CN110501284B - 一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置及方法，属于复合管结合强度性能测试技术领域。包括高强度承压框架、压力系统、加热保温箱、可调节支架；压力系统固定在高强度承压框架内；变径压头插入加热保温箱，将待测试的复合管放置于变径压头上，变径压头的上端面只与待测试复合管的内管下端面接触，加热保温箱箱体高度与测试管段上端面基本平齐，盖上加热保温箱上盖，加热保温箱上盖与高强度框架接触，加热保温箱上盖的下表面只与待测试复合管的外管上端面接触；打开加热保温箱电源，升温至所需的测试温度，温度稳定后保温，加载压力，观察压力变化，当压力达到最大值开始明显下降时，说明复合管已经发生了剪切破坏，记录此过程的压力值。

Description

一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置及方法
技术领域
本发明涉及复合管结合强度性能测试技术领域，特别涉及一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置及方法。
背景技术
复合管是由两种或两种以上不同性能的材料构成的具有双层或者多层结构的复合管材，工程应用中可以根据应用的环境和对管材的性能要求进行复合管材料体系和生产工艺的选择和设计，能够最大限度地实现材料的优势互补，在保证管道基本性能的基础上，提高管道的耐腐蚀性，延长管道的使用寿命，降低工程费用，往往能够替代纯不锈钢管、铜管或其他昂贵的合金管。目前各种复合管已在石油开发、化工、冶金、船舶、矿山、军工等领域取得大量应用。
结合强度是评价复合管性能的最重要的一项技术指标。目前，在不同类别的复合管的相关标准中已经给出了结合强度的具体要求和测试方法，比如在GB/T28897《钢塑复合管》，SY/T 6855《含H2S/CO2天然气田集输管网用双金属复合管》，SY/T 6662.8-2016《陶瓷内衬管及管件》等标准中均对复合管的结合强度做了要求并给出了试验的示意图。这些标准都是对室温下的复合管的结合强度进行要求，忽略了温度对由不同热膨胀系数材料体系构成的复合管造成的结合强度的影响，对指导复合管在热加载工况下的应用存在不足之处，易造成生产事故和安全隐患。
发明内容
为解决上述不足，本发明提供了一种能够测试热加载条件下复合管结合强度的实验装置及方法，实验方法简单，实验装置结构简单、操作灵活、测试快速直观。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置，分为四个部分：高强度承压框架(1)，压力系统(2)，加热保温箱(3)，可调节支架(4)；
高强度承压框架(1)用于承受整个测试系统的负载，高强度承压框架为箱体结构，上部开有通孔(1-2)，用于观察实验过程，还可用于调整试样位置；
压力系统(2)底部固定在高强度承压框架1内的底部部，用于产生和输出测试结合强度的压力；压力系统自上而下依次包括部件变径压头(2-2)、压头(2-3)、能施加压力的缸体(2-4)、底座(2-5)，底座(2-5)固定在压力系统2的底部上，缸体(2-4)设有高精度数字显示压力表(2-6)及加载控制器(2-7)；变径压头(2-2)为圆柱结构，上部端面直径相对较小，下部端面直径相对较大，根据复合管尺寸选取合适的变径压头尺寸，其上部端面直接与复合管试件的内管端面接触，用于对内管加载压力，变径压头(2-2)下部端面设有圆柱形引导面凹槽(2-8)，用于与圆柱形的压头(2-3)稳定配合；圆柱形的压头(2-3)顶部与变径压头的圆柱形引导面凹槽(2-8)配合，用于传导压力到试件，压头(2-3)顶部与变径压头接触的结合面处设有隔热垫片(2-9)，用于降低热量损失，降低传递到压力系统的热量，保护压力系统；高精度数字显示压力表(2-6)，用于快速直观的读取压力系统传递的压力数值，其读数单位为MPa、Psi、KN等。
