CN111307658B - 基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统及方法，系统包括夹持系统、压力控制系统、轴向形变测量系统、温度控制系统和应变检测系统。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明根据机械复合管在运状态下的内压、温差参数，通过轴向形变控制系统限制管道轴向变形，模拟约束状态，通过加压系统和升温系统模拟内压和运行温差对基管、内衬应变的影响，并通过应变检测系统实现管道在运行全周期的内衬和基管各向应变变化记录，为后续分析管道紧密度提供重要参数，实现了机械复合管全周期紧密度性能的测试模拟。

Description

基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统及方法。

背景技术

随着气田开发技术不断发展，高含硫化氢、氯离子等腐蚀性介质的区块日益增多，管道选材成为热点。在管材满足抗腐蚀性、抗HIC、抗SSC等性能后，管材的经济性是影响工程投资的关键。复合管通过碳钢材料作为基管(外管)，内衬或衬里采用抗腐蚀材料的形式，起到了同纯材管道相似的作用，且焊接技术达到要求。复合管分为冶金复合管和机械复合管，前者是通过基管与内覆钢管以冶金贴合的形式进行连接，后者是通过基管与衬里钢管以机械贴合的形式进行连接。前者造价较高，但具有良好的贴合性；后者具有经济优势，但存在运行中基管与衬里紧密度降低的可能。由此可见，运行中材料的紧密度问题是影响机械复合管质量的关键，模拟测试投运后机械复合管的贴合性能对管道安全运行具有较为重要的意义。

目前，针对机械复合管紧密度问题的研究较少，工厂测试仅对成型后的机械复合管开展无约束状态的紧密度测试分析。在长距离机械复合管运行中，管道将存在基于内压、温差等协同作用的应力环境，且在管土相互作用的情况下，管道可能发生虚拟锚固，这将进一步放大内压、温差等因素对管道紧密度的影响。然而，针对这一问题，目前鲜有测试模拟系统予以关注和分析，这将导致出厂后并投入使用的机械复合管，其在实际运行工况下的紧密度无法进行提前预测和分析，不利于对安装和运行指导，亦不利于进一步推进机械复合管稳定性保障技术的研究。

为此，有必要开展基于内压、热膨胀协同作用测试模拟系统研究，以在投运前先期模拟机械复合管在内压和温差协同作用下的全生命周期紧密度关键表征参数。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统及方法，旨在进一步推动机械复合管应用技术发展，保障运行安全。本发明基于机械复合管在运过程的压力、温度特点以及埋设后“虚拟锚固”特性，借助应变测试系统开展室内压力-温度协同作用下的机械复合管紧密度参数检测，可直接有效获取投产、在运和停运状态下的内衬与基管应变参数，并推算内衬与基管紧密度性能，实现机械复合管投运后的紧密度先期预测，并为生产制造的原始紧密度性能控制提供反馈。

本发明所采用的技术方案是：一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，包括夹持系统、压力控制系统、轴向形变测量系统、温度控制系统和应变检测系统，其中：

所述夹持系统包括分别位于管道两端的第一固定支台和第二固定支台，所述第一固定支台依次与液压系统、推力杆和第一封堵头连接，所述第二固定支台与第二封堵头连接；

所述压力控制系统包括预埋于第一封堵头内的压力控制管道，以及安装在压力控制管道引出管上的压力变送器；

所述轴向形变测量系统包括安装于管道外表面的轴向应变片和设置在管道外侧的激光定位点；

所述温度控制系统包括设置在管道外部的水浴控温槽；

所述应变检测系统包括安装于管道基管外侧和内衬里侧的应变花，安装在基管外侧的应变花与数据采集系统连接，安装在内衬里侧的应变花通过电-信转换密封块和预埋线缆与数据采集系统连接。

