CN108287115A - 非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试方法和装置，包括对管缆样品铠装层施加拉力的预应力施加装置和将管缆样品中间部分弯曲成均匀弧度的弯曲装置。通过具有内环和外环的锁紧齿轮环将管缆样品端部铠装层锁紧，通过对螺杆上螺栓施加扭转，实现对锁紧齿轮环施加拉力和对内护套及管缆内部施加同等压力，由拉压力传感器测量施加力的大小，实现非粘结管缆结构铠装层表现为不同预应力数值，模拟加工制造过程中非粘结管缆铠装层加工残余应力的存在。弯曲装置中采用穿插螺杆穿过钢板圆孔形成实验所需弯曲弧度，上下均设置弯曲弧度，通过位移作动器施加作用力，将管缆样品按照设置的弯曲半径完成弯曲工况，实现弯曲滞回疲劳工况测试。

Description

非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试方法和装置

技术领域

本发明涉及实验测试领域，尤其涉及海洋非粘结管缆结构的铠装层预应力对管缆成品自身弯曲性能影响的测试方法和装置。

背景技术

随着海洋资源的大力开发，海洋工程装备成为海洋资源开发必不可少的关键装备之一。非粘结管缆作为海洋工程装备的核心装备，是海洋资源开发中重要的关节。而由于海洋环境的复杂和不确定性，海洋非粘结管缆在使用过程中将承受复杂的海洋荷载，而一旦发生破坏，难以修复和替换，严重影响海洋开采的效率，还可能造成严重的海洋污染。因此在海洋非粘结管缆投入使用前需要对其力学性能和使用寿命进行精确的测试。而海洋非粘结管缆在制造过程中往往由于制造工艺的不同，造成管缆内部存在不确定性的加工残余应力，对其力学性能和使用寿命具有较大影响。铠装层作为海洋非粘结管缆的主要受力层，其加工工艺对铠装层的影响更加明显。因此掌握管缆结构在制造工艺过程中铠装层残余应力对管缆成品的弯曲性能影响，是保证其在水下工作时具有较好的力学性能和使用寿命的保障。从目前的研究成果来看，对于非粘结管缆结构的力学性能测试包括了一系列拉伸、压缩、弯曲、扭转的单一工况以及拉弯组合工况的测试，而针对非粘结管缆结构制作工艺中铠装层的残余应力对整体结构的影响却没有建立系统的测试方式。加工过程中残余应力的存在是众所周知的，而残余应力对成品的性能影响却国内鲜有研究，铠装层本身便作为管缆结构中主要承受拉力的结构，其中的预应力对管缆结构的整体力学性能影响将非常大，因此需要对非粘性管缆结构进行铠装层预应力对整体结构弯曲性能的影响进行测试，以便全面掌握其受力特点，从而预测其使用寿命。在现有的方法和设备中，还未出现能够测试铠装层预应力对整体结构弯曲性能的理想试验方案和试验设备。现有相关的设备只是可以单一测量出管缆整体结构纯弯曲或简单的组合工况，这种试验设备无法达到本发明的目标。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试方法和装置。本发明采用的技术手段如下：

一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试装置，包括对管缆样品铠装层施加拉力的预应力施加装置和将管缆样品中间部分弯曲成均匀弧度的弯曲装置；

所述预应力施加装置包括：锁紧管缆样品端部铠装层的锁紧齿轮环，向锁紧齿轮环施加拉力的螺杆，测量施加力数值的拉压力传感器，将施加的压力传递给传感器的反力支撑板，使管缆内芯受力均匀的压饼，将施加的压力通过传感器传递给压饼的传力圆柱；

所述弯曲装置包括：设备底座，螺栓连接于所述设备底座上对管缆样品中间部分施加作用的位移作动器，调整管缆样品中间部分弯曲半径的弯曲均匀限制装置，还包括固接于设备底座上的两根支撑柱，其中一根设有将管缆样品固定的铰支座固定卡扣，另一根支撑柱设有将管缆样品竖直方向固定的滑动支座固定卡扣，所述滑动支座固定卡扣由上下两个可沿管缆外表面水平滑动的滚轴组成。

