CN106802223A - 一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，包括试验箱、埋设在试验箱中的测试管道内压系统、动荷载加压系统、设置在动荷载加压系统中并与测试管道内压系统相连接的加压气囊、与测试管道内压系统配合使用的数据采集系统，所述的动荷载加压系统向加压气囊施加简谐振动荷载，加压气囊向测试管道内压系统传送波动气流，所述的数据采集系统监测测试管道内压系统中待测试管道因波动气流而产生的变形及受力情况。与现有技术相比，本发明整体结构简单、紧凑，模块化清晰，经济实用性好，可模拟振动的传播过程对管道的疲劳损伤，并且动荷载波形稳定、可靠，适用性广，操作更加简便快捷，具有很好的应用前景。

Description

一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置

技术领域

本发明属于管道工程技术领域，涉及一种试验装置，尤其是涉及一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置。

背景技术

当高速高压的气体、液体在管道中流动时，由于管道有弯曲及固定不牢固，会产生振动；气液两相流在管道中流动时，最常见的流型为段塞流，段塞流进入立管后，不仅会使管内压力和出口流量呈现周期性剧烈波动，还会诱导管线振动，这种振动带来的危害是巨大的，例如，可造成精密仪器(如传感器、仪表等)容易失效，影响资料的录取和数据的准确性；同时，处于长时间的振动环境下，管道要承受远大于其平稳流动的负荷，给其强度带来极大考验，缩短管道的使用寿命，甚至引发管道本身、管道附件产生疲劳破坏；此外，长时间的振动还容易使连接部件松脱，影响其工作性能以至于发生安全事故。

为了减轻和抑制振动对管道造成的损害，需要更深入地了解管内流体诱导管道振动疲劳损伤的机理。目前，工程中还缺乏一种装置简单、易于操作、测试费用低廉并能模拟振动沿管道传播的流体振动对管道疲劳损伤的试验装置。

申请号为201410681414.5的中国专利公开了一种基于实时测量震动加速度数据的管道结构应力和疲劳监控的新系统，包括：1)震动传感记录器实时数据采集，监控在管道结构不同位置采集得到的加速度信息；2)对采集到的加速度数据通过傅里叶变换，把数据从时域转化到频域下，可以得到所安装位置受到激发的频率以及震动的振幅；3)测量得到的激发频率和预先分析得到的解析结果比较和筛选，由模态选择和叠加方法精确得到所在测量位置的曲率和应力；4)通过反傅里叶变换后，把在频域下的应力分布转换为在时域下的应力分布，计算得到任何关键位置疲劳损伤。上述专利一种安装在已建成管道的上的应力和疲劳监测系统，主要是通过安装在管道上不同部位的传感器采集到的数据进行换算、比较和筛选，进而分析管道结构实际工作时的应力。不同于上述专利，本发明是在管道安装前，通过动力加载装置模拟管道即将承受的振动荷载对管道结构的影响，检测分析管道的质量是否符合预定的质量控制要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、紧凑，经济实用，能模拟振动沿管道传播过程，动荷载波形稳定、可靠的用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，该装置包括试验箱、埋设在试验箱中的测试管道内压系统、动荷载加压系统、设置在动荷载加压系统中并与测试管道内压系统相连接的加压气囊、与测试管道内压系统配合使用的数据采集系统，所述的动荷载加压系统向加压气囊施加简谐振动荷载，加压气囊向测试管道内压系统传送波动气流，所述的数据采集系统监测测试管道内压系统中待测试管道因波动气流而产生的变形及受力情况。

所述的动荷载加压系统包括加压气囊固定箱、设置在加压气囊固定箱上部且与加压气囊固定箱滑动连接的动荷载加压板、设置在动荷载加压板上的偏心对转齿轮单元、与偏心对转齿轮单元传动连接的驱动电机以及与驱动电机对称设置的配重块，该配重块的质量与驱动电机的质量相同。

所述的动荷载加压板与加压气囊固定箱之间设有用于安置加压气囊的固定腔，所述的动荷载加压板与加压气囊固定箱相连接的部位还设有滑动棒，并通过滑动棒可上下往复移动地设置在加压气囊固定箱上。

所述的偏心对转齿轮单元包括一对质量相同且相互啮合的转动齿轮、分别位于两转动齿轮同一位置上且形状质量完全相同的偏心块、设置在其中一个转动齿轮与驱动电机之间的传动链条。

