架、实验脐带缆、拉伸加载装置、弯曲加载装置以及人工地面基础。实验装置通过一端的可移动框架及拉伸加载装置对脐带缆施加恒定的拉伸荷载，另一端通过两个三可移动框架、摆头装置及弯曲加载装置施加循环弯曲荷载，来模拟脐带缆在实际海洋环境及浮体运动下的受力情况，从而验证动态脐带缆在实际服役过程中的疲劳寿命。本实验机采用分布式模块化设计方法，可以根据不同长度、不同口径的对象进行拆装，具有安装操作方便等优点。

Description

一种易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及一种海洋动态应用的水下生产系统脐带缆的疲劳试验装置，特别是一种适用于与上部浮体连接的易发生疲劳失效的动态脐带缆的端部，模拟脐带缆及相应附属构件在实际服役过程中受到拉伸荷载及弯曲组合循环荷载时疲劳寿命的试验装置设计。

背景技术

水下生产系统是深水石油开发中的一种经济有效的开发模式，随着我国南海石油开发的飞速发展，有广泛的应用前景。连接海上浮体与海底设备的动态脐带缆是水下生产系统的关键装备之一，为海底设备提供电力、液压和化学药剂注入以及数据传输。周期性波浪荷载以及平台运动使得深水动态脐带缆顶部受到较大拉伸荷载以及循环弯曲荷载的组合作用，导致脐带缆内部单元受到交变应力而产生累积损伤进一步引起疲劳破坏。由于脐带缆为多单元、非粘接的螺旋缠绕结构，使得疲劳寿命的理论和数值分析存在较多的不确定性。目前，动态脐带缆的疲劳寿命分析的研究尚处于探索阶段，需要搭建室内原型疲劳试验系统，模拟拉弯组合工况下动态脐带缆的受力情况，检验动态脐带缆的疲劳寿命。

以往的该类试验装置多采用整体式设计，受试验机自身体积及固定安装限制，难以对试验机进行大范围的参数调节，试验方案的灵活性较差，适用范围较小，本发明所提供的试验装置采用分布式模块化设计方法，可以有效克服以上障碍，从而达到提高试验效率和节约试验成本的最终目的。

发明内容

针对上述问题，面向国内外众多海域环境和脐带缆结构特点，本发明面向 端部处动态脐带缆和附属构件，能够提供一种模拟拉弯组合工况的疲劳试验装置。

本发明的技术方案是：

一种易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置，该海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置包括摆头装置1、三个可移动框架2、试验脐带缆3、拉伸加载装置4、弯曲加载装置5和人工地面基础6；人工地面基础6为设有多个沟槽轨道的平台，3个可移动框架2通过螺栓固定于人工地面基础6的沟槽轨道上，前端并列设置的两个可移动框架2，两可移动框架2间预留偶数条人工地面基础6的沟槽轨道，后端的可移动框架2安装于预留沟槽轨道的中间轨道，根据试验脐带缆3调整其在人工地面基础6的位置并固定，保证三个可移动框架2组成等边三角形；摆头装置1上的摆头尾部节段1-3通过销轴与前端可移动框架2的标准连接件2-2连接；拉伸加载装置4一端的拉伸液压油缸4-1通过销轴与后端可移动框架2的标准连接件2-2连接，另一端通过螺栓与试验脐带缆3的试验脐带缆连接件4-3一端连接，试验脐带缆3的另一端通过螺栓与摆头装置1的试验脐带缆固定板1-1连接；弯曲加载装置5一端通过螺栓与人工地面基础6的沟槽连接，另一端通过螺栓与摆头装置1的弯曲加载装置连接件1-4连接；

