CN111426547B - 柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置及其使用方法，包括纵向作动器，其输出端朝上并经转换件一固装U型架；U型架两支臂上均安装滚动夹具，贯穿滚动夹具安装管件；管件两端部均套装接头，接头端部均延伸法兰端；两个法兰端均固装转换件二，转换件二转动连接支座；一端支座的端部固装于支撑面一，另一端支座的端部经方杆安装横向作动器，横向作动器向管件提供轴向的力；管件两端头经转换件二与支座铰接连接，又因方杆受限位座限制从而限制了管件的扭转变形，从而在横向作动器和纵向作动器的共同作用下，同时实现对管件本身拉力和稳定曲率的耦合加载，使得管件在不产生损坏或影响测试的同时发生自由弯曲，进而中部产生稳定的曲率。

Description

柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及管道试验技术领域，尤其是一种柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置及其使用方法。

背景技术

海洋柔性管道是连接水面浮体和水下井口之间、输送油气资源的重要“生命线”装备，是海洋工程领域具有代表性的柔性体装备，也是当前海工装备研究开发的热点之一。在柔性管道正常服役工况中，由于水深的影响及水上浮体的波浪运动，使得靠近浮体的柔性管道段同时受到较大的轴向拉伸力和弯曲载荷耦合作用，从而容易使得管道该区域率先发生强度或疲劳失效破坏。为此，工程界与学术界更多的采用原型试验方法，研究柔性管道在拉弯耦合加载作用下的力学特性，为其安全性设计和验证提供重要技术支撑。

现有技术中，国内外在柔性管道拉弯耦合加载试验技术方面主要有以下几类特点：

一是采用大型专用的试验框架模拟管道实际工况加载，弯曲通过框架端部摆头的摆动实现加载，但是该装置不能实现稳定曲率的加载，无法有效开展拉弯组合性能研究；

二是在轴向拉力情况下，通过在管道试件中间提供一个横向集中力实现管道弯曲，缺点与第一类相似，亦不能够产生管道上的稳定曲率，同时加载装置与内部结构响应测量传感器发生严重干涉、对管道外部聚合物护套层损害严重；

三是在轴向拉力情况下，通过接触特定曲率圆弧板实现稳定曲率加载，但缺点是加载装置与管道测量区域严重干涉、对管道外部聚合物护套层产生磨损伤害，同时圆弧板不能随意改变曲率。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置及其使用方法，从而在保证管件本身完好的同时实现拉力和稳定曲率的耦合加载，并且加载装置不影响管件上传感器的布置，大大促进了管件试验，保障了试验效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，包括纵向作动器，纵向作动器输出端朝上且该端部经转换件一固装有U型架；所述U型架朝上的两个支臂上均安装有滚动夹具，同时贯穿滚动夹具安装有管件，位于滚动夹具外部的管件两端部均套装有接头，接头端部均延伸有法兰端；两个法兰端均固装有转换件二，转换件二转动连接有支座；一端支座的端部固装于支撑面一，另一端支座的端部经方杆安装有横向作动器，所述横向作动器向管件提供轴向的力。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述方杆嵌装于限位座内，方杆的轴线与管件的轴线位于同一直线上。

所述限位座的结构为：包括支撑座，支撑座上安装有截面为U型结构的限位件；所述方杆配装于限位件内，方杆的截面尺寸与限位件的内尺寸匹配，限位件的长度短于方杆的长度。

所述滚动夹具的结构为：包括上下间隔设置的上夹头和下夹头，上夹头两端和下夹头两端分别共同安装有螺杆，位于两端螺杆之间的上夹头和下夹头的相对面上均安装有滚轮，所述滚轮均与管件的外圆周面贴合；所述下夹头与U型架顶端固装。

所述上夹头和下夹头的相对面设置成相对的V型结构，该V型结构的两个倾斜面与管件外圆周面的贴合处均转动安装有滚轮。

所述横向作动器安装于相同的支撑面一上，所述纵向作动器安装于支撑面二上。

所述支撑面一为静态的三脚架或是剪力墙，所述支撑面二为地面。

所述转换件一底端为法兰盘，该法兰盘与纵向作动器的输出端螺接，转换件一顶端为平板结构，该平板结构与U型架底面焊装；

所述转换件二一端为与法兰端螺接的法兰盘，转换件二另一端为双耳结构的U型件；所述支座亦为双耳结构，所述转换件二端部的U型件位于支座双耳的内侧，U型件与支座之间通过水平方向的销轴转动连接。