加热保温箱(3)位于高强度承压框架(1)内部上端，用于将待测试复合管段加热至指定温度，并在此温度下完成测试；包括加热保温箱箱体(3-2)、加热元件(3-3)、隔热保温层(3-4)、加热保温箱上盖(3-5)、温度传感器(3-6)、数字显示温度计及控温装置(3-7)，加热保温箱电源(3-8)；加热保温箱箱体(3-2)用于承载加热保温箱的其它部件，加热保温箱箱体(3-2)下部置于在可调节支架(4)上，用于固定加热保温箱，可调节支架(4)位于高强度承压框架(1)内；隔热保温层(3-4)设置在加热保温箱箱体内表面，用于防止热量散失，保持箱体内部温度；加热元件(3-3)位于加热保温箱箱体(3-2)内部用于加温；加热保温箱上盖(3-5)采样上盖连接销(3-10)与加热保温箱箱体上端口进行配合，加热保温箱上盖(3-5)上表面与高强度承压框架贴合，用于承载测试时试样上部外层管端面产生的压力，加热保温箱上盖(3-5)开有通孔(3-13)，不同尺寸的试样选择不同通孔尺寸的加热保温箱上盖，加热保温箱上盖通孔(3-13)处设有隔热保温的通孔塞(3-11)，用于密封上盖，避免热量损失；加热保温箱箱体(3-2)内设有温度传感器(3-6)，数字显示温度计及自动控温装置(3-7)与温度传感器(3-6)和加热元件(3-3)连接和配合，用于直观的读取加热保温箱内的温度，当温度达到设定温度时，控温装置控制加热元件自动断电，温度降低时自动加热，保证箱内温度恒定；
所述加热保温箱3底部开有通孔(3-12)，用于变径压头上端伸入到加热保温箱内；通孔(3-12)内侧壁设有一层柔性隔热保温材料(3-9)，用于密封变径压头与加热保温箱体的间隙，柔性隔热保温材料应能适应不同变径压头的尺寸，防止热量从变径压头与孔的间隙散失，并且不会影响测试结果；
高强度承压框架(1)上部设有通孔，高强度承压框架(1)上部的通孔直径不小于加热保温箱上盖通孔(3-13)且两者同轴；加热保温箱上盖通孔(3-13)的直径大于待测复合管的外管内直径小于外管外直径；变径压头(2-2)上部端面直径大于待测复合管的内管内直径小于内管外直径。
可调节支架4固定在高强度承压框架1内部，用于以可调节高度的方式支撑和固定加热保温箱(3)。
压头(2-3)用于调节高度，缸体(2-4)为能够沿变径压头(2-2)轴线方向持续增加压力装置。
实验方法如下：压力系统固定在高强度承压框架内，根据待测试的复合管尺寸选择适用的变径压头；通过加热保温箱下孔将变径压头插入加热保温箱，将待测试的复合管放置于变径压头上并调整好，使得变径压头与待测试的复合管同轴，变径压头的上端面只与待测试复合管的内管下端面接触，调整加热保温箱支架高度使加热保温箱箱体高度与测试管段上端面基本平齐，盖上加热保温箱上盖，上盖固定销嵌入销孔内，缓慢升高压力系统的压头高度，至加热保温箱上盖与高强度框架轻轻接触，同时加热保温箱上盖的下表面只与待测试复合管的外管上端面接触；调整加热保温箱支架高度使其支撑加热保温箱；打开加热保温箱电源，匀速升温至所需的测试温度，温度稳定后保温15-30分钟，压力系统开始缓慢向上加载压力，观察压力变化，当压力达到最大值开始明显下降时，说明复合管已经发生了剪切破坏，记录此过程的压力值，通过最大值计算复合管的结合力。
所述压力系统压头经过热处理工艺，获得较高的硬度和韧性，确保施压过程中不会变形和破裂。
所述压力系统安装有高精度数字显示压力表，能够快速直观的读取压力数值，压力表可以调整读数单位为MPa、Psi、KN等，满足不同读数需求。