所述的偏心块为扇形偏心块。

所述的测试管道内压系统包括埋设在试验箱中的试验管道、设置在试验管道内部的管道内气囊、N个沿管道内气囊长度方向均匀布设在管道内气囊中的隔板以及设置在隔板上的延时气压阀，所述的管道内气囊底部通过气管与加压气囊相连，所述的试验管道底部设有可拆卸的底板，N个隔板将管道内气囊分隔成N+1个隔舱，其中，N≥1，且N为整数。

所述的延时气压阀设置在隔板的正中心，且所述的延时气压阀包括插设在隔板上的气压阀阀体、设置在气压阀阀体内的通气孔、套设在气压阀阀体上且将通气孔覆盖的橡胶膜以及夹设在橡胶膜上的弹簧管夹。

所述的数据采集系统包括沿气流方向依次设置在气管上的阀门、气体压力表及气体流量计、设置在试验管道外侧壁上的加速度传感器、速度传感器及应变片。

所述的试验箱的顶板与试验管道之间设有试验管道竖向加压单元，该试验管道竖向加压单元包括设置在试验管道顶部且与试验管道贴紧设置的竖向加压板、布设在竖向加压板上的第一钢管以及一端与试验箱顶板下表面固定连接，另一端插设在第一钢管中的第二钢管。

所述的第一钢管上沿轴向开设有多个第一螺栓孔，所述的第二钢管上沿轴向开设有与多个第一螺栓孔一一对应的第二螺栓孔，在工作状态下，将螺栓依次插入第一螺栓孔及相应的第二螺栓孔中，将第一钢管与第二钢管固定连接。

本发明中，所述的加压气囊采用弹性纤维制成。

在实际应用中，动荷载加压系统中的驱动电机通过传动链条带动两个大小、重量都相同的相互啮合的转动齿轮转动，两个转动齿轮上的同一位置分别固定有完全相同的偏心块，由于偏心块转动产生的水平分力相互抵消，而竖向分力相互叠加，通过动荷载加压板向加压气囊输出简谐振动荷载。在与驱动电机对称的位置处安装配重块，该配重块的质量与驱动电机相同。为防止动荷载加压板水平晃动，在加压气囊固定箱与动荷载加压板之间设置滑动棒。在加压气囊固定箱的限制下，气囊受力只能通过气管向管道内气囊传送动荷载。

所述的测试管道内压系统中，试验管道加装底板后，被埋置于试验箱中，通过竖向加压板限制试验管道和管道内气囊的竖向运动，而且可以通过一端嵌套在第一钢管中的第二钢管以及螺栓来调节竖向加压板深入试验箱中的深度。实际安装时，将管道内气囊塞入试验管道后，安装试验管道的底板，然后将其埋置于试验箱的地层中，管道内气囊内部由刚性树脂板(即隔板)分割为若干个隔舱，每个刚性树脂板的中心安装一个延时气压阀；加压气囊内的气体受压后，首先进入管道内气囊中最底部的隔舱，当最底部的隔舱与其紧邻上方的隔舱之间的压力差超过弹簧管夹的夹合力和橡胶膜的紧固力时，气体可从最底部的隔舱进入其紧邻上方的隔舱，以此类推，直至受压气体进入最上方的隔舱中。

所述的数据采集系统中，气体流量计、气体压力表、阀门安装在气管上，用以控制气管的开启、监测气体流量和压力；而应变片、加速度传感器、速度传感器安装于试验管道的外侧，用于监测管道的变形和受力。

与现有技术相比，本发明整体结构简单、紧凑，模块化清晰，经济实用性好，可模拟振动的传播过程对管道的疲劳损伤，并且动荷载波形稳定、可靠，适用性广，操作更加简便快捷，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中延时气压阀的结构示意图；

图中标记说明：

1—试验管道、2—管道内气囊、21—隔板、3—延时气压阀、31—通气孔、32—橡胶膜、33—弹簧管夹、34—气压阀阀体、4—试验箱、41—竖向加压板、42—第二钢管、43—第一钢管、44—螺栓、5—转动齿轮、51—偏心块、6—驱动电机、61—传动链条、7—配重块、8—动荷载加压板、81—滑动棒、9—加压气囊、10—加压气囊固定箱、11—底板、12—气管、13—气体流量计、14—气体压力表、15—阀门、16—地层、17—应变片、18—加速度传感器、19—速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，该装置包括试验箱4、埋设在试验箱4中的测试管道内压系统、动荷载加压系统、设置在动荷载加压系统中并与测试管道内压系统相连接的加压气囊9、与测试管道内压系统配合使用的数据采集系统，动荷载加压系统向加压气囊9施加简谐振动荷载，加压气囊9向测试管道内压系统传送波动气流，数据采集系统监测测试管道内压系统中试验管道1因波动气流而产生的变形及受力情况。