所述U型架的结构为：包括横梁，横梁两端均固装有纵梁；所述横梁由前后并列且等长的两根工字梁构成，纵梁为单根工字梁，所述横梁的端头与纵梁的腹板焊装。

一种所述的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：在管件两端部接头的法兰端分别通过紧固件安装转换件二；

第二步：管件由外部吊装机构吊起并水平放置于两个滚动夹具的下夹头上，此时管件两端部转换件二的双耳结构分别与支座的双耳结构对齐；

第三步：通过销轴将转换件二与支座铰接；

第四步：调整纵向作动器，使得U型架两端部的下夹头内侧面的滚轮均与管件外圆周面接触；将上夹头放置于管件外圆周面的上部，将上夹头与对应的下夹头通过螺杆连接，并拧紧螺杆，使得管件同时贴紧于上夹头和下夹头内侧面的滚轮，即滚动夹具将管件夹紧；

第五步：横向作动器工作，经方杆、支座、转换件二、接头后向管件施加轴向的拉伸力；纵向作动器工作，经转换件一、U型架、滚动夹具后对称作用于管件上；

第六步：因管件两端头经转换件二与支座铰接连接，使得管件相对于销轴转动；因方杆受限位座限制从而限制了管件的扭转变形；从而在横向作动器和纵向作动器的共同作用下，管件发生自由弯曲，进而在管件中部产生稳定的曲率。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过管件两端头经转换件二与支座铰接连接，又因方杆受限位座限制从而限制了管件的扭转变形，从而在横向作动器和纵向作动器的共同作用下，使得管件发生自由弯曲，中部产生稳定的曲率，进而有效实现管件上拉力和稳定曲率的耦合加载；并且该试验装置并不影响管件上传感器的布置，在保证试验时管件完好性的同时大大提升并保障了管件拉弯试验的效果，有效助力于管件设计。

本发明还包括如下优点：

管件两端头经转换件二与支座铰接连接，管件中部由两组滚动夹具夹持，形成对管件的四点双对称加载形态，助力于管件上轴向拉力和稳定弯曲曲率的耦合加载；

滚动夹具经滚轮从周向施力于管件，滚轮与管件外圆周面贴合，形成对管件的滚动夹持，释放了管件的轴向约束，有效防止了弯曲加载过程中对管件表面的损坏，并且上夹头、下夹头相对面V型结构的设计，适用于不同外径尺寸管件的使用；

方杆配合嵌装于限位座的限位件内，方杆与限位件之间的间隙很小，当方杆随管件发生轴向扭转变形时，限位件的存在有效限制了方杆的变形，达到抗扭；限位件长度短于方杆长度，在管件弯曲造成端部伸缩变化时，限位件的存在不会限制方杆的轴向滑变形；

U型架的存在，不仅助力于稳定弯曲曲率的加载，亦为在管件中部开展测量提供了足够的操作空间，利于试验时相应传感器的布置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明限位座与方杆的安装示意图。

图3为本发明滚动夹具的结构示意图。

图4为本发明滚动夹具的结构示意图(另一视角)。

其中：1、管件；2、转换件二；3、支座；4、销轴；5、方杆；6、横向作动器；7、限位座；8、纵向作动器；9、U型架；10、滚动夹具；11、接头；12、法兰端；20、支撑面二；21、支撑面一；71、支撑座；72、限位件；81、转换件一；101、下夹头；102、上夹头；103、螺杆；104、滚轮。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，包括纵向作动器8，纵向作动器8输出端朝上且该端部经转换件一81固装有U型架9；U型架9朝上的两个支臂上均安装有滚动夹具10，同时贯穿滚动夹具10安装有管件1，位于滚动夹具10外部的管件1两端部均套装有接头11，接头11的存在助力于管件1轴向拉力的加载且不损坏管件1；接头11端部均延伸有法兰端12；两个法兰端12均固装有转换件二2，转换件二2转动连接有支座3；一端支座3的端部固装于支撑面一21，另一端支座3的端部经方杆5安装有横向作动器6，横向作动器6向管件1提供轴向的力；管件1两端头经转换件二2与支座3铰接连接，管件1中部由两组滚动夹具10夹持，形成对管件1的四点双对称加载形态，助力于管件1上轴向拉力和稳定弯曲曲率的耦合加载。