所述变径压头可以根据复合管尺寸选取，变径压头底部设有圆柱形引导面，保证变径压头与压头的稳定配合，确保实验的准确性。
所述压头顶部与变径压头接触的结合面设有隔热垫片，降低保温箱的热量损失，保护压力系统。
所述加热保温箱设有自动控温装置，内部设有加热元件，箱内设有温度传感器，当温度达到设定温度时，加热元件自动断电，温度降低时自动加热，保证箱内温度恒定。
所述加热保温箱温度可在室温至1000℃内调节，涵盖目前工程应用的绝大部分工况条件。
所述加热保温箱设有数字显示温度计，可以直观的读取箱内的温度。
所述加热保温箱设有销连接的活动上盖，方便安装测试管段及设备维修，上盖开有通孔，并配套隔热保温的通孔塞，上盖通孔的尺寸与测试管段密切相关，不同的测试管段要选择不同的上盖。
所述加热保温箱内壁设有一层隔热保温材料，避免箱内热量损失。
所述加热保温箱底部开有通孔，孔内壁设有一层柔性隔热保温材料，能够适应不同变径压头的尺寸，防止热量从变径压头与孔的间隙散失，并且不会影响测试结果。
所述高强度承压框架采用高强度合金钢焊接而成，能承受较大压力不变形。
所述加热保温箱支架能够任意调节高度，为加热保温箱提供稳定支撑。
所述高强度承压框架采用高强度合金钢焊接而成，能承受较大压力不变形。
所述压力系统压头(2-3)与变径压头(2-2)配合用于传递测试压力，需经过热处理等工艺处理，用以获得较高的硬度和韧性。
本发明的有益效果如下：
1.本发明测试方法充分考虑到了复合管材的实际应用工况，测试结果对于指导复合管材的工程应用具有现实意义。
2.本发明温度控制范围大，覆盖目前工程应用的绝大部分工况条件。
3.本发明填补了热加载条件下复合管结合强度测试的空白。
附图说明
附图1是测试热加载条件下复合管结合强度装置的结构示意图
附图2是高强度承压框架俯视图
附图3是未安装管件的加热保温箱俯视图
1.高强度承压框架；1-2.承压框架通孔；2.压力系统；2-2.变径压头；2-3.压头；2-4.缸体；2-5.底座；2-6.高精度数字显示压力表；2-7.加载控制器；2-8.圆柱形引导面凹槽；2-9.隔热垫片；3.加热保温箱；3-2.加热保温箱箱体；3-3.加热元件；3-4.隔热保温层；3-5.加热保温箱上盖；3-6.温度传感器；3-7.温度计及控温装置；3-8.加热保温箱电源；3-9.柔性保温隔热材料；3-10.上盖连接销；3-11.上盖保温通孔塞；3-12.加热保温箱下通孔；3-13.加热保温箱上通孔；4.可调节支架；5.测试复合管段外管(层)；6.测试复合管段内管(层)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明采用的试验装置包括高强度承压框架1；压力系统2，具体包括变径压头2-2、压头2-3、缸体2-4、底座2-5、高精度数显压力表2-6、加载控制器2-7、隔热垫片2-9；加热保温箱3，具体包括加热保温箱箱体3-2、加热元件3-3、隔热保温层3-4、加热保温箱上盖3-5、温度传感器3-6、温度计及控温装置3-7、加热保温箱电源3-8、、柔性保温隔热材料3-9、上盖连接销3-10、上盖保温通孔塞3-11；可调节支架4等组成。
高强度承压框架1用于承受整个测试系统的负载，承压框架上部开有通孔1-2，用于观察实验过程，还可用于调整试样位置。压力系统2底部固定在高强度承压框架1下部，用于产生和输出测试结合强度的压力。根据测试试件的参数选择适用的变径压头2-2；通过加热保温箱下孔3-12将变径压头2-2插入加热保温箱3内，将测试复合管段放置于变径压头2-2上并调整好测试管段中心，调整可调节支架4高度使加热保温箱箱体3-2高度与测试管段上端面基本平齐，盖上加热保温箱上盖3-5，上盖固定销3-10嵌入销孔内，缓慢升高压头2-3高度，至加热保温箱上盖3-5与高强度框架1轻轻接触，调整可调节支架4高度使其支撑加热保温箱；打开加热保温箱电源3-8，升温至所需的测试温度，温度稳定后保温15-30分钟，控制加载控制器2-7开始缓慢加载，观察压力表2-6读数变化，当压力达到最大值并突然下降时，说明复合管已经发生了剪切破坏，记录此过程的压力值。
