CN108918279B - 循环水动力式管道断裂模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种循环水动力式管道断裂模拟实验装置，包括：实验管段、左侧连接管段、后侧连接管段、右侧连接管段、电动循环泵、增压系统、DIC测试系统；其中，实验管段、左侧连接管段、电动循环泵、后侧连接管段、右侧连接管段通过法兰依次首尾连接；增压系统设置在右侧连接管段右侧，DIC测试系统放置在实验管段正前侧。相对于现有技术，本发明完全再现管道裂纹在内部流体作用下的扩展情况，且其所承受的内部压力和裂尖状态均与实际工况相同，减小了尺寸误差，保证数据的可靠性，实验采用电动循环泵改变不同流体流速，可以实现流速对管道裂纹扩展的影响研究，实验采用电动增压泵改变流体压力，可以实现压力对管道裂纹扩展的影响研究。
Description
技术领域
本发明属于管道设计制造领域，具体地，涉及一种循环水动力式管道断裂模拟实验装置及实验方法。
背景技术
断裂韧性是评估管道结构完整性的一个必要材料参数，其数值往往由管道断裂实验获得。管道断裂实验可分为小型实验室实验、大型实验室实验及实际结构实验。小型实验室实验基于标准的小尺寸试件，包括：三点弯试件、紧凑拉伸试件等，但由于这些试件与实际管道约束情况不同，从而使测得的结果用于管道时产生误差；大型实验室实验主要包括宽板试验，该实验对实验机的加载能力要求极高，故成本较高；实际结构实验如全尺寸爆破试验实验精度较高，但操作过程复杂，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，亟需设计一种可直接在管道上进行的且安全经济的断裂实验装置。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种循环水动力式管道断裂模拟实验装置及实验方法，运用该装置可以安全经济的在管段上进行断裂实验，并且可以实时观测不同流体流速及不同压力下裂纹扩展情况，同时可以解决常规管道断裂实验试件约束存在差异、成本较高、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：
循环水动力式管道断裂模拟实验装置，包括：实验管段、左侧连接管段、后侧连接管段、右侧连接管段、电动循环泵、增压系统、DIC测试系统；其中，实验管段、左侧连接管段、电动循环泵、后侧连接管段、右侧连接管段通过法兰依次首尾连接，构成闭环管路系统；增压系统设置在右侧连接管段，向装置内传输流体并提高装置内压力，引起实验管段断裂；DIC测试系统放置在实验管段正前侧，对实验管段的裂纹扩展过程进行实时观测。
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，具有足够的韧带长度从而可以保障裂纹得到充分扩展；完全再现管道裂纹在内部流体作用下的扩展情况，且其所承受的内部压力和裂尖状态均与实际工况相同，减小了尺寸误差，保证数据的可靠性。
(2)、环形系统的设置节省了空间，增高了水资源的利用率，避免了浪费。
(3)、实验采用电动循环泵改变不同流体流速，可以实现流速对管道裂纹扩展的影响研究。
(4)、实验采用电动增压泵改变流体压力，可以实现压力对管道裂纹扩展的影响研究。且压力增加稳定可靠，工作风险降低。
(5)、运用DIC设备测试装置实时观察裂纹扩展情况，结果直观且便于获取所需数据。
附图说明
图1是循环水动力式管道断裂模拟实验装置结构示意图。
图2是循环水动力式管道断裂模拟实验装置结构正视示意图。
图3是图2中View C示意图。
图4是循环水动力式管道断裂模拟实验装置结构俯视示意图。
图5是图4中A-A剖面示意图。
图6是图5中View B示意图。
其中：1、实验管段，101、气囊，102、预制裂纹，2A、左侧连接管段,2B、后侧连接管段，2C、右侧连接管段，3、法兰，4、排气阀，5、排水阀，6、电动循环泵，7、增压系统，701、电动增压泵，702、电动增压泵肋板，703、进水管，704、抽水管、705、水箱，706、电动增压泵法兰，707、增压控制阀，708、单向阀，8、DIC测试系统，801、计算机，802、图像采集器。
箭头代表液体流动方向。
具体实施方式
