CN106353193A - 一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置，包括沿直线依次排列的固定端支架、两个固定支架和齿轮和轴，所述轴上设有导条，所述轴的两端具有连接盘，连接盘的外沿具有卡条，所述轴通过所述卡条和卡槽与所述轴承连接，所述轴通过所述导条和所述通槽与所述齿轮连接，所述轴远离所述固定端支架一侧的所述连接盘上设有连接器。本发明的连接器采用嵌入式机械装配，连接座在润滑剂以及齿轮的作用下可绕鼓形连接部的轴线旋转，一方面连接器保证拉伸作动器Ⅱ不会影响扭转效果，另一方面鼓形连接部的几何形状有效的保证作动器Ⅱ可施加较大的拉伸荷载，保证拉伸和扭转互不影响，实现耦合加载下管缆的结构测试。

Description

一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置

技术领域

本发明涉及海洋工程柔顺性管缆测试领域，具体地说是一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置。

背景技术

煤、石油和天然气是推动世界工业发展主要的三大能源。其中，油气资源分布广泛，且有很大一部分分布于地球各个海域。目前，主要通过海上固定平台及各种形式的浮体对海洋油气进行开采和运输，而连接于水面与海底之间的开采装备研发与应用成为了这一开发模式的重要环节。其中一类重要的装备为海洋柔顺性管缆，其结构通常由相应的功能构件及加强构件如铠装钢丝等组成。针对不同的工程需求，应选用相应功能的管缆；海缆主要负责为海底采油设备提供电能，脐带缆主要提供水上浮体与海底装备之间电力、信号传输等相关功能，柔性管道主要负责装备之间的油气输送。海洋柔顺性管缆在存储运输、安装铺设和在位运行等工况时，由于受到工作荷载、浮体运动和复杂海洋环境等因素影响，容易造成多种力学行为失效。特别地，在实际安装铺设柔顺性管缆的过程中，由于存放于卷盘上的管缆将通过若干牵引装置过渡到下水桥释放入水，其容易导致管缆截面扭转积累，同时加上铺设过程中的管/缆体自重以及张紧器所施加的牵引拉力，两者叠加形成的拉扭组合荷载容易造成管缆破坏。因此，海洋工程柔性管缆截面在拉伸扭转组合作用下的力学性能是重要的设计参数之一。为了研究管缆拉扭力学行为特征以及验证其强度是否达到设计要求，从而降低使用过程中发生拉扭组合下破坏的概率；管缆服役前在实验室内需对其进行拉扭组合测试。一方面为研究管缆力学机理提供试验支撑，另一方面其测量结果将作为重要的力学性能指标。

海洋工程柔顺性管缆由功能构件和力学性能加强构件组成，为典型的多层螺旋缠绕结构，通常口径100mm-500mm不等；一般柔性管道口径要大于海缆或脐带缆，而且由于其还有若干金属层抵抗内外压和拉伸荷载，因此其扭转刚度较大。海缆和脐带缆扭转刚度大致范围为10-100KNm2，而柔性管道扭转刚度通常范围为1000-3000KNm2。目前试验机多为对材料试件或管缆结构的单独扭转或拉伸测试，缺少拉扭组合实验装置。同时，根据调研发现市场上现有的施加扭矩装置，不论是电力还是液压驱动，其输出扭矩虽然能够满足海缆或脐带缆要求，但是难以实现柔性管道的有效扭转。特别地，当需要测试最大扭转角度时，随着转角的增大，螺旋缠绕式的管缆将发生握紧效应，为克服其阻力需要施加的扭矩也逐渐增大。此外，管缆在拉扭组合作用下存在耦合效应，市场上成型的实验装置难以满足该力学机理的研究。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置。海洋工程管缆拉扭测试设备装置主要包括以下几部分：测试对象、测试支撑装置、测量设备、加载设备。测试对象一般为所需要测试的管缆结构，如柔性立管、脐带缆或海缆等。测试支撑装置一般指试验架，主要用来支撑或固定测试对象。测量设备主要指为提取管缆力学性能指标(中间或直接物理量)所需要的监测仪器如应变片、转角传感器、扭矩传感器和位移计等。加载设备一般指可以施加扭矩、拉力的装置及其他辅助构件。如果加载方式通过作动器实现，那么需要油源设备，其为加载设备提供液压动力。相关的设备包括液压缸、泵、液压管道以及冷却塔等。管缆拉扭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，然后将待测试的管缆固定于试验架上，根据实验要求在测试位置进行应变片或传感器布置，并将其连接于数据采集设备。确保上述操作无误后启动油源装置驱动加载设备，同时实时采集相应数据。最后，对所得数据进行分析处理并形成完善的实验报告。

