CN107063868A - 双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统、管道扩撑系统、进油管、DIC测试系统；实验管段的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹，预制裂纹关于实验管段的轴向中面对称；管道支撑系统对实验管段的两端进行支撑；管道扩撑系统位于实验管段内，进油管进油为管道扩撑系统提供液压动力；管道扩撑系统对实验管段进行扩撑，预制裂纹双向扩展；DIC测试系统对实验管段的断裂过程进行实时观测。本发明实验试样采用全尺寸管道试样，直接从管道上截取，减小尺寸误差、约束误差等，保证数据的可靠性；实验采用液压驱动装置，降低工作风险，减少成本；运用DIC测试装置实时观测裂纹扩展情况，方便获取所需数据。

Description

双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置及实验方法
技术领域
本发明属于管道设计制造技术领域，具体地，涉及一种双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置及实验方法。
背景技术
管道断裂实验在确定管道断裂特性方面有重要的应用，现阶段的管道断裂实验可分为小型的实验室实验、大型的实验室实验和实际的结构实验。小型的实验室实验包括：三点弯曲试验、紧凑拉伸试验和落锤试验等，小型的实验室实验采用小试件研究断裂特性，管材试件与实际管道存在尺寸误差、约束误差等，影响对管道断裂特性的判断认识；大型的实验室实验如宽板试验，对实验机的加载能力要求极高，所需成本较高；实际的结构实验如全尺寸爆破试验，全尺寸爆破试验耗费极大的人力、物力，且实验过程有极大的危险性。为解决上述问题，亟需设计一种专用的在管道上进行管道断裂实验的实验装置。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种直接在管段上进行断裂模拟实验的装置和实验方法，运用该装置可以实现在管段上安全的进行断裂实验，并且可以实时观测裂纹扩展情况，以解决常规管道断裂实验试件制备困难、误差较大、成本过高、危险性较大等难题，且结构简单，使用方便。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统、管道扩撑系统、进油管、DIC测试系统；实验管段的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹，预制裂纹关于实验管段的轴向中面对称；管道支撑系统对实验管段的两端进行支撑；管道扩撑系统位于实验管段内，进油管进油为管道扩撑系统提供液压动力；管道扩撑系统对实验管段进行扩撑，预制裂纹双向扩展；DIC测试系统对实验管段的断裂过程进行实时观测。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)、实验试样采用全尺寸管道试样，直接从管道上截取，减小尺寸误差、约束误差等，保证数据的可靠性。
(2)、实验采用液压驱动装置，降低工作风险，减少成本。
(3)、实验过程中，通过控制伸缩杆的运动速度，可以控制扇形块的张开速度，同时控制裂纹的扩展速度，保证所得数据的精确性。
(4)、扇形块拥有足够长的长度，扩展过程中与管壁均匀接触，保证实验过程裂纹稳定扩展。
(5)、运用DIC测试装置实时观测裂纹扩展情况，方便获取所需数据。
附图说明
图1是双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置正视示意图；
图2是双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置实验过程中正视示意图；
图3是图1的径向的半剖示意图；
图4是图2的径向的半剖示意图；
图5是图3的A-A向的剖视示意图；
其中：1、实验管段，2A、左下橡胶圈，2B、右下橡胶圈，3、计算机，4A、左上金属圈，4B、右上金属圈，5、分流管，6A、左第二级伸缩杆，6B、右第二级伸缩杆，7A、第一扇形块，7B、第二扇形块，8、进油管，9A、左上橡胶圈，9B、右上橡胶圈，10A、左下金属圈，10B、右下金属圈，11、管道支撑系统、12、管道扩撑系统、12A、第一管道扩撑系统，12B、第二管道扩撑系统，13A、左上卡圈，13B、右上卡圈，14A、左下卡圈，14B、右下卡圈，15A、左第一级伸缩杆，15B、右第一级伸缩杆，16A、第一液压缸主体，16B、第二液压缸主体，17、DIC测试系统，18、预制裂纹，19、光源，20、图像采集器。
具体实施方式