方杆5嵌装于限位座7内，方杆5的轴线与管件1的轴线位于同一直线上。

如图2所示，限位座7的结构为：包括支撑座71，支撑座71上安装有截面为U型结构的限位件72；方杆5配装于限位件72内，方杆5的截面尺寸与限位件72的内尺寸匹配，限位件72的长度短于方杆5的长度；方杆5配合嵌装于限位座7的限位件72内，方杆5与限位件72之间的间隙很小，当方杆5随管件1发生轴向扭转变形时，限位件72的存在有效限制了方杆5的变形，达到抗扭；限位件72长度短于方杆5长度，在管件1弯曲造成端部伸缩变化时，限位件72的存在不会限制方杆5的轴向滑变形。

如图3和图4所示，滚动夹具10的结构为：包括上下间隔设置的上夹头102和下夹头101，上夹头102两端和下夹头101两端分别共同安装有螺杆103，位于两端螺杆103之间的上夹头102和下夹头101的相对面上均安装有滚轮104，滚轮104均与管件1的外圆周面贴合；下夹头101与U型架9顶端固装。

上夹头102和下夹头101的相对面设置成相对的V型结构，该V型结构的两个倾斜面与管件1外圆周面的贴合处均转动安装有滚轮104；滚动夹具10经滚轮104从周向施力于管件1，滚轮104与管件1外圆周面贴合，形成对管件1的滚动夹持，释放了管件1的轴向约束，有效防止了弯曲加载过程中对管件1表面的损坏，并且上夹头102、下夹头101相对面V型结构的设计，适用于不同外径尺寸管件1的使用。

横向作动器6安装于相同的支撑面一21上，纵向作动器8安装于支撑面二20上。

支撑面一21为静态的三脚架或是剪力墙，支撑面二20为地面。

转换件一81底端为法兰盘，该法兰盘与纵向作动器8的输出端螺接，转换件一81顶端为平板结构，该平板结构与U型架9底面焊装；

转换件二2一端为与法兰端12螺接的法兰盘，转换件二2另一端为双耳结构的U型件；支座3亦为双耳结构，转换件二2端部的U型件位于支座3双耳的内侧，U型件与支座3之间通过水平方向的销轴4转动连接。

U型架9的结构为：包括横梁，横梁两端均固装有纵梁；横梁由前后并列且等长的两根工字梁构成，纵梁为单根工字梁，横梁的端头与纵梁的腹板焊装；U型架9的存在，不仅助力于稳定弯曲曲率的加载，亦为在管件1中部开展测量提供了足够的操作空间，利于试验时相应传感器的布置。

本实施例的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：在管件1两端部接头11的法兰端12分别通过紧固件安装转换件二2；

第二步：管件1由外部吊装机构吊起并水平放置于两个滚动夹具10的下夹头101上，此时管件1两端部转换件二2的双耳结构分别与支座3的双耳结构对齐；

第三步：通过销轴4将转换件二2与支座3铰接；

第四步：调整纵向作动器8，使得U型架9两端部的下夹头101内侧面的滚轮104均与管件1外圆周面接触；将上夹头102放置于管件1外圆周面的上部，将上夹头102与对应的下夹头101通过螺杆103连接，并拧紧螺杆103，使得管件1同时贴紧于上夹头102和下夹头101内侧面的滚轮104，即滚动夹具10将管件1夹紧；

第五步：横向作动器6工作，经方杆5、支座3、转换件二2、接头11后向管件1施加轴向的拉伸力；纵向作动器8工作，经转换件一81、U型架9、滚动夹具10后对称作用于管件1上；

第六步：因管件1两端头经转换件二2与支座3铰接连接，使得管件1相对于销轴4转动；因方杆5受限位座7限制从而限制了管件1的扭转变形；从而在横向作动器6和纵向作动器8的共同作用下，管件1发生自由弯曲，进而在管件1中部产生稳定的曲率。

