CN106092744A - 一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，其特征在于：包括环形齿轮和驱动所述环形齿轮旋转的驱动装置，所述环形齿轮的一侧的齿轮端面具有涡状线刻纹，所述环形齿轮外设有壳体，所述壳体具有管缆通过的孔，所述孔与所述环形齿轮同心，所述壳体上设有多个以所述孔的圆心为中心均匀分布的压紧装置，工作状态下，所述涡状线刻纹驱动所述多个压紧装置同步沿所述孔的径向移动。本发明设计一夹紧系统可只通过单个作动器驱动完成多个履带靴的同步运动，通过涡状线刻纹联动各个径向移动的滑块，因此能够实现各履带靴同步向管缆截面中心挤压，保证了挤压精度，避免现有实验装置协调控制所带来的误差。

Description

一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置

技术领域

本发明涉及一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置。

背景技术

我国南海等深水海域蕴藏着丰富的油气资源，但油气开采具有高技术、高风险等特点，需要投入大量的人力、物力与财力研发相关开发装备。随着我国科技进步的快速发展，海洋工程关键装备逐步实现了国产化。其中，输运管道与控制缆线等近些年来在设计分析、加工制造以及测试验证等关键技术中取得了突破性进展，如：用于采油树与存储装备之间或者海上浮体之间油气输送的柔性管道、漂浮管、低温管和RTP管等；负责连接上部平台与海底装备之间电力供应的海缆，以及实现远距离控制功能的脐带缆。这类装备可统称为海洋工程柔顺性管缆，其结构通常由相应的功能构件及加强构件等组成，外观呈现为圆柱形或圆筒形。海洋工程柔顺性管缆在经过分析设计、加工制造、存储运输等阶段，最终需通过铺设船将其铺设于指定海域，实现油气、信号等传输。其中，张紧器是管缆铺设中极为关键的装备之一，主要为所下放管缆提供必要的张紧力，其通过相应装置对管缆施加压紧，从而防止铺设中管缆发生滑脱等意外。同时，利用传动装置驱动履带靴夹持管缆下放入水逐步完成整个铺设过程。在铺设过程中，张紧器张紧力的选择与控制尤为重要，而张紧力的大小主要体现在张紧器上的履带靴对管缆挤压力的大小。因此，挤压力是铺设过程中的关键控制参数之一。为了保证铺设过程中管缆不发生意外破坏，产品出厂后有必要对管缆进行模拟张紧器挤压测试检验，进而研究管缆内部关键构件的应力分布及截面变形特征。实验结果可指导实际管缆铺设控制，从而降低管缆发生破坏的概率。

海洋工程柔顺性管缆结构复杂且种类繁多，不同类型的管缆外径不尽相同，海缆或脐带缆通常的外径为0.1m～0.3m，而柔性管道一般外径为0.2m～0.5m。因此，挤压实验装置中应具有足够大的管缆放置空间，同时，整个实验系统中应具备一套良好的且易于控制的加载系统。根据调研发现，国外实验室主要通过多个作动器同时驱动多个履带靴完成对管缆的挤压实验，并且实验系统较为庞大。而且，国内至今尚未有厂商生产该类试验设备。因此，多数国内外管缆生产厂家或研究机构根据测试对象采用自制的实验装置来进行管缆的抗挤压性能测试。

依据实际工程需求，挤压测试主要模拟铺设中张紧器压紧管缆时的状态。因此挤压测试装置应包括模拟张紧器的压紧驱动装置以及与管缆发生挤压接触的履带靴。除此以外，实验过程需要配置测量设备，如应变片或传感器等以便提取挤压力及管缆变形过程关键构件应力应变。管缆挤压测试实验流程通常按如下步骤：取样、固定、布片、加载、测量和后处理模式展开。实验开始前要制定相应测试方案并对管缆样品进行选取，然后将待测管缆放置于挤压实验装置中，根据工程需求于关键位置布置压力传感器与应变片，并将其连接于数据采集设备。确保上述操作无误后启动加载设备，同时实时采集相关数据。最后，对所得数据进行分析处理并形成完善的实验报告。

已有技术存在的缺陷或问题

目前国外实验室主要采用多个作动器同步驱动进行加载，主要有三种加载形式(如图1-图3所示)。

该类实验装置存在诸多缺点：

1、作动器1```数量较多，实验成本较高；

2、加载装置的控制系统较为复杂，若多个作动器1```不能协调控制，可能导致其上履带靴作用于管缆2```的挤压力不均匀，且作用时间不尽相同，导致测量结果的不精确；

3、该装置需较大的实验场地。

发明内容

针对以上问题，提出一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置。本发明设计了单个作动器驱动多个履带靴同时挤压管缆的模式，并且设计了大口径的管缆放置空间，可满足多种截面尺径管缆的实验要求。