进一步地，所述锁紧齿轮环包括内环和外环，所述内环的内圈表面光滑，外圈设有齿轮槽，外圈中部设有凸起部，所述外环的内圈设有齿轮槽，内圈中部设有适配内环凸起部的凹槽，外圈设有螺丝孔及适配的紧固螺丝。

进一步地，所述弯曲均匀限制装置包括整体框架和上下两对对称设置在框架内部的钢板，所述钢板上开设不同弧度的圆孔，每对钢板通过穿过圆孔的穿插螺杆形成实验所需弯曲弧度，框架竖杆上设置伸缩杆，能够通过改变竖杆的伸缩实现对不同直径的管缆的夹持。

本发明还提供一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试方法，包括以下步骤：

S1：将管缆样品两端的外护套剥离一部分，露出内部的铠装层；

S2：将管缆样品固定于测试装置，具体地，将管缆样品一端的锁紧齿轮环内环卡在铠装层的内侧，锁紧齿轮环外环卡在铠装层的外侧，拧紧外环上的紧固螺丝锁紧铠装层，将管缆样品穿过铰支座、弯曲均匀限制装置、滑动滚轴将管缆样品对正，锁紧铰支座固定卡扣和滑动支座固定卡扣，再将另一端铠装层通过同样方法用锁紧齿轮环锁紧；

S3：通过螺杆向锁紧齿轮环施加拉力，同时螺杆通过反力支撑板将施加的压力传递给拉压力传感器，通过对螺杆上螺栓施加扭转，实现对锁紧齿轮环施加拉力和对内护套及管缆内部施加同等压力，由拉压力传感器测量施加力的大小，实现非粘结管缆结构铠装层表现为不同预应力数值，管缆内芯所受压力由反力支撑板通过拉压力传感器、传力圆柱、压饼均匀传递给管缆内芯；

S4：由拉压力传感器测量施加力的大小，实现非粘结管缆结构铠装层表现为不同预应力数值，模拟加工制造过程中非粘结管缆铠装层加工残余应力的存在；

S5：通过所述弯曲均匀限制装置调整所需弯曲半径，具体地，将管缆样品置于所述弯曲均匀限制装置，穿插螺杆穿过钢板圆孔形成实验所需弯曲弧度，通过旋紧伸缩杆的螺栓将管缆样品夹紧，通过位移作动器施加作用力，将管缆样品按照设置的弯曲半径完成弯曲工况。

本发明具有以下优点：

1、本发明考虑到了非粘结管缆成品中结构铠装层预应力的存在以及其对管缆整体弯曲性能的影响，进而研发了本发明装置和测试方法，弥补了非粘结管缆测试领域的盲区，实现非粘结管缆成品弯曲力学性能的精确测量。

2、本发明不仅可以测试非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响，还可进而开发对管缆铠装层预应力研究的拉弯、压弯等力学性能测试装置。

3、本发明可以通过调节弯曲均匀限制装置，从而调整非粘结管缆结构的弯曲半径，通过拉压力传感器测量预应力的大小，从而得到铠装层预应力与非粘结管缆结构弯曲刚度变化曲线。

基于上述理由本发明可在实验测试领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测试装置主体结构示意图。