所述压力系统2包括变径压头2-2、压头2-3、缸体2-4、底座2-5、及高精度数显压力表2-6及加载控制器2-7。
所述压力系统2中的变径压头2-2及压头2-3用于直接对测试试样加载压力，要进行相应处理，获得高硬度和高韧性，确保施压过程中不会变形和破裂。
所述压力系统2中的高精度数字显示压力表2-6，用于快速直观的读取压力数值，压力表可以调整读数单位为MPa、Psi、KN等，满足不同读数需求，还可通过压力值、压头的面积等参数，实现不同单位数值的换算，以满足不同的计算需求。
所述变径压头2-2可以根据测试试件尺寸选取，变径压头2-2底部设有圆柱形引导面2-8，用于引导变径压头与压头的配合，确保实验的准确性。
所述压头2-3顶部与变径压头2-2接触的结合面设有隔热垫片2-9，用于降低保温箱的热量损失，降低传递到压力系统的热量，保护压力系统。
所述加热保温箱3设有数字显示温度计及自动控温装置(3-7)，内部设有加热元件3-3，箱内设有温度传感器3-6，用于直观的读取箱内的温度，及当温度达到设定温度时，控温装置能够控制加热元件自动断电，温度降低时控温装置能够控制加热元件自动加热，保证箱内温度恒定。
所述加热保温箱3设有销3-10连接的活动上盖3-5，用于承载压力、方便安装测试管段及设备维修，上盖开有通孔3-13，用于观察测试管段位置和测试状态，上盖通孔3-13配有隔热保温的通孔塞3-11，用于加温及保温过程中密封上盖，避免热量损失。上盖通孔3-13的尺寸与测试管段密切相关，不同的测试管段要选择不同的上盖3-5。
所述加热保温箱3内壁设有一层隔热保温材料3-4，用于避免箱内热量损失。
所述加热保温箱3底部开有通孔3-12，孔内壁设有一层柔性隔热保温材料3-9，用于适应不同变径压头的尺寸，防止热量从变径压头与孔的间隙散失，并且不会影响测试结果。
所述高强度承压框架1采用高强度合金钢焊接而成，能承受较大压力不变形。
所述加热保温箱支架4能够任意调节高度，为加热保温箱提供稳定支撑。
本发明整套试验装置重量仅几十公斤，可随意搬运，只要有电源的地方均可操作，满足不同试验需求。
实施例1：测试双金属复合管在300℃条件下的结合强度
(1)试验管段准备：截取20mm长，
Figure BDA0002186348510000061
51mm碳钢管复合3mm不锈钢管的双金属复合管，复合管内径为56mm，复合管结合面直径为62mm。(2)试验配件选取：选取直径60mm的变径压头；(3)试验组装：将变径压头与压头组装，中间垫隔热垫片；将变径压头与加热保温箱通过底部通孔组装；将试验管段调整好中心，放置于变径压头上，保证不锈钢层均匀地落在变径压头上；调整加热保温箱高度使箱体上缘与管段上端面平齐；盖上保温箱上盖，上盖固定销嵌入销孔内；缓慢升高压头高度，至加热保温箱上盖与高强度框架轻轻接触，调整加热保温箱支架高度使其支撑加热保温箱；确认测试管段位置无偏移后，塞上上盖保温通孔塞；(4)试验升温：打开加热保温箱电源，匀速升温至300℃，温度稳定后保温20分钟；(5)压力试验：调整压力表读数单位，缓慢加载，观察压力变化，当压力达到最大值开始明显下降时，说明复合管已经发生了剪切破坏，记录此过程的压力值(6)试验结束：拆卸设备，取出试验管段，测量和记录相关数据，留取照片或视频资料，根据相关标准计算复合管结合强度。