摆头装置1包括试验脐带缆端部固定板1-1、摆头标准节段1-2、摆头尾部节段1-3和弯曲加载装置连接件1-4；脐带缆端部固定板1-1为带有螺栓孔的正方形板，摆头标准节段1-2为长方体空间桁架，用于增加摆头装置1的长度，摆头尾部节段1-3为连接摆头标准节段1-2与可移动框架2的过渡装置，由两个三角形钢板、轴承固定座及加强空间桁架组成，弯曲加载装置连接件1-4为梯形体，用于连接摆头装置1与弯曲加载装置5；试验脐带缆固定板1-1通过螺 栓与摆头标准节段1-2连接，摆头标准节段1-2通过螺栓与摆头尾部节段1-3连接，弯曲加载装置连接件1-4通过螺栓连接于摆头标准节段1-2一侧面，各部分安装就位后如图3所示；摆头装置1可在弯曲加载装置5的驱动下绕框架2上下摆动，从而实现往复弯曲荷载的施加；

可移动框架2包括三角框架2-1、标准连接件2-2和固定底座2-3，三角框架2-1为两块垂直承力板加装三角形加强筋，用于固定人工地面基础6上的其他部分，固定底座2-3为两块水平承力板加装中部支撑，用于连接三角框架2-1与人工地面基础6，并调节三角框架2-1高度；三角框架2-1通过螺栓与固定底座2-3连接，标准连接件2-2通过螺栓与三角框架2-1连接，并可进行上下调节，标准连接件2-2通过销轴与摆头装置1连接；

拉伸加载装置4包括拉伸液压油缸4-1、连接销轴a4-2和试验脐带缆连接件4-3，拉伸液压油缸4-1一端通过销轴与后端可移动框架2的标准连接件2-2连接，另一端通过连接销轴4-2与试验脐带缆连接件4-3一端连接，试验脐带缆连接件4-3另一端通过螺栓与试验脐带缆3连接，拉伸加载装置4通过拉伸液压油缸4-1的收缩动作实现；

弯曲加载装置5包括液压油缸连接件5-1、连接销轴b5-2、弯曲液压油缸5-3和油缸固定座5-4，弯曲液压油缸5-3两端通过连接销轴b5-2与液压油缸连接件5-1连接；一端的液压油缸连接件5-1通过螺栓与油缸固定座5-4连接，另一端的液压油缸连接件5-1通过螺栓与摆头装置1的标准连接件2-2连接，油缸固定座5-4通过螺栓与人工地面基础6连接，往复弯曲加载通过弯曲液压油缸5-3的伸缩动作实现。

该试验装置可通过在人工地面基础6上任意移动可移动框架2来适应不同长度的脐带缆试验。摆头装置1的长度可通过任意增加或减少摆头标准节段1-2来 实现，摆头装置1的上下俯仰角度可通过任意移动弯曲加载装置5来实现，实现装置的整体高度可通过任意增加或减少固定底座2-3来实现。

本发明的有益效果：

1.本试验机钢材用量较少，并具有可设计性，可拆卸及安装方便等特点。

2.本试验机采用分布式模块化设计方法，灵活性好，适用范围大。

3.本试验机适合多种长度多种口径的脐带缆，加载方式符合动态脐带缆使用过程中的实际工况要求，能很好的反应脐带缆实际受力和疲劳情况。

附图说明

图1是本发明的易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置结构构成示意图。

图2是本发明的摆头装置的构成示意图。

图3是本发明的摆头装置安装图。

图4是本发明的可移动框架的构成图。

图5是本发明的拉伸加载装置的构成图。

图6是本发明的弯曲加载装置的构成图。

图7是本发明的易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置结构构成主视图。

图中：1摆头装置；2三个可移动框架；3试验脐带缆；4拉伸加载装置；5弯曲加载装置；6人工地面基础；1-1试验脐带缆端部固定板；1-2摆头标准节段；1-3摆头尾部节段；1-4弯曲加载装置连接件；2-1三角框架；2-2标准连接件；2-3固定底座；4-1拉伸液压油缸；4-2连接销轴a；4-3试验脐带缆连接件；5-1液压油缸连接件；5-2连接销轴b；5-3弯曲液压油缸；5-4油缸固定座。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置，包括摆头装置、可移动框架、试验脐带缆、拉伸加载装置、弯曲加载装置以及人工地面基础；本试验装置一端通过一个力控制的液压缸施加恒定的拉伸荷载，另一端通过一个位移控制的液压缸对摆头施加循环弯曲荷载。本试验放置的人工地面基础为20米长，6米宽，因此可对20米长以内各种长度的脐带缆进行试验。其中，摆头装置宽1.2米，可以对直径8英寸以内多种口径脐带缆进行模拟实际工况疲劳试验，6、本试验机可实现拉伸荷载500KN，弯矩15KN.m的加载。