本发明还提供了一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试方法，包括如下步骤：

步骤一、在测试前，保持推力杆处于最小运行点，预留空间供机械复合管的安装；通过吊机将机械复合管安装至恒温水浴槽，向恒温水浴槽内注入水，温度控制为模拟安装温度；

步骤二、在机械复合管外表面贴上轴向应变片，并设置激光定位点，进行安装温度下的管道轴向位移初始状态记录，分别提供应变校准和激光点位校准两种比对方式，同时，在机械复合管外侧和内侧安装应变花；

步骤三、利用液压系统和推力杆带动第一封堵头，轴向推动管道至贴紧第二封堵头，并利用第一封堵头提供初始封堵力，通过应变花记录运行前管道基管、内衬应变值；

步骤四、启动升温升压程序，利用压力控制通道向管道内注入升压水，利用恒温水浴槽提供模拟运行温度；管道在升温和升压后，轴向发生膨胀，通过步骤二设置的轴向位移检测系统向液压系统反馈，并由液压系统输出推力，通过推力杆施加于管道轴向，直至轴向位移检测系统停止输出位移补偿信号，通过应变花记录运行中管道基管、内衬应变值；

步骤五、在运行结束后，释放管道内压，降低恒温水浴槽的温度至模拟安装温度，直接释放液压系统，使管道处于无轴向外荷载的状态，通过应变花记录运行后管道基管、内衬应变值。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明根据机械复合管在运状态下的内压、温差参数，通过轴向形变控制系统限制管道轴向变形，模拟约束状态，通过加压系统和升温系统模拟内压和运行温差对基管、内衬应变的影响，并通过应变检测系统实现管道在运行全周期的内衬和基管各向应变变化记录，为后续分析管道紧密度提供重要参数，实现了机械复合管全周期紧密度性能的测试模拟。具体表现为：

(1)设置科学

本系统根据机械复合管投运后的运行情况，利用轴向形变控制系统模拟管道在运后的虚拟锚固状态；重点考虑内压、温差等因素对机械复合管内衬与基管紧密度的影响，利用模拟测试平台对投运后的环境状态进行模拟，获取内衬、基管在各种工况下的应变变化参数，用于全面模拟机械复合管投运后紧密度性能评估，反向指导生产制造。

(2)经济合理

本系统原理清晰，可基于工厂中常见的水压试验平台改造而成；通过单根管道即可实现内压、温差对管道性能模拟，避免采取破坏性的试验方式测试机械复合管内衬与基管紧密度。

(3)推动技术发展

目前机械复合管的制造标准相对成熟，但运行过程中的性能保证尚无专门规范进行要求，本模拟系统基于该缺陷，通过工厂平台对在运工况下的管道内衬和基管性能进行测试，获取紧密度在全生命周期的变化规律，反向支撑制造技术的优化和发展，不仅弥补了相关技术空白，亦推动了相关技术发展。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统的示意图。

具体实施方式

一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，如图1所示，主要包括：固定支台1-1/1-2、液压系统2、推力杆3、封堵头4-1/4-2、压力控制管道5、压力变送器6、机械复合管7、水浴控温槽8、轴向应变片9、激光定位点10、应变花11、系统支撑12、电-信转换密封块13、预埋线缆14等。

其中，固定支台1、液压系统2、推力杆3、封堵头4组成夹持系统，用于对管道两端进行封堵，提供密闭升压空间，亦为轴向形变控制系统提供附加顶推力。

具体地，固定支台为2套(1-1和1-2)，分别位于管道的两端，其中固定支台1-1连接液压系统2，固定支台1-2直接连接封堵头4-2。固定支台为钢制结构，用于提供本测试系统的两端轴向固定支撑。液压系统2用于提供管道就位后的夹持动力，同时提供因管道加热后所需限制轴向膨胀的补偿顶推力。液压系统2仅配置于单侧，连接单侧的固定支台1-1，最大荷载不低于限制管道轴向约束所需荷载的5倍。推力杆3为高强度不锈钢材质，有效行程不小于0.3m，有效轴向承载力不低于管道轴向约束力的3倍；推力杆与封堵头4连接处采用补强措施。封堵头4的数量2套，分别位于所测试管道(机械复合管7)轴向两侧；封堵头4为钢制圆盘，厚度不低于0.1m；在面向管道一侧设置凹槽，并铺垫橡胶，用于提高管道接触后的密封性能，凹槽深度不小于0.03m。另外，封堵头4-2设置预埋线缆14，包括外部电源供电线和数据采集线，预埋线缆14连接电-信转换密封块13，供管道内部安装的应变花提供电源和数据采集。