具体测试中可重复上述试验，取多次平均值作为最终测试结果。
实施例2：测试金属陶瓷复合油管在500℃条件下的结合强度
(1)试验管段准备：截取20mm长，
Figure BDA0002186348510000071
碳钢管复合3mm金属陶瓷层的金属陶瓷复合管，复合管内径为70mm，复合管结合面直径为76mm。(2)试验配件选取：选取直径75mm的变径压头；(3)试验组装：将变径压头与压头组装，中间垫隔热垫片；将变径压头与加热保温箱通过底部通孔组装；将试验管段调整好中心，放置于变径压头上，保证陶瓷层均匀地落在变径压头上；调整加热保温箱高度使箱体上缘与管段上端面平齐；盖上保温箱上盖，上盖固定销嵌入销孔内；缓慢升高压头高度，至加热保温箱上盖与高强度框架轻轻接触，调整加热保温箱支架高度使其支撑加热保温箱；确认测试管段位置无偏移后，塞上上盖保温通孔塞；(4)试验升温：打开加热保温箱电源，匀速升温至500℃，温度稳定后保温30分钟；(5)压力试验：调整压力表读数单位，缓慢加载，观察压力变化，当压力达到最大值开始明显下降时，说明复合管已经发生了剪切破坏，记录此过程的压力值；(6)试验结束：拆卸设备，取出试验管段，测量和记录相关数据，留取照片或视频资料，根据相关标准计算复合管结合强度。
具体测试中可重复上述试验，取多次平均值作为最终测试结果。

Claims (7)

1.一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置，其特征在于，分为四个部分：高强度承压框架（1），压力系统（2），加热保温箱（3），可调节支架（4）；
高强度承压框架（1）用于承受整个测试系统的负载，高强度承压框架为箱体结构，上部开有通孔（1-2），用于观察实验过程，还可用于调整试样位置；
压力系统（2）底部固定在高强度承压框架（1）内的底部，用于产生和输出测试结合强度的压力；压力系统自上而下依次包括部件变径压头（2-2）、压头（2-3）、能施加压力的缸体（2-4）、底座（2-5），底座（2-5）固定在压力系统（ 2） 的底部上，缸体（2-4）设有高精度数字显示压力表（2-6）及加载控制器（2-7）；变径压头（2-2）为圆柱结构，上部端面直径相对较小，下部端面直径相对较大，根据复合管尺寸选取合适的变径压头尺寸，其上部端面直接与复合管试件的内管端面接触，用于对内管加载压力，变径压头（2-2）下部端面设有圆柱形引导面凹槽（2-8），用于与圆柱形的压头（2-3）稳定配合；圆柱形的压头（2-3）顶部与变径压头的圆柱形引导面凹槽（2-8）配合，用于传导压力到试件，压头（2-3）顶部与变径压头接触的结合面处设有隔热垫片（2-9），用于降低热量损失，降低传递到压力系统的热量，保护压力系统；高精度数字显示压力表（2-6），用于快速直观的读取压力系统传递的压力数值；
加热保温箱（3）位于高强度承压框架（1）内部上端，用于将待测试复合管段加热至指定温度，并在此温度下完成测试；包括加热保温箱箱体（3-2）、加热元件（3-3）、隔热保温层（3-4）、加热保温箱上盖（3-5）、温度传感器（3-6）、数字显示温度计及控温装置（3-7），加热保温箱电源（3-8）；加热保温箱箱体（3-2）用于承载加热保温箱的其它部件，加热保温箱箱体（3-2）下部置于在可调节支架（4）上，用于固定加热保温箱，可调节支架（4）位于高强度承压框架（1）内；隔热保温层（3-4）设置在加热保温箱箱体内表面，用于防止热量散失，保持箱体内部温度；加热元件（3-3）位于加热保温箱箱体（3-2）内部用于加温；加热保温箱上盖（3-5）采样上盖连接销（3-10）与加热保温箱箱体上端口进行配合，加热保温箱上盖（3-5）上表