如图1至图5所示，双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统11、管道扩撑系统12、进油管8、DIC测试系统17；实验管段1的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹18，预制裂纹18关于实验管段1的轴向中面对称；管道支撑系统11对实验管段1的两端进行支撑；管道扩撑系统12位于实验管段1内，进油管8进油为管道扩撑系统12提供液压动力；管道扩撑系统12对实验管段1进行扩撑，预制裂纹18双向扩展；DIC测试系统17对实验管段1的断裂过程进行实时观测。
管道支撑系统11，包括：左上卡圈13A、左下卡圈14A、右上卡圈13B、右下卡圈14B；左上卡圈13A、左下卡圈14A位于实验管段1的左端，左上卡圈13A由内向外依次为左上橡胶圈9A、左上金属圈4A，左下卡圈14A由内向外依次为左下橡胶圈2A、左下金属圈10A；左上卡圈13A、左下卡圈14A通过螺栓将实验管段1的左端固定；右上卡圈13B、右下卡圈14B位于实验管段1的右端，右上卡圈13B由内向外依次是右上橡胶圈9B、右上金属圈4B，右下卡圈14B由内向外依次是右下橡胶圈2B、右下金属圈10B；右上卡圈13B、右下卡圈14B通过螺栓将实验管段1的右端固定。左上卡圈13A、左下卡圈14A与右上卡圈13B、右下卡圈14B相对于实验管段1径向中面完全对称。
管道扩撑系统12，包括：第一管道扩撑系统12A、第二管道扩撑系统12B、分流管5。
第一管道扩撑系统12A，包括：四块第一扇形块7A、左第一级伸缩杆15A、左第二级伸缩杆6A、第一液压缸主体16A；四块第一扇形块7A结构完全相同，四块第一扇形块7A组合形成圆柱壳，圆柱壳的外壁与实验管段1内壁面接触；四块第一扇形块7A的内壁中心均与四根左第一级伸缩杆15A外端连接；左第一级伸缩杆15A、左第二级伸缩杆6A、第一液压缸主体16A沿轴向依次相互配合；左第一级伸缩杆15A、左第二级伸缩杆6A沿周向均布。
管道扩撑系统12B包括：四块第二扇形块7B、右第一级伸缩杆15B、右第二级伸缩杆6B、第二液压缸主体16B；四块第二扇形块7B结构完全相同，四块第二扇形块7B组合形成圆柱壳，圆柱壳的外壁与实验管段1内壁面接触；四块第二扇形块7B的内壁中心均与四根右第一级伸缩杆15B外端连接；右第一级伸缩杆15B、右第二级伸缩杆6B、第二液压缸主体16B沿轴向依次相互配合；右第一级伸缩杆15B、右第二级伸缩杆6B沿周向均布。
管道扩撑系统12A、管道扩撑系统12B由分流管5相连，分流管5中部连接进油管8，由进油管8进油，分流管5将动力油分流到第一管道扩撑系统12A、第二管道扩撑系统12B中，分别为管道扩撑系统12A、管道扩撑系统12B提供液压动力。
DIC测试系统17包括：计算机3、光源19、图像采集器20。光源19对称放置在实验管段1预制裂纹18的上下两侧，图像采集器20安置在预制裂纹18正前侧，图像采集器20可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器20与计算机3相连，通过图像采集器20采集的信息可以传输到计算机3中，并做分析计算。
管道断裂模拟实验的实验方法，如图1至图5所示，采用上述双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，包括下述步骤：
1、将含有预制裂纹18的实验管段1放置在左下卡圈14A、右下卡圈14B上，实验管段1的左右两端分别与左下卡圈14A的左端，右下卡圈14B的右端对齐；将左上卡圈13A、右上卡圈13B分别对齐左下卡圈14A、右下卡圈14B放置在实验管段1上，同时用螺母、螺钉固定；将相连的管道扩撑系统12A、管道扩撑系统12B放置于实验管段1中。将进油管8与分流管5连接。
2、将光源19对称放置在实验管段1预制裂纹18的上下两侧，保证光源19的照射范围能够覆盖预制裂纹18，然后将图像采集器20安置在预制裂纹18的正前侧，使图像采集器20可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器20与计算机3相连，完成DIC测试系统17的安装。
3、实验过程中，进油管8进油，通过分流管5分别为管道扩撑系统12A、管道扩撑系统12B提供液压动力；进入第一液压缸主体16A、第二液压缸主体16B的液体分别推动左第二级伸缩杆6A、右第二级伸缩杆6B沿径向向外运动；然后进入左第二级伸缩杆6A、右第二级伸缩杆6B中的液体分别推动左第一级伸缩杆15A、右第一级伸缩杆15B沿径向向外运动；第一扇形块7A、第二扇形块7B分别因为左第一级伸缩杆15A、右第一级伸缩杆15B的挤压沿径向同时向外缓慢扩展，预制裂纹18的左右两端因为第一扇形块7A、第二扇形块7B的扩张运动也开始缓慢扩展。通过控制进油速度，可控制伸缩杆的运动速度，进而可控制预制裂纹18的扩展速度。图像采集器20记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机3上，计算机3进行相应的后处理。

Claims (8)