本发明采用的技术手段如下：

一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置，包括沿直线依次排列的固定端支架、两个固定支架和齿轮，

所述固定端支架包括固定板Ⅰ，所述固定板Ⅰ上设有管缆固定法兰，

所述固定支架包括分别位于所述固定支架前后面上的两个固定板Ⅱ，所述固定板Ⅱ上设有管缆穿过的套筒，

所述齿轮通过齿条与支撑台连接，所述支撑台上设有导轨Ⅰ，所述齿条通过所述导轨Ⅰ与所述支撑台滑动连接，所述导轨Ⅰ的延伸方向垂直于所述固定端支架、两个所述固定支架和所述齿轮的排列方向，所述支撑台上设有推动所述齿条沿所述导轨Ⅰ滑动的作动器Ⅰ，所述固定支架的下端设有垂直于所述导轨Ⅰ的导轨Ⅱ，

其特征在于：

所述齿轮的轴线上设有通孔Ⅰ，所述通孔Ⅰ具有多个平行于所述齿轮的轴线的通槽，

所述齿轮的两侧分别设置有两个与所述支撑台固定连接的轴承支撑架，

所述轴承支撑架内设有与所述通孔Ⅰ同轴的轴承，所述轴承的内沿具有多个卡槽，

所述测试装置还包括轴，所述轴上设有与所述通槽相匹配的导条，所述轴的两端具有连接盘，所述连接盘的外沿具有与所述卡槽相匹配的卡条，所述轴通过所述卡条和卡槽与所述轴承连接，所述轴通过所述导条和所述通槽与所述齿轮连接，所述轴远离所述固定端支架一侧的所述连接盘上设有连接器，

所述连接器包括与所述轴连接的连接座和连接柱，所述连接柱通过鼓形连接部与所述连接座可旋转连接，所述连接座内设有容纳所述鼓形连接部的空间，所述连接柱，所述鼓形连接部，所述连接座，所述连接盘和所述轴同轴，所述连接柱的另一端通过连接柱连接盘与一作动器Ⅱ的输出端连接，所述作动器Ⅱ通过用于保证所述作动器Ⅱ的输出方向与所述轴同轴的支台与所述支撑台连接。

所述固定端支架还包括两条沿竖直方向延伸的导向槽Ⅰ，所述固定板Ⅰ通过螺栓螺母分别与两条所述导向槽Ⅰ连接，

所述固定支架还包括两条沿竖直方向延伸的导向槽Ⅱ，所述固定板Ⅱ通过螺栓螺母分别与两条所述导向槽Ⅱ连接。

所述齿轮的端面上均设有多个通孔Ⅱ，所述通孔Ⅱ在保证结构强度的前提下节省材料。

工作状态下，管缆的一端通过接头法兰与所述管缆固定法兰固定连接，管缆的另一端穿过所述套筒并通过接头法兰与所述轴靠近所述固定端支架一侧的所述连接盘固定连接，调节所述固定板Ⅰ和所述固定板Ⅱ的高度，确保管缆在纵向为同一高度后通过螺栓螺母分别将所述固定板Ⅰ和所述固定板Ⅱ固定，所述作动器Ⅰ驱动所述齿条，通过所述齿轮和所述齿条之间的传动实现扭矩的施加，从而对管缆进行扭转测试。所述作动器Ⅱ驱动所述轴，可以在不阻碍扭转测试的情况下，对管缆进行拉伸测试。