面与高强度承压框架贴合，用于承载测试时试样上部外层管端面产生的压力，加热保温箱上盖（3-5）开有上盖通孔（3-13），不同尺寸的试样选择不同通孔尺寸的加热保温箱上盖，上盖通孔（3-13）处设有隔热保温的通孔塞（3-11），用于密封上盖，避免热量损失；加热保温箱箱体（3-2）内设有温度传感器（3-6），数字显示温度计及控温装置（3-7）与温度传感器（3-6）和加热元件（3-3）连接和配合，用于直观的读取加热保温箱内的温度，当温度达到设定温度时，控温装置控制加热元件自动断电，温度降低时自动加热，保证箱内温度恒定；
所述加热保温箱底部开有底部通孔（3-12），用于变径压头上端伸入到加热保温箱内；底部通孔（3-12）内侧壁设有一层柔性隔热保温材料（3-9），用于密封变径压头与加热保温箱体的间隙，柔性隔热保温材料应能适应不同变径压头的尺寸，防止热量从变径压头与孔的间隙散失，并且不会影响测试结果；
高强度承压框架（1）上部设有通孔，高强度承压框架（1）上部的通孔直径不小于上盖通孔（3-13）且两者同轴；上盖通孔（3-13）的直径大于待测复合管的外管内直径小于外管外直径；变径压头（2-2）上部端面直径大于待测复合管的内管内直径小于内管外直径。
2.按照权利要求1所述的一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置，其特征在于，可调节支架（ 4） 固定在高强度承压框架（ 1） 内部，用于以可调节高度的方式支撑和固定加热保温箱（3）。
3.按照权利要求1所述的一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置，其特征在于，压头（2-3）用于调节高度，缸体（2-4）为能够沿变径压头（2-2）轴线方向持续增加压力装置。
4.按照权利要求1所述的一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置，其特征在于，所述加热保温箱设有自动控温装置，内部设有加热元件，箱内设有温度传感器，当温度达到设定温度时，加热元件自动断电，温度降低时自动加热，保证箱内温度恒定。
5.按照权利要求1所述的一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置，其特征在于，所述加热保温箱温度可在室温至1000℃内调节，涵盖目前工程应用的绝大部分工况条件。
6.按照权利要求1所述的一种测试热加载条件下复合管结合强度的装置，其特征在于，所述高强度承压框架采用高强度合金钢焊接而成。
7.采用权利要求1-6任一项所述的装置测试复合管结合强度的方法，其特征在于，实验方法如下：压力系统固定在高强度承压框架内，根据待测试的复合管尺寸选择适用的变径压头；通过加热保温箱下孔将变径压头插入加热保温箱，将待测试的复合管放置于变径压头上并调整好，使得变径压头与待测试的复合管同轴，变径压头的上端面只与待测试复合管的内管下端面接触，调整加热保温箱支架高度使加热保温箱箱体高度与测试管段上端面基本平齐，盖上加热保温箱上盖，上盖固定销嵌入销孔内，缓慢升高压力系统的压头高度，至加热保温箱上盖与高强度框架轻轻接触，同时加热保温箱上盖的下表面只与待测试复合管的外管上端面接触；调整加热保温箱支架高度使其支撑加热保温箱；打开加热保温箱电源，匀速升温至所需的测试温度，温度稳定后保温15-30分钟，压力系统开始缓慢向上加载压力，观察压力变化，当压力达到最大值开始明显下降时，说明复合管已经发生了剪切破坏，记录此过程的压力值，通过最大值计算复合管的结合强度。
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