如图1所示，本试验装置包括摆头装置1、3个可移动框架2、试验脐带缆3、拉伸加载装置4、弯曲加载装置5和人工地面基础6；摆头装置1通过销轴与前端的可移动框架2连接，可移动框架2通过螺栓与人工地面基础6的沟槽连接，拉伸加载装置4一端通过销轴与后端的可移动框架2连接，另一端通过螺栓与试验脐带缆3连接，试验脐带缆3另一端通过螺栓与摆头装置1连接，弯曲加载装置5一端通过螺栓与人工地面基础6的沟槽连接，另一端通过螺栓与摆头装置1连接。

如图2所示，摆头装置主要由以下几部分构成：试验脐带缆端部固定板1-1、摆头标准节段1-2、摆头尾部节段1-3、弯曲加载装置连接件1-4。试验脐带缆固定板1-1通过螺栓与摆头标准节段1-2连接，摆头标准节段1-2通过螺栓与摆头尾部节段1-3连接，弯曲加载装置连接件1-4通过螺栓与摆头标准节段1-2连接，各部分安装就位后如图3所示。摆头装置1可在弯曲加载装置5的驱动下绕框架2上下摆动(如图3中虚线所示)，从而实现往复弯曲荷载的施加。

三个可移动框架相同构型及尺寸。主要由以下几部分组成：三角框架2-1；、标准连接件2-2、固定底座2-3，如图4所示。三角框架2-1通过螺栓与固定底 座2-3连接，标准连接件2-2通过螺栓与三角框架2-1连接，并可进行上下调节，标准连接件2-2通过销轴与摆头连接。

如图5所示，拉伸加载装置主要由以下几部分组成：拉伸液压油缸4-1、连接销轴4-2、试验脐带缆连接件4-3。拉伸液压油缸4-1一端通过销轴与后端可移动框架2连接，另一端通过连接销轴4-2与试验脐带缆连接件4-3连接，试验脐带缆连接件4-3另一端通过螺栓与试验缆3连接，拉伸加载通过拉伸液压油缸4-1的收缩动作实现。

如图6所示，弯曲加载装置主要由以下几部分组成：液压油缸连接件5-1、连接销轴5-2、弯曲液压油缸5-3、油缸固定座5-4。弯曲液压油缸5-3两端通过连接销轴5-2与液压油缸连接件5-1连接，一端的液压油缸连接件5-1通过螺栓与油缸固定座5-4连接，另一端的液压油缸连接件5-1通过螺栓与摆头装置1连接，油缸固定座5-4通过螺栓与人工地面基础6连接，往复弯曲加载通过弯曲液压油缸5-3的伸缩动作实现。

该实现装置可通过在人工地面基础6上任意移动可移动框架2来适应不同长度的脐带缆试验。摆头装置1的长度可通过任意增加或减少摆头标准节段1-2来实现，摆头装置1的上下俯仰角度可通过任意移动弯曲加载装置5来实现，实现装置的整体高度可通过任意增加或减少固定底座2-3来实现。

Claims (1)