本发明具有以下优点：

(1).针对不同类型的管缆，可设计更替不同大小的齿轮实现合适的扭矩加载，使加载更加为精确。

(2).在齿轮前后两侧增设了轴承及轴承支撑架，保证作动器Ⅰ在加载时齿轮不沿齿条方向发生位移，即不会对管缆产生额外的弯矩，确保扭转荷载能够独立施加。

(3).作动器Ⅰ的设计可保证齿条只沿导轨Ⅰ方向运动，使作动器Ⅰ的加载更为有效。

(4).连接器采用嵌入式机械装配，连接座在润滑剂以及齿轮的作用下可绕鼓形连接部的轴线旋转。因此，一方面连接器保证拉伸作动器Ⅱ不会影响扭转效果，另一方面鼓形连接部的几何形状有效的保证作动器Ⅱ可施加较大的拉伸荷载。综上，连接器的应用可保证拉伸和扭转互不影响，实现耦合加载下管缆的结构测试。

(5).带有卡条和导条的轴可沿轴承与齿轮滑移，保证由于拉伸荷载作用下管缆沿轴向有足够的伸缩空间。

(6).对齿轮的加工时，可以对齿宽、齿厚等一系列参数进行选择设计，从而使扭矩实现准静态加载，保证实验测量的精度。

(7).在齿轮的端面上均设有多个通孔Ⅱ，节省材料同时也保证了结构强度。

(8).实验时需根据不同类型及不同长度的管缆调节中间固定支架的位置，其下设有导轨Ⅱ，可方便随时移动固定支架来完成位置的调节。

(9).本测试装置不仅能够实验拉扭组合加载实验测试，而且可以实现单独拉伸或者扭转行为的实验。因此，所发明测试装置具有综合性和多用途性。基于上述理由本发明可在海洋工程柔顺性管缆测试等领域广泛推广。

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是本发明的具体实施方式中一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置的空间结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置的主视图。

图3是本发明的具体实施方式中轴承支撑架与轴承的装配示意图。

图4是本发明的具体实施方式中轴的空间结构示意图。

图5是本发明的具体实施方式中连接座半剖示意图。

图6是本发明的具体实施方式中连接柱，鼓形连接部及连接柱连接盘的连接示意图。

具体实施方式

如图1-图6所示，一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置，包括沿直线依次排列的固定端支架1、两个固定支架2和齿轮3，

所述固定端支架1包括固定板Ⅰ4，所述固定板Ⅰ4上设有管缆固定法兰，

所述固定支架2包括分别位于所述固定支架2前后面上的两个固定板Ⅱ5，所述固定板Ⅱ5上设有管缆6穿过的套筒7，

所述齿轮3通过齿条8与支撑台9连接，所述支撑台9上设有导轨Ⅰ10，所述齿条8通过所述导轨Ⅰ10与所述支撑台9滑动连接，所述导轨Ⅰ10的延伸方向垂直于所述固定端支架1、两个所述固定支架2和所述齿轮3的排列方向，所述支撑台9上设有推动所述齿条8沿所述导轨Ⅰ10滑动的作动器Ⅰ11，所述固定支架2的下端设有垂直于所述导轨Ⅰ10的导轨Ⅱ12，

所述齿轮3的轴线上设有通孔Ⅰ，所述通孔Ⅰ具有多个平行于所述齿轮3的轴线的通槽，

所述齿轮3的两侧分别设置有两个与所述支撑台9固定连接的轴承支撑架13，

所述轴承支撑架13内设有与所述通孔Ⅰ同轴的轴承14，所述轴承14的内沿具有多个卡槽15，

所述测试装置还包括轴16，所述轴16上设有与所述通槽相匹配的导条17，所述轴16的两端具有连接盘18，所述连接盘18的外沿具有与所述卡槽15相匹配的卡条19，所述轴16通过所述卡条19和卡槽15与所述轴承14连接，所述轴16通过所述导条17和所述通槽与所述齿轮3连接，所述轴16远离所述固定端支架1一侧的所述连接盘18上设有连接器20，