其中，压力控制管道5、压力变送器6组成压力控制系统，用于向管道提供并控制模拟压力。

具体地，压力控制管道5为预埋于单侧封堵头4内不锈钢管道，管径为DN15，并在封堵头4-1的非管道接触侧引出，以便连接水压供应系统；压力变送器6安装于引出管上，用于测试管道内部压力，并上传数据。

其中，轴向应变片9、激光定位点10轴向形变测量系统，用于在管道升温膨胀时限制管道轴向形变，模拟管道运行后的虚拟锚固状态。

具体地，轴向应变片9在管道就位后，安装于管道外表面，用于提供管道无轴向荷载时的轴向应变基准值和管道温压模拟过程中的轴向形变值，成为管道轴向形变指标(一)。管道就位后，在管道外侧设置激光定位点10；激光定位点10采用带有“十”字型的铁片安装于管道外侧，其水平高度与激光对准仪平齐，成为管道轴向形变指标(二)。

其中，水浴控温槽8形成温度控制系统，用于控制管道模拟运行温度。

具体地，水浴控温槽8为恒温水浴槽，呈长方体，顶面为敞口面，设置不锈钢盖板；底部设置连续导向支撑，供管道呈架空在位状态，且保持管道轴向平直度；水浴控温槽8与封堵头4-1的过渡段为柔性波纹连接，具有密封防漏性和可伸缩性。水浴控温槽8通过外部热水循环进行温度提升和温度控制。

其中，应变花11、电-信转换密封块13、预埋线缆14组成应变检测系统，用于检测基管和内衬在不同工况下的轴向、环向应变值。

具体地，应变花11为多向应变片，在管道就位后安装于基管外侧和内衬里侧，应至少保证在3点、6点、9点和12点方向进行部署；检测结果上传至数据收集系统。对内衬检测的应变片，通过设置在封堵头4-2的供电和采集接头提供管道内部供电和数据传递。电-信转换密封块13预先安装于封堵头4-2上，为多环带螺纹圆柱体，中心至最外侧分别为钢制信号圆柱体(带螺纹)、绝缘圆环(带螺纹)、钢制供电圆环(带螺纹)、绝缘圆环(带螺纹)，通过绝缘体隔离实现供电和通信独立支持，并采用螺纹连接的方式，实现密封。预埋线缆14包括电线和通信线，分别接入电-信转换密封块13的供电圆环和通信圆环。预埋线缆14在封堵头4-2中通过设置预埋管道保护。

液压杆顶推力控制系统和轴向形变检测系统构成轴向形变控制系统，用于在管道升温膨胀时限制管道轴向形变，模拟管道运行后的虚拟锚固状态。液压杆顶推力控制系统利用液压杆补充顶推力，约束管道轴向形变。轴向形变检测系统包括管道外部安装的轴向应变片、管道外贴的对准标牌和定点激光对准仪。

所述压力控制系统包括安装于封堵头上的液压管道和压力变送器，用于向管道提供并控制模拟压力。

所述温度控制系统包括恒温水浴槽和温度检测系统，用于控制管道模拟运行温度。

所述应变检测系统包括安装于管道基管、内衬的应变花，用于实时检测管道在加压、升温和泄压、降温过程中的各向应变变化，为机械复合管紧密度的分析推算提供输入参数。

本发明的工作原理及工作过程为：

(1)在机械复合管埋地安装运行后，由于受运行压力、运行-安装温度差的影响，其基管和内衬的紧密度将发生变化，可能影响管道运行安全，因此需要通过模拟测试装置，模拟运行压力、运行温差，采集管道基管和内衬在各运行阶段的应变变化值，用于进一步的紧密度预测与分析。