本发明采用的技术手段如下：

一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，包括环形齿轮和驱动所述环形齿轮旋转的驱动装置，所述环形齿轮的一侧的齿轮端面具有涡状线刻纹，所述环形齿轮外设有壳体，所述壳体具有管缆通过的孔，所述孔与所述环形齿轮同心，

所述壳体上设有多个以所述孔的圆心为中心均匀分布的压紧装置，

工作状态下，所述涡状线刻纹驱动所述多个压紧装置同步沿所述孔的径向移动。

所述压紧装置包括滑块、履带靴和位于所述滑块和所述履带靴之间的压力传感器，所述壳体上设有用于所述滑块径向移动的通孔，所述滑块上设有与所述涡状线刻纹相匹配的滑槽，所述履带靴的用于压紧管缆的工作面具有120°的张角。

所述驱动装置包括滑轨、位于所述滑轨上的齿条，驱动所述齿条沿所述滑轨移动的作动器，所述齿条上的齿与所述环形齿轮上的齿相啮合。

所述壳体外设有支架。

所述作动器的输出端与所述齿条的端部连接。

本发明具有以下优点：

1、与现有技术相比，本发明设计一夹紧系统可只通过单个作动器驱动完成多个履带靴的同步运动，极大的减少了作动器的数目，节省成本。

2、使用单个作动器，控制系统更为简单，操作更加方便。

3、相比国外该类装置，更加节省实验空间。

4、本发明通过涡状线刻纹联动各个径向移动的滑块，因此能够实现各履带靴同步向管缆截面中心挤压，保证了挤压精度，避免现有实验装置协调控制所带来的误差。

5、设计了作动器沿滑轨方向对齿条进行推动实现齿轮转动的方式，便于履带靴对管缆的加载。

6、可沿滑块径向标注刻度，便于读取径向位移加载量。

7、可设计张角不同的履带靴，便于模拟不同类型的张紧器履带靴形式，从而，更准确的测得管缆构件应力及整体变形情况。

8、滑块与履带靴之间连接压力传感器，通过该传感器可精确获得施加于管缆挤压力的大小。

9、本发明能够推广用于模拟其他圆截面构件(如大口径钢管，圆截面混凝土桩等)受挤压情况下的相关性能参数测试。

基于上述理由本发明可在柱状结构性能参数测试等领域值得广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有两个作动器同步驱动加载试验装置。