其中，动荷载加压系统包括加压气囊固定箱10、设置在加压气囊固定箱10上部且与加压气囊固定箱10滑动连接的动荷载加压板8、设置在动荷载加压板8上的偏心对转齿轮单元、与偏心对转齿轮单元传动连接的驱动电机6以及与驱动电机6对称设置的配重块7，该配重块7的质量与驱动电机6的质量相同。动荷载加压板8与加压气囊固定箱10之间设有用于安置加压气囊9的固定腔，动荷载加压板8与加压气囊固定箱10相连接的部位还设有滑动棒81，并通过滑动棒81可上下往复移动地设置在加压气囊固定箱10上。偏心对转齿轮单元包括一对质量相同且相互啮合的转动齿轮5、分别位于两转动齿轮5同一位置上且形状质量完全相同的偏心块51、设置在其中一个转动齿轮5与驱动电机6之间的传动链条61。偏心块51为扇形偏心块。

测试管道内压系统包括埋设在试验箱4中的试验管道1、设置在试验管道1内部的管道内气囊2、N个沿管道内气囊2长度方向均匀布设在管道内气囊2中的隔板21以及设置在隔板21上的延时气压阀3，管道内气囊2底部通过气管12与加压气囊9相连，试验管道1底部设有可拆卸的底板11，N个隔板21将管道内气囊2分隔成N+1个隔舱，其中，N≥1，且N为整数。延时气压阀3设置在隔板21的正中心，且延时气压阀3包括插设在隔板21上的气压阀阀体34、设置在气压阀阀体34内的通气孔31、套设在气压阀阀体34上且将通气孔31覆盖的橡胶膜32以及夹设在橡胶膜32上的弹簧管夹33，如图2所示。

数据采集系统包括沿气流方向依次设置在气管12上的阀门15、气体压力表14及气体流量计13、设置在试验管道1外侧壁上的加速度传感器18、速度传感器19及应变片17。

本实施例中，试验箱4的顶板与试验管道1之间设有试验管道竖向加压单元，该试验管道竖向加压单元包括设置在试验管道1顶部且与试验管道1贴紧设置的竖向加压板41、布设在竖向加压板41上的第一钢管43以及一端与试验箱4顶板下表面固定连接，另一端插设在第一钢管43中的第二钢管42。第一钢管43上沿轴向开设有多个第一螺栓孔，第二钢管42上沿轴向开设有与多个第一螺栓孔一一对应的第二螺栓孔，在工作状态下，将螺栓44依次插入第一螺栓孔及相应的第二螺栓孔中，将第一钢管43与第二钢管42固定连接。

在实际应用中，动荷载加压系统中的驱动电机6通过传动链条61带动两个大小、重量都相同的相互啮合的转动齿轮5转动，两个转动齿轮5上的同一位置分别固定有完全相同的偏心块51，由于偏心块51转动产生的水平分力相互抵消，而竖向分力相互叠加，通过动荷载加压板8向加压气囊9输出简谐振动荷载。在与驱动电机6对称的位置处安装配重块7，该配重块7的质量与驱动电机6相同。为防止动荷载加压板8水平晃动，在加压气囊固定箱10与动荷载加压板8之间设置滑动棒81。在加压气囊固定箱10的限制下，加压气囊9受力只能通过气管12向管道内气囊2传送动荷载。

测试管道内压系统中，试验管道1加装底板11后，被埋置于试验箱4中，通过竖向加压板41限制试验管道1和管道内气囊2的竖向运动，而且可以通过一端嵌套在第一钢管43中的第二钢管42以及螺栓44来调节竖向加压板41深入试验箱4中的深度。实际安装时，将管道内气囊2塞入试验管道1后，安装试验管道1的底板11，然后将其埋置于试验箱4的地层16中，管道内气囊2内部由刚性树脂板(即隔板21)分割为若干个隔舱，每个刚性树脂板的中心安装一个延时气压阀3；加压气囊9内的气体受压后，首先进入管道内气囊2中最底部的隔舱，当最底部的隔舱与其紧邻上方的隔舱之间的压力差超过弹簧管夹33的夹合力和橡胶膜32的紧固力时，气体可从最底部的隔舱进入其紧邻上方的隔舱，以此类推，直至受压气体进入最上方的隔舱中。