1.一种双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统、管道扩撑系统、进油管、DIC测试系统；其特征在于，实验管段的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹，预制裂纹关于实验管段的轴向中面对称；管道支撑系统对实验管段的两端进行支撑；管道扩撑系统位于实验管段内，进油管进油为管道扩撑系统提供液压动力；管道扩撑系统对实验管段进行扩撑，预制裂纹双向扩展；DIC测试系统对实验管段的断裂过程进行实时观测。
2.根据权利要求1所述的双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，其特征在于，管道支撑系统，包括：左上卡圈、左下卡圈、右上卡圈、右下卡圈；左上卡圈、左下卡圈位于实验管段的左端，左上卡圈由内向外依次为左上橡胶圈、左上金属圈，左下卡圈由内向外依次为左下橡胶圈、左下金属圈；左上卡圈、左下卡圈通过螺栓将实验管段的左端固定；右上卡圈、右下卡圈位于实验管段的右端，右上卡圈由内向外依次是右上橡胶圈、右上金属圈，右下卡圈由内向外依次是右下橡胶圈、右下金属圈；右上卡圈、右下卡圈通过螺栓将实验管段的右端固定；左上卡圈、左下卡圈与右上卡圈、右下卡圈相对于实验管段径向中面完全对称。
3.根据权利要求1-2所述的双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，其特征在于，管道扩撑系统，包括：第一管道扩撑系统、第二管道扩撑系统、分流管；第一管道扩撑系统、第二管道扩撑系统相对于实验管段径向中面完全对称。
4.根据权利要求1-3所述的双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，其特征在于，第一管道扩撑系统，包括：四块第一扇形块、左第一级伸缩杆、左第二级伸缩杆、第一液压缸主体；四块第一扇形块结构完全相同，四块第一扇形块组合形成圆柱壳，圆柱壳的外壁与实验管段内壁面接触；四块第一扇形块的内壁中心均与四根左第一级伸缩杆外端连接；左第一级伸缩杆、左第二级伸缩杆、第一液压缸主体沿轴向依次相互配合；左第一级伸缩杆、左第二级伸缩杆沿周向均布。
5.根据权利要求1-4所述的双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，其特征在于，管道扩撑系统包括：四块第二扇形块、右第一级伸缩杆、右第二级伸缩杆、第二液压缸主体；四块第二扇形块结构完全相同，四块第二扇形块组合形成圆柱壳，圆柱壳的外壁与实验管段内壁面接触；四块第二扇形块的内壁中心均与四根右第一级伸缩杆外端连接；右第一级伸缩杆、右第二级伸缩杆、第二液压缸主体沿轴向依次相互配合；右第一级伸缩杆、右第二级伸缩杆沿周向均布。
6.根据权利要求1-5所述的双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，其特征在于，管道扩撑系统、管道扩撑系统由分流管相连，分流管中部连接进油管，由进油管进油，分流管将动力油分流到第一管道扩撑系统、第二管道扩撑系统中，分别为管道扩撑系统、管道扩撑系统提供液压动力。
7.根据权利要求1-6所述的双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，其特征在于，DIC测试系统，包括：计算机、光源、图像采集器；光源对称放置在实验管段预制裂纹的上下两侧，图像采集器安置在预制裂纹正前侧，图像采集器可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器与计算机相连，通过图像采集器采集的信息可以传输到计算机中，并做分析计算。
8.一种管道断裂模拟实验的实验方法，采用权利要求1-7所述双向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，其特征在于，包括下述步骤：
(1)、将含有预制裂纹的实验管段放置在左下卡圈、右下卡圈上，实验管段的左右两端分别与左下卡圈的左端，右下卡圈的右端对齐；将左上卡圈、右上卡圈分别对齐左下卡圈、右下卡圈放置在实验管段上，同时用螺母、螺钉固定；将相连的管道扩撑系统、管道扩撑系统放置于实验管段中，将进油管与分流管连接；
(2)、将光源对称放置在实验管段预制裂纹的上下两侧，保证光源的照射范围能够覆盖预制裂纹，然后将图像采集器安置在预制裂纹的正前侧，使图像采集器可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器与计算机相连，完成DIC测试系统的安装；
(3)、实验过程中，进油管进油，通过分流管分别为管道扩撑系统、管道扩撑系统提供液压动力；进入第一液压缸主体、第二液压缸主体的液体分别推动左第二级伸缩杆、右第二级伸缩杆沿径向向外运动；然后进入左第二级伸缩杆、右第二级伸缩杆中的液体分别推动左第一级伸缩杆、右第一级伸缩杆沿径向向外运动；第一扇形块、第二扇形块分别因为左第一级伸缩杆、右第一级伸缩杆的挤压沿径向同时向外缓慢扩展，预制裂纹的左右两端因为第一扇形块、第二扇形块的扩张运动也开始缓慢扩展；通过控制进油速度，可控制伸缩杆的运动速度，进而可控制预制裂纹的扩展速度；图像采集器记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机上，计算机进行相应的后处理。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Cao Yuguang

Inventor after: Zhen Ying

Inventor after: Yi Haijiao

Inventor after: Tian Hongjun

Inventor after: Wei Yungang

Inventor before: Cao Yuguang

Inventor before: Zhen Ying

Inventor before: Yi Haijiao

Inventor before: Shi Yongjin

Inventor before: Cui Xijun

Inventor before: Tian Hongjun

Inventor before: Wei Yungang

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