(2)将机械复合管7吊装进入水浴控温槽8后，通过液压系统2和推力杆3提供夹持力，使得封堵头4-1、机械复合管7和封堵头4-2紧密贴合。利用管道压力控制通道5向管道注入水，用于提供模拟运行压力；利用恒温水浴槽8提供模拟运行温度的环境。

(3)管道就位后，在管道外表面预先设置轴向应变片9，用于提供管道无轴向荷载时的轴向应变基准值和管道温压模拟过程中的轴向形变值，成为管道轴向形变指标(一)。管道就位后，在管道外侧设置激光定位点10；激光定位点10采用带有“十”字型的铁片安装于管道外侧，其水平高度与激光对准仪平齐，成为管道轴向形变指标(二)。当管道压力、温度升高后，若液压系统顶推力不足，则必然发生管道轴向伸长的问题，通过设置的轴向应变片9和激光定位点10，可有效监测管道轴向位移，并反馈至控制系统，用于指挥液压系统提供足够顶推力，保持管道轴向无位移，模拟土壤中的管道虚拟锚固状态。同时，为解决恒温水浴槽不可轴向伸缩的问题，在恒温水浴槽与封堵头4-1间设置了柔性波纹连接。

(4)在管道就位后，在管道外部和内部分别安装应变花11，用于测试管道在模拟运行前、模拟运行中和模拟运行后的基管、内衬应变变化，以进一步用于管道的基管-内衬紧密度分析。在封堵头4-2上设置了多螺纹的电-信转换密封块13，既可解决管道内部应变片的供电和信号传输问题，亦可实现封堵头4-2的密封，并通过预埋线缆14实现外部与内部的供电和通信功能。

由此，通过本系统，实现了基于温压协同作用的机械复合管紧密度辅助测试功能。

本发明的工作方法为：

(1)在测试前，保持推力杆3处于最小运行点，预留空间供管道安装。通过吊机将制成的机械复合管7安装至恒温水浴槽8。向恒温水浴槽8注入水，温度控制为模拟安装温度。

(2)在管道外表面贴上轴向应变片9，并设置激光定位点10，进行安装温度下的管道轴向位移初始状态记录，分别提供应变校准和激光点位校准等2种比对方式。同时，在管道外侧和内侧安装应变花11。

(3)利用液压系统2和推力杆3带动封堵头4-1，轴向推动管道至贴紧封堵头4-2，并利用封堵头4-1提供初始封堵力(低于100N，保证贴紧即可)。通过应变花11记录运行前管道基管、内衬应变值。

(4)启动升温升压程序，利用压力控制通道5向管道内注入升压水，利用恒温水浴槽8提供模拟运行温度。管道在升温和升压后，轴向发生膨胀，通过(2)设置的轴向位移检测系统向液压系统2反馈，并由液压系统2输出推力，通过推力杆3施加于管道轴向，直至轴向位移检测系统停止输出位移补偿信号。通过应变花11记录运行中管道基管、内衬应变值。

(5)在运行结束后，释放管道内压，降低恒温水浴槽8的温度至模拟安装温度，直接释放液压系统，使管道处于无轴向外荷载的状态。通过应变花记录运行后管道基管、内衬应变值。

(6)收集步骤(3)、(4)、(5)的应变花记录结果，以用于管道基管-内衬紧密度进一步的模拟。

Claims (8)

1.一种基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，其特征在于：包括夹持系统、压力控制系统、轴向形变测量系统、温度控制系统和应变检测系统，其中：