数据采集系统中，气体流量计13、气体压力表14、阀门15安装在气管12上，用以控制气管12的开启、监测气体流量和压力；而应变片17、加速度传感器18、速度传感器19安装于试验管道1的外侧，用于监测管道的变形和受力。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，该装置包括试验箱(4)、埋设在试验箱(4)中的测试管道内压系统、动荷载加压系统、设置在动荷载加压系统中并与测试管道内压系统相连接的加压气囊(9)、与测试管道内压系统配合使用的数据采集系统，所述的动荷载加压系统向加压气囊(9)施加简谐振动荷载，加压气囊(9)向测试管道内压系统传送波动气流，所述的数据采集系统监测测试管道内压系统中试验管道(1)因波动气流而产生的变形及受力情况。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的动荷载加压系统包括加压气囊固定箱(10)、设置在加压气囊固定箱(10)上部且与加压气囊固定箱(10)滑动连接的动荷载加压板(8)、设置在动荷载加压板(8)上的偏心对转齿轮单元、与偏心对转齿轮单元传动连接的驱动电机(6)以及与驱动电机(6)对称设置的配重块(7)，该配重块(7)的质量与驱动电机(6)的质量相同。

3.根据权利要求2所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的动荷载加压板(8)与加压气囊固定箱(10)之间设有用于安置加压气囊(9)的固定腔，所述的动荷载加压板(8)与加压气囊固定箱(10)相连接的部位还设有滑动棒(81)，并通过滑动棒(81)可上下往复移动地设置在加压气囊固定箱(10)上。

4.根据权利要求2所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的偏心对转齿轮单元包括一对质量相同且相互啮合的转动齿轮(5)、分别位于两转动齿轮(5)同一位置上且形状质量完全相同的偏心块(51)、设置在其中一个转动齿轮(5)与驱动电机(6)之间的传动链条(61)。

5.根据权利要求4所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的偏心块(51)为扇形偏心块。

6.根据权利要求1所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的测试管道内压系统包括埋设在试验箱(4)中的试验管道(1)、设置在试验管道(1)内部的管道内气囊(2)、N个沿管道内气囊(2)长度方向均匀布设在管道内气囊(2)中的隔板(21)以及设置在隔板(21)上的延时气压阀(3)，所述的管道内气囊(2)底部通过气管(12)与加压气囊(9)相连，所述的试验管道(1)底部设有可拆卸的底板(11)，N个隔板(21)将管道内气囊(2)分隔成N+1个隔舱，其中，N≥1，且N为整数。

7.根据权利要求6所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的延时气压阀(3)设置在隔板(21)的正中心，且所述的延时气压阀(3)包括插设在隔板(21)上的气压阀阀体(34)、设置在气压阀阀体(34)内的通气孔(31)、套设在气压阀阀体(34)上且将通气孔(31)覆盖的橡胶膜(32)以及夹设在橡胶膜(32)上的弹簧管夹(33)。

8.根据权利要求6所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的数据采集系统包括沿气流方向依次设置在气管(12)上的阀门(15)、气体压力表(14)及气体流量计(13)、设置在试验管道(1)外侧壁上的加速度传感器(18)、速度传感器(19)及应变片(17)。

9.根据权利要求6至8任一项所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的试验箱(4)的顶板与试验管道(1)之间设有试验管道竖向加压单元，该试验管道竖向加压单元包括设置在试验管道(1)顶部且与试验管道(1)贴紧设置的竖向加压板(41)、布设在竖向加压板(41)上的第一钢管(43)以及一端与试验箱(4)顶板下表面固定连接，另一端插设在第一钢管(43)中的第二钢管(42)。

10.根据权利要求9所述的一种用于测试流体振动对管道疲劳损伤的试验装置，其特征在于，所述的第一钢管(43)上沿轴向开设有多个第一螺栓孔，所述的第二钢管(42)上沿轴向开设有与多个第一螺栓孔一一对应的第二螺栓孔，在工作状态下，将螺栓(44)依次插入第一螺栓孔及相应的第二螺栓孔中，将第一钢管(43)与第二钢管(42)固定连接。