图2是现有三个作动器同步驱动加载试验装置。

图3是现有四个作动器同步驱动加载试验装置。

图4是本发明的实施例1中一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置的结构示意图。

图5是本发明的实施例1中壳体、环形齿轮以及压紧装置之间的装配示意图。

图6是图5的左视图。

图7是图5的俯视图。

图8是本发明的实施例1中环形齿轮的结构示意图。

图9是图8的后视图。

图10是图8的左视图。

图11是本发明的实施例1中壳体前盘的结构示意图。

图12是图11的左视图。

图13是图11的俯视图。

图14是本发明的实施例1中壳体后盘的结构示意图。

图15是图14的左视图。

图16是图14的俯视图。

图17是本发明的实施例1中压紧装置的结构示意图。

图18是图17的左视图。

图19是图17的俯视图。

图20是本发明的实施例2中一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置的结构示意图。

图21是本发明的实施例2中壳体、环形齿轮以及压紧装置之间的装配示意图。

图22是图21的左视图。

图23是图21的俯视图。

图24是本发明的实施例2中环形齿轮的结构示意图。

图25是图24的后视图。

图26是图24的左视图。

图27是本发明的实施例2中壳体前盘的结构示意图。

图28是图27的左视图。

图29是图27的俯视图。

图30是本发明的实施例2中壳体后盘的结构示意图。

图31是图30的左视图。

图32是图30的俯视图。

图33是本发明的实施例2中压紧装置的结构示意图。

图34是图33的左视图。

图35是图33的俯视图。

图36是本发明的实施例3中一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置的结构示意图。

图37是本发明的实施例3中壳体、环形齿轮以及压紧装置之间的装配示意图。

图38是图37的左视图。

图39是图37的俯视图。

图40是本发明的实施例3中环形齿轮的结构示意图。

图41是图40的后视图。

图42是图40的左视图。

图43是本发明的实施例3中壳体前盘的结构示意图。

图44是图43的左视图。

图45是图43的俯视图。

图46是本发明的实施例3中壳体后盘的结构示意图。

图47是图46的左视图。

图48是图46的俯视图。

图49是本发明的实施例3中压紧装置的结构示意图。

图50是图49的左视图。

图51是图49的俯视图。

具体实施方式

一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，包括环形齿轮和驱动所述环形齿轮旋转的驱动装置，所述环形齿轮的一侧的齿轮端面具有涡状线刻纹，所述环形齿轮外设有壳体，所述壳体具有管缆通过的孔，所述孔与所述环形齿轮同心，

所述壳体上设有多个以所述孔的圆心为中心均匀分布的压紧装置，

工作状态下，所述涡状线刻纹驱动所述多个压紧装置同时沿所述孔的径向移动。

所述压紧装置包括滑块、履带靴和位于所述滑块和所述履带靴之间的压力传感器，所述壳体上设有用于所述滑块径向移动的通孔，所述滑块上设有与所述涡状线刻纹相匹配的滑槽，所述履带靴的用于压紧管缆的工作面具有120°的张角。

所述驱动装置包括滑轨、位于所述滑轨上的齿条，驱动所述齿条沿所述滑轨移动的作动器，所述齿条上的齿与所述环形齿轮上的齿相啮合。

所述壳体外设有支架。

所述作动器的输出端与所述齿条的端部连接。

实施例1

如图4-图19所示，一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，包括环形齿轮1和驱动所述环形齿轮1旋转的驱动装置，所述环形齿轮1的一侧的齿轮端面具有涡状线刻纹2，所述环形齿轮1外设有壳体3，所述壳体3具有管缆通过的孔4，所述孔4与所述环形齿轮1同心，

所述壳体3上设有两个以所述孔4的圆心为中心均匀分布的压紧装置，

所述压紧装置包括滑块5、履带靴6和位于所述滑块5和所述履带靴6之间的压力传感器7，所述壳体3上设有用于所述滑块5径向移动的通孔8，所述滑块5上设有与所述涡状线刻纹2相匹配的滑槽9，所述履带靴6的用于压紧管缆的工作面10具有120°的张角。

所述驱动装置包括滑轨11、位于所述滑轨11上的齿条12，驱动所述齿条12沿所述滑轨11移动的作动器13，所述齿条12上的齿与所述环形齿轮1上的齿相啮合。

所述壳体3外设有支架14。

所述作动器13的输出端与所述齿条12的端部连接。

所述壳体3呈类椭圆形，即缺失上、下弓形部分的盘状结构，

所述壳体3包括壳体前盘15和壳体后盘16，所述壳体前盘15的靠近缺失的弓形部分位置设有所述通孔8，所述壳体后盘16的内盘面设有环状凸起17，所述环形齿轮1的远离所述涡状线刻纹2的一侧的齿轮端面具有与所述环状凸起17相匹配的环形凹槽18，所述环形齿轮1可沿所述环状凸起17滑动旋转，

工作状态下，管缆插入到所述孔4内，所述作动器13推动所述齿条12，所述齿条12推动所述环形齿轮1旋转，进而所述涡状线刻纹2与所述滑槽9相配合，驱动所述滑块5沿所述通孔8径向移动，从而驱动所述履带靴6挤压管缆。

实施例2

如图20-图35所示，一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，包括环形齿轮1`和驱动所述环形齿轮1`旋转的驱动装置，所述环形齿轮1`的一侧的齿轮端面具有涡状线刻纹2`，所述环形齿轮1`外设有壳体3`，所述壳体3`具有管缆通过的孔4`，所述孔4`与所述环形齿轮1`同心，

所述壳体3`上设有三个以所述孔4`的圆心为中心均匀分布的压紧装置，

所述压紧装置包括滑块5`、履带靴6`和位于所述滑块5`和所述履带靴6`之间的压力传感器7`，所述壳体3`上设有用于所述滑块5`径向移动的通孔8`，所述滑块5`上设有与所述涡状线刻纹2`相匹配的滑槽9`，所述履带靴6`的用于压紧管缆的工作面10`具有120°的张角。

所述驱动装置包括滑轨11`、位于所述滑轨11`上的齿条12`，驱动所述齿条12`沿所述滑轨11`移动的作动器13`，所述齿条12`上的齿与所述环形齿轮1`上的齿相啮合。