图2为本发明铠装层预应力施加装置局部示意图。

图3为本发明均匀弯曲限制器主视图。

图4为本发明均匀弯曲限制器侧视图。

图5为本发明锁紧齿轮环内外环组合三维示意图。

图6为本发明锁紧齿轮环内外环组合主视图。

图7为本发明锁紧齿轮环内外环组合(二)三维示意图。

图8为本发明锁紧齿轮环内外环组合(二)主视图。

图9为本发明锁紧齿轮环内外环组合(二)侧视图。

图10为本发明锁紧齿轮环内环三维示意图。

图11为本发明锁紧齿轮环内环主视图。

图12为本发明锁紧齿轮环内环侧视图。

图13为本发明锁紧齿轮环外环三维示意图。

图14为本发明锁紧齿轮环外环主视图。

图15为本发明锁紧齿轮环外环侧视图。

图中：1、预应力施加装置；2、弯曲均匀限制装置；3、位移作动器；4、铰支座固定卡扣；5、滑动支座固定卡扣；6、滚轴；7、设备底座；8、支撑柱；9、管缆样品；10、铠装层；11、外护套；12、锁紧齿轮环内环；13、锁紧齿轮环外环；14、压饼；15、传力圆柱；16、拉压力传感器；17、螺杆；18、反力支撑板；19、上框架；20、下框架；21、钢板；22、圆孔；23、伸缩杆；24、穿插螺杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试装置，包括对管缆样品铠装层10施加拉力的预应力施加装置1和将管缆样品中间部分弯曲成均匀弧度的弯曲装置；

如图2所示，所述预应力施加装置1包括：锁紧管缆样品端部铠装层10的锁紧齿轮环，如图5-15所示，所述锁紧齿轮环包括内环12和外环13，所述内环12的内圈表面光滑，外圈设有齿轮槽，外圈中部设有凸起部，所述外环13的内圈设有齿轮槽，内圈中部设有适配内环凸起部的凹槽，外圈设有螺丝孔及适配的紧固螺丝。向锁紧齿轮环施加拉力的螺杆17，测量施加力数值的拉压力传感器16，将施加的压力传递给传感器的反力支撑板18，使管缆内芯受力均匀的压饼14，将施加的压力通过传感器传递给压饼14的传力圆柱15；

所述弯曲装置包括：设备底座7，螺栓连接于所述设备底座上对管缆样品中间部分施加作用的位移作动器3，调整管缆样品中间部分弯曲半径的弯曲均匀限制装置2，还包括固接于设备底座上的两根支撑柱8，其中一根设有将管缆样品固定的铰支座固定卡扣4，另一根支撑柱设有将管缆样品竖直方向固定的滑动支座固定卡扣5，所述滑动支座固定卡扣5由上下两个可沿管缆外表面水平滑动的滚轴6组成。

如图3、图4所示，所述弯曲均匀限制装置2包括整体框架(分为上框架19和下框架20)和上下两对对称设置在框架内部的钢板21，所述钢板21上开设不同弧度的圆孔22，每对钢板21通过穿过圆孔22的穿插螺杆24形成实验所需弯曲弧度，框架竖杆上设置伸缩杆23，能够通过改变竖杆的伸缩实现对不同直径的管缆的夹持。

一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试方法，包括以下步骤：

S1：将管缆样品9两端的外护套11剥离一部分，露出内部的铠装层10；

S2：将管缆样品9固定于测试装置，具体地，将管缆样品9一端的锁紧齿轮环内环12卡在铠装层10的内侧，锁紧齿轮环外环13卡在铠装层10的外侧，拧紧外环13上的紧固螺丝锁紧铠装层10，将管缆样品9穿过支撑柱8、弯曲均匀限制装置2、滑动滚轴6将管缆样品9对正，锁紧铰支座固定卡扣4和滑动支座固定卡扣5，再将另一端铠装层10通过同样方法用锁紧齿轮环锁紧；

S3：通过螺杆17向锁紧齿轮环施加拉力，同时螺杆17通过反力支撑板18将施加的压力传递给拉压力传感器16，通过对螺杆17上螺栓施加扭转，实现对锁紧齿轮环施加拉力和对内护套及管缆内部施加同等压力，由拉压力传感器16测量施加力的大小，实现非粘结管缆结构铠装层表现为不同预应力数值，管缆内芯所受压力由反力支撑板18通过拉压力传感器16、传力圆柱15、压饼14均匀传递给管缆内芯；