所述连接器20包括与所述轴16连接的连接座21和连接柱22，所述连接柱22通过鼓形连接部23与所述连接座21可旋转连接，所述连接座21内设有容纳所述鼓形连接部23的空间24，所述连接柱22，所述鼓形连接部23，所述连接座21，所述连接盘18和所述轴16同轴，所述连接柱22的另一端通过连接柱连接盘25与一作动器Ⅱ26的输出端连接，所述作动器Ⅱ26通过用于保证所述作动器Ⅱ26的输出方向与所述轴16同轴的支台27与所述支撑台9连接。

所述固定端支架1还包括两条沿竖直方向延伸的导向槽Ⅰ28，所述固定板Ⅰ4通过螺栓螺母分别与两条所述导向槽Ⅰ28连接，

所述固定支架2还包括两条沿竖直方向延伸的导向槽Ⅱ29，所述固定板Ⅱ5通过螺栓螺母分别与两条所述导向槽Ⅱ29连接。

所述齿轮3的端面上均设有多个通孔Ⅱ30。

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 (3)

1.一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置，包括沿直线依次排列的固定端支架、两个固定支架和齿轮，

所述固定端支架包括固定板Ⅰ，所述固定板Ⅰ上设有管缆固定法兰，

所述固定支架包括分别位于所述固定支架前后面上的两个固定板Ⅱ，所述固定板Ⅱ上设有管缆穿过的套筒，

所述齿轮通过齿条与支撑台连接，所述支撑台上设有导轨Ⅰ，所述齿条通过所述导轨Ⅰ与所述支撑台滑动连接，所述导轨Ⅰ的延伸方向垂直于所述固定端支架、两个所述固定支架和所述齿轮的排列方向，所述支撑台上设有推动所述齿条沿所述导轨Ⅰ滑动的作动器Ⅰ，所述固定支架的下端设有垂直于所述导轨Ⅰ的导轨Ⅱ，

其特征在于：

所述齿轮的轴线上设有通孔Ⅰ，所述通孔Ⅰ具有多个平行于所述齿轮的轴线的通槽，

所述齿轮的两侧分别设置有两个与所述支撑台固定连接的轴承支撑架，

所述轴承支撑架内设有与所述通孔Ⅰ同轴的轴承，所述轴承的内沿具有多个卡槽，

所述测试装置还包括轴，所述轴上设有与所述通槽相匹配的导条，所述轴的两端具有连接盘，所述连接盘的外沿具有与所述卡槽相匹配的卡条，所述轴通过所述卡条和卡槽与所述轴承连接，所述轴通过所述导条和所述通槽与所述齿轮连接，所述轴远离所述固定端支架一侧的所述连接盘上设有连接器，

所述连接器包括与所述轴连接的连接座和连接柱，所述连接柱通过鼓形连接部与所述连接座可旋转连接，所述连接座内设有容纳所述鼓形连接部的空间，所述连接柱，所述鼓形连接部，所述连接座，所述连接盘和所述轴同轴，所述连接柱的另一端通过连接柱连接盘与一作动器Ⅱ的输出端连接，所述作动器Ⅱ通过用于保证所述作动器Ⅱ的输出方向与所述轴同轴的支台与所述支撑台连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置，其特征在于：所述固定端支架还包括两条沿竖直方向延伸的导向槽Ⅰ，所述固定板Ⅰ通过螺栓螺母分别与两条所述导向槽Ⅰ连接，

所述固定支架还包括两条沿竖直方向延伸的导向槽Ⅱ，所述固定板Ⅱ通过螺栓螺母分别与两条所述导向槽Ⅱ连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型的海洋工程柔顺性管缆拉扭组合测试装置，其特征在于：所述齿轮的端面上均设有多个通孔Ⅱ。