所述壳体3`外设有支架14`。

所述作动器13`的输出端与所述齿条12`的端部连接。

所述壳体3`呈类三角形，即缺失呈中心对称的三个弓形部分的盘状结构，其中一个缺失的弓形部分正对所述齿条12`，

所述壳体3`包括壳体前盘15`和壳体后盘16`，所述壳体前盘15`的靠近缺失的弓形部分位置设有所述通孔8`，所述壳体后盘16`的内盘面设有环状凸起17`，所述环形齿轮1`的远离所述涡状线刻纹2`的一侧的齿轮端面具有与所述环状凸起17`相匹配的环形凹槽18`，所述环形齿轮1`可沿所述环状凸起17`滑动旋转，

工作状态下，管缆插入到所述孔4`内，所述作动器13`推动所述齿条12`，所述齿条12`推动所述环形齿轮1`旋转，进而所述涡状线刻纹2`与所述滑槽9`相配合，驱动所述滑块5`沿所述通孔8`径向移动，从而驱动所述履带靴6`挤压管缆。

实施例3

如图36-图51所示，一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，包括环形齿轮1``和驱动所述环形齿轮1``旋转的驱动装置，所述环形齿轮1``的一侧的齿轮端面具有涡状线刻纹2``，所述环形齿轮1``外设有壳体3``，所述壳体3``具有管缆通过的孔4``，所述孔4``与所述环形齿轮1``同心，

所述壳体3``上设有四个以所述孔4``的圆心为中心均匀分布的压紧装置，

所述压紧装置包括滑块5``、履带靴6``和位于所述滑块5``和所述履带靴6``之间的压力传感器7``，所述壳体3``上设有用于所述滑块5``径向移动的通孔8``，所述滑块5``上设有与所述涡状线刻纹2``相匹配的滑槽9``，所述履带靴6``的用于压紧管缆的工作面10``具有120°的张角。

所述驱动装置包括滑轨11``、位于所述滑轨11``上的齿条12``，驱动所述齿条12``沿所述滑轨11``移动的作动器13``，所述齿条12``上的齿与所述环形齿轮1``上的齿相啮合。

所述壳体3``外设有支架14``。

所述作动器13``的输出端与所述齿条12``的端部连接。

所述壳体3``呈类正方形，即缺失呈中心对称的四个弓形部分的盘状结构，其中一个缺失的弓形部分正对所述齿条12``，

所述壳体3``包括壳体前盘15``和壳体后盘16``，所述壳体前盘15``的靠近缺失的弓形部分位置设有所述通孔8``，所述壳体后盘16``的内盘面设有环状凸起17``，所述环形齿轮1``的远离所述涡状线刻纹2``的一侧的齿轮端面具有与所述环状凸起17``相匹配的环形凹槽18``，所述环形齿轮1``可沿所述环状凸起17``滑动旋转，

工作状态下，管缆插入到所述孔4``内，所述作动器13``推动所述齿条12``，所述齿条12``推动所述环形齿轮1``旋转，进而所述涡状线刻纹2``与所述滑槽9``相配合，驱动所述滑块5``沿所述通孔8``径向移动，从而驱动所述履带靴6``挤压管缆。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，其特征在于：包括环形齿轮和驱动所述环形齿轮旋转的驱动装置，所述环形齿轮的一侧的齿轮端面具有涡状线刻纹，所述环形齿轮外设有壳体，所述壳体具有管缆通过的孔，所述孔与所述环形齿轮同心，

所述壳体上设有多个以所述孔的圆心为中心均匀分布的压紧装置，

工作状态下，所述涡状线刻纹驱动所述多个压紧装置同步沿所述孔的径向移动。

2.根据权利要求1所述的一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，其特征在于：所述压紧装置包括滑块、履带靴和位于所述滑块和所述履带靴之间的压力传感器，所述壳体上设有用于所述滑块径向移动的通孔，所述滑块上设有与所述涡状线刻纹相匹配的滑槽，所述履带靴的用于压紧管缆的工作面具有120°的张角。

3.根据权利要求1所述的一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，其特征在于：所述驱动装置包括滑轨、位于所述滑轨上的齿条，驱动所述齿条沿所述滑轨移动的作动器，所述齿条上的齿与所述环形齿轮上的齿相啮合。

4.根据权利要求1所述的一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，其特征在于：所述壳体外设有支架。

5.根据权利要求3所述的一种海洋工程柔顺性管缆挤压实验装置，其特征在于：所述作动器的输出端与所述齿条的端部连接。