S4：由拉压力传感器16测量施加力的大小，实现非粘结管缆结构铠装层表现为不同预应力数值，模拟加工制造过程中非粘结管缆铠装层加工残余应力的存在；

S5：通过所述弯曲均匀限制装置2调整所需弯曲半径，具体地，将管缆样品9置于所述弯曲均匀限制装置2，穿插螺杆24穿过钢板圆孔22形成实验所需弯曲弧度，通过旋紧伸缩杆23的螺栓将管缆样品9夹紧，通过位移作动器3施加作用力，将管缆样品9按照设置的弯曲半径完成弯曲工况。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试装置，其特征在于，包括用于对管缆样品铠装层施加拉力的预应力施加装置和用于将管缆样品中间部分弯曲成均匀弧度的弯曲装置；

所述预应力施加装置包括：锁紧管缆样品端部铠装层的锁紧齿轮环，向锁紧齿轮环施加拉力的螺杆，测量施加力数值的拉压力传感器，将施加的压力传递给传感器的反力支撑板，使管缆内芯受力均匀的压饼，将施加的压力通过传感器传递给压饼的传力圆柱；

所述弯曲装置包括：设备底座，螺栓连接于所述设备底座上对管缆样品中间部分施加作用的位移作动器，调整管缆样品中间部分弯曲半径的弯曲均匀限制装置，还包括固接于设备底座上的两根支撑柱，其中一根设有将管缆样品固定的铰支座固定卡扣，另一根支撑柱设有将管缆样品竖直方向固定的滑动支座固定卡扣，所述滑动支座固定卡扣由上下两个可沿管缆外表面水平滑动的滚轴组成。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述锁紧齿轮环包括内环和外环，所述内环的内圈表面光滑，外圈设有齿轮槽，外圈中部设有凸起部，所述外环的内圈设有齿轮槽，内圈中部设有适配内环凸起部的凹槽，外圈设有螺丝孔及适配的紧固螺丝。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述弯曲均匀限制装置包括整体框架和上下两对对称设置在框架内部的钢板，所述钢板上开设不同弧度的圆孔，每对钢板通过穿过圆孔的穿插螺杆形成实验所需弯曲弧度，框架竖杆上设置伸缩杆，能够通过改变竖杆的伸缩实现对不同直径的管缆的夹持。

4.一种非粘结管缆铠装层预应力对弯曲性能影响的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将管缆样品两端的外护套剥离一部分，露出内部的铠装层；

S2：将管缆样品固定于测试装置，具体地，将管缆样品一端的锁紧齿轮环内环卡在铠装层的内侧，锁紧齿轮环外环卡在铠装层的外侧，拧紧外环上的紧固螺丝锁紧铠装层，将管缆样品穿过铰支座、弯曲均匀限制装置、滑动滚轴将管缆样品对正，锁紧铰支座固定卡扣和滑动支座固定卡扣，再将另一端铠装层通过同样方法用锁紧齿轮环锁紧；

S3：通过螺杆向锁紧齿轮环施加拉力，同时螺杆通过反力支撑板将施加的压力传递给拉压力传感器，通过对螺杆上螺栓施加扭转，实现对锁紧齿轮环施加拉力和对内护套及管缆内部施加同等压力，由拉压力传感器测量施加力的大小，实现非粘结管缆结构铠装层表现为不同预应力数值，管缆内芯所受压力由反力支撑板通过拉压力传感器、传力圆柱、压饼均匀传递给管缆内芯；

S4：由拉压力传感器测量施加力的大小，实现非粘结管缆结构铠装层表现为不同预应力数值，模拟加工制造过程中非粘结管缆铠装层加工残余应力的存在；

S5：通过所述弯曲均匀限制装置调整所需弯曲半径，具体地，将管缆样品置于所述弯曲均匀限制装置，穿插螺杆穿过钢板圆孔形成实验所需弯曲弧度，通过旋紧伸缩杆的螺栓将管缆样品夹紧，通过位移作动器施加作用力，将管缆样品按照设置的弯曲半径完成弯曲工况。