1.一种易调节的海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置，其特征在于，该海洋动态脐带缆拉弯组合疲劳试验装置包括摆头装置(1)、三个可移动框架(2)、试验脐带缆(3)、拉伸加载装置(4)、弯曲加载装置(5)和人工地面基础(6)；人工地面基础(6)为设有多个沟槽轨道的平台，3个可移动框架(2)通过螺栓固定于人工地面基础(6)的沟槽轨道上，前端并列设置的两个可移动框架(2)，两可移动框架(2)间预留偶数条人工地面基础(6)的沟槽轨道，后端的可移动框架(2)安装于预留沟槽轨道的中间轨道，根据试验脐带缆(3)调整其在人工地面基础(6)的位置并固定，保证三个可移动框架(2)组成等边三角形；摆头装置(1)上的摆头尾部节段(1-3)通过销轴与前端可移动框架(2)的标准连接件(2-2)连接；拉伸加载装置(4)一端的拉伸液压油缸(4-1)通过销轴与后端可移动框架(2)的标准连接件(2-2)连接，另一端通过螺栓与试验脐带缆(3)的试验脐带缆连接件(4-3)一端连接，试验脐带缆(3)的另一端通过螺栓与摆头装置(1)的试验脐带缆固定板(1-1)连接；弯曲加载装置(5)一端通过螺栓与人工地面基础(6)的沟槽连接，另一端通过螺栓与摆头装置(1)的弯曲加载装置连接件(1-4)连接；

摆头装置(1)包括试验脐带缆端部固定板(1-1)、摆头标准节段(1-2)、摆头尾部节段(1-3)和弯曲加载装置连接件(1-4)；脐带缆端部固定板(1-1)为带有螺栓孔的正方形板，摆头标准节段(1-2)为长方体空间桁架，用于增加摆头装置(1)的长度，摆头尾部节段(1-3)为连接摆头标准节段(1-2)与可移动框架(2)的过渡装置，由两个三角形钢板、轴承固定座及加强空间桁架组成，弯曲加载装置连接件(1-4)为梯形体，用于连接摆头装置(1)与弯曲加载装置(5)；试验脐带缆固定板(1-1)通过螺栓与摆头标准节段(1-2)连接，摆头标准节段(1-2)通过螺栓与摆头尾部节段(1-3)连接，弯曲加载装置连接件(1-4)通过螺栓连接于摆头标准节段(1-2)一侧面；摆头装置(1)可在弯曲加载装置(5)的驱动下绕框架(2)上下摆动，从而实现往复弯曲荷载的施加；

可移动框架(2)包括三角框架(2-1)、标准连接件(2-2)和固定底座(2-3)，三角框架(2-1)为两块垂直承力板加装三角形加强筋，用于固定人工地面基础(6)上的其他部分，固定底座(2-3)为两块水平承力板加装中部支撑，用于连接三角框架(2-1)与人工地面基础(6)，并调节三角框架(2-1)高度；三角框架(2-1)通过螺栓与固定底座(2-3)连接，标准连接件(2-2)通过螺栓与三角框架(2-1)连接，并可进行上下调节，标准连接件(2-2)通过销轴与摆头装置(1)连接；

拉伸加载装置(4)包括拉伸液压油缸(4-1)、连接销轴a(4-2)和试验脐带缆连接件(4-3)，拉伸液压油缸(4-1)一端通过销轴与后端可移动框架(2)的标准连接件(2-2)连接，另一端通过连接销轴(4-2)与试验脐带缆连接件(4-3)一端连接，试验脐带缆连接件(4-3)另一端通过螺栓与试验脐带缆(3)连接，拉伸加载装置(4)通过拉伸液压油缸(4-1)的收缩动作实现；

弯曲加载装置(5)包括液压油缸连接件(5-1)、连接销轴b(5-2)、弯曲液压油缸(5-3)和油缸固定座(5-4)，弯曲液压油缸(5-3)两端通过连接销轴b(5-2)与液压油缸连接件(5-1)连接；一端的液压油缸连接件(5-1)通过螺栓与油缸固定座(5-4)连接，另一端的液压油缸连接件(5-1)通过螺栓与摆头装置(1)的标准连接件(2-2)连接，油缸固定座(5-4)通过螺栓与人工地面基础(6)连接，往复弯曲加载通过弯曲液压油缸(5-3)的伸缩动作实现。