所述夹持系统包括分别位于管道两端的第一固定支台和第二固定支台，所述第一固定支台依次与液压系统、推力杆和第一封堵头连接，所述第二固定支台与第二封堵头连接；

所述压力控制系统包括预埋于第一封堵头内的压力控制管道，以及安装在压力控制管道引出管上的压力变送器；

所述轴向形变测量系统包括安装于管道外表面的轴向应变片和设置在管道外侧的激光定位点；

所述温度控制系统包括设置在管道外部的水浴控温槽，所述水浴控温槽与第一封堵头的过渡段为柔性波纹连接；

所述应变检测系统包括安装于管道基管外侧和内衬里侧的应变花，安装在基管外侧的应变花与数据采集系统连接，安装在内衬里侧的应变花通过电-信转换密封块和预埋线缆与数据采集系统连接；

所述电-信转换密封块预先安装于第二封堵头上，为多环带螺纹圆柱体，中心至最外侧分别为带螺纹钢制信号圆柱体、第一带螺纹绝缘圆环、带螺纹钢制供电圆环和第二带螺纹绝缘圆环；所述预埋线缆包括电线和通信线，分别与电-信转换密封块的带螺纹钢制供电圆环和带螺纹钢制信号圆柱体连接；所述预埋线缆设置在第二封堵头的预埋管道中。

2.根据权利要求1所述的基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，其特征在于：所述固定支台为钢制结构；所述液压系统最大荷载不低于限制管道轴向约束所需荷载的5倍，所述推力杆为高强度不锈钢材质，有效行程不小于0.3m，有效轴向承载力不低于管道轴向约束力的3倍；所述推力杆与第一封堵头连接处采用补强措施；所述封堵头为钢制圆盘，厚度不低于0.1m，在封堵头面向管道一侧设置凹槽，并铺垫橡胶，所述凹槽深度不小于0.03m。

3.根据权利要求1所述的基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，其特征在于：所述压力控制管道为不锈钢管道，管径为DN15，在第一封堵头的非管道接触侧引出，用于连接水压供应系统。

4.根据权利要求1所述的基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，其特征在于：所述激光定位点包括管道外贴的对准标牌和激光对准仪，所述对准标牌为带有“十”字型的铁片，其水平高度与激光对准仪平齐。

5.根据权利要求1所述的基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，其特征在于：所述水浴控温槽为恒温水浴槽，呈长方体，顶面为敞口面，设置不锈钢盖板；底部设置连续导向支撑，供管道呈架空在位状态，且保持管道轴向平直度。

6.根据权利要求1所述的基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，其特征在于：所述应变花为多向应变片，至少保证在3点、6点、9点和12点方向进行部署。

7.根据权利要求1所述的基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统，其特征在于：在所述液压系统和水浴控温槽底部设置系统支撑。

8.一种利用权利要求1所述的基于温压协同的机械复合管紧密度辅助测试系统的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在测试前，保持推力杆处于最小运行点，预留空间供机械复合管的安装；通过吊机将机械复合管安装至恒温水浴槽，向恒温水浴槽内注入水，温度控制为模拟安装温度；

步骤二、在机械复合管外表面贴上轴向应变片，并设置激光定位点，进行安装温度下的管道轴向位移初始状态记录，分别提供应变校准和激光点位校准两种比对方式，同时，在机械复合管外侧和内侧安装应变花；

步骤三、利用液压系统和推力杆带动第一封堵头，轴向推动管道至贴紧第二封堵头，并利用第一封堵头提供初始封堵力，通过应变花记录运行前管道基管、内衬应变值；

步骤四、启动升温升压程序，利用压力控制通道向管道内注入升压水，利用恒温水浴槽提供模拟运行温度；管道在升温和升压后，轴向发生膨胀，通过步骤二设置的轴向位移检测系统向液压系统反馈，并由液压系统输出推力，通过推力杆施加于管道轴向，直至轴向位移检测系统停止输出位移补偿信号，通过应变花记录运行中管道基管、内衬应变值；

步骤五、在运行结束后，释放管道内压，降低恒温水浴槽的温度至模拟安装温度，直接释放液压系统，使管道处于无轴向外荷载的状态，通过应变花记录运行后管道基管、内衬应变值。

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