如图1至图6所示，循环水动力式管道断裂模拟实验装置，包括：实验管段1、左侧连接管段2A、后侧连接管段2B、右侧连接管段2C、电动循环泵6、增压系统7、DIC测试系统8；其中，实验管段1、左侧连接管段2A、电动循环泵6、后侧连接管段2B、右侧连接管段2C通过法兰3依次首尾连接，构成闭环管路系统；增压系统7设置在右侧连接管段2C右侧，向装置内传输流体并提高装置内压力，引起实验管段1断裂；DIC测试系统8放置在实验管段正前侧，对实验管段1的裂纹扩展过程进行实时观测。
实验管段1为直接从管道上截取的全尺寸管道试样，具有足够的韧带长度从而可以保障裂纹得到充分扩展；实验管段1侧壁开设有轴向穿透预制裂纹102，预制裂纹102关于实验管段1的轴向中面对称；实验管段1内部装配有气囊101，气囊101由高强度聚氨酯材料制成，与实验管段1同轴，较实验管段1长，伸出部分套在实验管段1两端并由法兰3压紧固定，使气囊101与实验管段1不发生相对位移；液体在闭环管路内循环流动时，气囊101外壁与实验管段1内壁接触，将液体压力传递至实验管段1，从而使预制裂纹102扩展，又可防止实验装置内液体加压时经由预制裂纹102流出，造成系统内压力不稳定。
电动循环泵6通过左侧连接管段2A与实验管段1连接，电动循环泵6可为实验装置内流体流动提供循环动力，最大限度的还原真实管道受载情况；同时，可以根据需要控制不同流速，进而研究不同流速对管道裂纹扩展的影响。
增压系统7位于整个闭环管路系统右侧，通过电动增压泵法兰706与右侧连接管段2C连接，包括：电动增压泵701、电动增压泵肋板702、进水管703、抽水管704、水箱705、电动增压泵法兰706、增压控制阀707及单向阀708；电动增压泵法兰706、进水管703、电动增压泵701沿同一轴线从左向右依次设置；单向阀708、增压控制阀707从左向右依次安装在进水管703上；电动增压泵701由电动增压泵肋板702固定于水箱705顶部；电动增压泵701前端通过抽水管704与水箱705相连。开启电动增压泵701并打开增压控制阀707后，水箱705内的水由电动增压泵701吸至泵内然后通过进水管703进入右侧连接管段2C内，实现增压目的，单向阀708可防止系统内水倒流。
排气阀4位于后侧连接管段2B正上方，用于管道系统进排气；排水阀5位于左侧连接管段2A正下方，用于管道系统进排水。
DIC测试系统8，包括：计算机801、图像采集器802。图像采集器802放置在预制裂纹102正前侧，可以对裂纹扩展过程进行实时监控与录制；图像采集器802与计算机801相连，通过图像采集器802采集的信息可以传输到计算机602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6所示，采用上述循环水动力式管道断裂模拟实验装置，包括下述步骤：
1、将实验管段1放置在支撑结构上，将气囊101伸进实验管段1内，使其两端超出实验管段1的距离相等，将超出部分套在实验管段1两端，安装法兰3，将气囊101与实验管段1固定，完成实验管段1的安装。
2、以实验管段1为基准，依次安装左侧连接管段2A、电动循环泵6、后侧连接管段2B、右侧连接管段2C，使五者同轴，然后通过法兰3将其依次首尾连接，形成闭环管路系统。在闭环管路系统左侧连接管段2A中间底部安装排水阀5；在闭环管路系统后侧连接管段2B中间顶部安装排气阀4。完成闭环管路系统的安装。
3、在右侧连接管段2C的右侧放置水箱705，将电动增压泵701利用电动增压泵肋板702固定在水箱705顶部，在电动增压泵701与水箱705之间安装抽水管704。在电动增压泵701左侧安装进水管703，并在进水管703上从左向右依次安装单向阀708、增压控制阀707。利用电动增压泵法兰706将进水管703与闭环管路右侧连接管段2C相连,完成增压系统7的安装。
4、将图像采集器802安置在预制裂纹102的正前侧，使图像采集器802可以完整录制裂纹的扩展过程，图像采集器802与计算机801相连，完成DIC测试系统8的安装。
5、装置安装完毕后，从自来水处引水接至排水阀5处，打开排水阀5和排气阀4，打开自来水进行注水，当排气阀4处有水冒出时，说明注水完成，且装置内没有空气。
6、关闭排水阀5、排气阀4，在水箱705中注满水，打开增压控制阀707，启动电动增压泵701，加压至既定压力后停止加压，关闭增压控制阀707。
7、打开图像采集器802与计算机801，打开电动循环泵6，调节不同流速，可研究同一压力不同流速下管道裂纹扩展过程；将电动循环泵6调至固定流速，打开增压控制阀707，可研究同一流速不同压力下管道裂纹扩展过程。
8、实验结束，打开排水阀5和排气阀4，直至排空管道系统内实验用水。图像采集器802记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机801中；计算机801进行相应的后处理。
Claims (2)
1.一种循环水动力式管道断裂模拟实验装置，包括：实验管段、左侧连接管段、后侧连接管段、右侧连接管段、电动循环泵、增压系统、DIC测试系统；其特征在于：实验管段、左侧连接管段、电动循环泵、后侧连接管段、右侧连接管段通过法兰依次首尾连接，构成闭环管路系统；增压系统设置在右侧连接管段，向装置内传输流体并提高装置内压力，引起实验管段断裂；DIC测试系统放置在实验管段正前侧，对实验管段的裂纹扩展过程进行实时观测；
实验管段为直接从管道上截取的全尺寸管道试样，具有足够的韧带长度从而可以保障裂纹得到充分扩展；实验管段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；实验管段内部装配有气囊，气囊由高强度聚氨酯材料制成，与实验管段同轴，较实验管段长，伸出部分套在实验管段两端并由法兰压紧固定；
电动循环泵通过左侧连接管段与实验管段连接，增压系统位于整个闭环管路系统右侧，通过电动增压泵法兰与右侧连接管段连接，包括：电动增压泵、电动增压泵肋板、进水管、抽水管、水箱、电动增压泵法兰、增压控制阀及单向阀；电动增压泵法兰、进水管、电动增压泵沿同一轴线从左向右依次设置；单向阀、增压控制阀从左向右依次安装在进水管上；电动增压泵由电动增压泵肋板固定于水箱顶部；电动增压泵前端通过抽水管与水箱相连；开启电动增压泵并打开增压控制阀后，水箱内的水由电动增压泵吸至泵内然后通过进水管进入连接管段内，实现增压目的，单向阀可防止系统内水倒流；
排气阀位于后侧连接管段正上方，用于管道系统进排气；排水阀位于左侧连接管段正下方，用于管道系统进排水；
DIC测试系统，包括：计算机、图像采集器；图像采集器放置在预制裂纹正前侧，可以对裂纹扩展过程进行实时监控与录制；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。
2.一种管道断裂模拟实验的实验方法，采用权利要求1所述的循环水动力式管道断裂模拟实验装置，包括下述步骤：
(1)将实验管段放置在支撑结构上，将气囊伸进实验管段内，使其两端超出实验管段的距离相等，将超出部分套在实验管段两端，安装法兰，将气囊与实验管段固定，完成实验管段的安装；
(2)以实验管段为基准，依次安装左侧连接管段、电动循环泵、后侧连接管段、右侧连接管段，使五者同轴，然后通过法兰将其依次首尾连接，形成闭环管路系统；在闭环管路系统左侧连接管段中间底部安装排水阀；在闭环管路系统后侧连接管段中间顶部安装排气阀，完成闭环管路系统的安装；
(3)在右侧连接管段的右侧放置水箱，将电动增压泵利用电动增压泵肋板固定在水箱顶部，在电动增压泵与水箱之间安装抽水管；在电动增压泵左侧安装进水管，并在进水管上从左向右依次安装单向阀、增压控制阀；利用电动增压泵法兰将进水管与闭环管路右侧连接管段相连,完成增压系统的安装；
(4)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整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；
(5)装置安装完毕后，从自来水处引水接至排水阀处，打开排水阀和排气阀，打开自来水进行注水，当排气阀处有水冒出时，说明注水完成，且装置内没有空气；
(6)关闭排水阀、排气阀，在水箱中注满水，打开增压控制阀，启动电动增压泵，加压至既定压力后停止加压，关闭增压控制阀；
(7)打开图像采集器与计算机，打开电动循环泵，调节不同流速，可研究同一压力不同流速下管道裂纹扩展过程；将电动循环泵调至固定流速，打开增压控制阀，可研究同一流速不同压力下管道裂纹扩展过程；
(8)实验结束，打开排水阀和排气阀，直至排空管道系统内实验用水；图像采集器记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机中；计算机进行相应的后处理。
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