本发明在保证试验时管件完好性的同时，有效实现管件上拉力和稳定曲率的耦合加载，提升并保障了管件拉弯试验的效果，有效助力于管件设计。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，其特征在于：包括纵向作动器（8），纵向作动器（8）输出端朝上且该端部经转换件一（81）固装有U型架（9）；所述U型架（9）朝上的两个支臂上均安装有滚动夹具（10），同时贯穿滚动夹具（10）安装有管件（1），位于滚动夹具（10）外部的管件（1）两端部均套装有接头（11），接头（11）端部均延伸有法兰端（12）；两个法兰端（12）均固装有转换件二（2），转换件二（2）转动连接有支座（3）；一端支座（3）的端部固装于支撑面一（21），另一端支座（3）的端部经方杆（5）安装有横向作动器（6），所述横向作动器（6）向管件（1）提供轴向的力；

所述滚动夹具（10）的结构为：包括上下间隔设置的上夹头（102）和下夹头（101），上夹头（102）两端和下夹头（101）两端分别共同安装有螺杆（103），位于两端螺杆（103）之间的上夹头（102）和下夹头（101）的相对面上均安装有滚轮（104），所述滚轮（104）均与管件（1）的外圆周面贴合；所述下夹头（101）与U型架（9）顶端固装；

所述上夹头（102）和下夹头（101）的相对面设置成相对的V型结构，该V型结构的两个倾斜面与管件（1）外圆周面的贴合处均转动安装有滚轮（104）；

所述U型架（9）的结构为：包括横梁，横梁两端均固装有纵梁；所述横梁由前后并列且等长的两根工字梁构成，纵梁为单根工字梁，所述横梁的端头与纵梁的腹板焊装。

2.如权利要求1所述的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，其特征在于：所述方杆（5）嵌装于限位座（7）内，方杆（5）的轴线与管件（1）的轴线位于同一直线上。

3.如权利要求2所述的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，其特征在于：所述限位座（7）的结构为：包括支撑座（71），支撑座（71）上安装有截面为U型结构的限位件（72）；所述方杆（5）配装于限位件（72）内，方杆（5）的截面尺寸与限位件（72）的内尺寸匹配，限位件（72）的长度短于方杆（5）的长度。

4.如权利要求1所述的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，其特征在于：所述横向作动器（6）安装于相同的支撑面一（21）上，所述纵向作动器（8）安装于支撑面二（20）上。

5.如权利要求4所述的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，其特征在于：所述支撑面一（21）为静态的三脚架或是剪力墙，所述支撑面二（20）为地面。

6.如权利要求1所述的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置，其特征在于：所述转换件一（81）底端为法兰盘，该法兰盘与纵向作动器（8）的输出端螺接，转换件一（81）顶端为平板结构，该平板结构与U型架（9）底面焊装；

所述转换件二（2）一端为与法兰端（12）螺接的法兰盘，转换件二（2）另一端为双耳结构的U型件；所述支座（3）亦为双耳结构，所述转换件二（2）端部的U型件位于支座（3）双耳的内侧，U型件与支座（3）之间通过水平方向的销轴（4）转动连接。

7.一种权利要求1所述的柔性管道拉弯耦合无损加载试验装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：在管件（1）两端部接头（11）的法兰端（12）分别通过紧固件安装转换件二（2）；

第二步：管件（1）由外部吊装机构吊起并水平放置于两个滚动夹具（10）的下夹头（101）上，此时管件（1）两端部转换件二（2）的双耳结构分别与支座（3）的双耳结构对齐；

第三步：通过销轴（4）将转换件二（2）与支座（3）铰接；

第四步：调整纵向作动器（8），使得U型架（9）两端部的下夹头（101）内侧面的滚轮（104）均与管件（1）外圆周面接触；将上夹头（102）放置于管件（1）外圆周面的上部，将上夹头（102）与对应的下夹头（101）通过螺杆（103）连接，并拧紧螺杆（103），使得管件（1）同时贴紧于上夹头（102）和下夹头（101）内侧面的滚轮（104），即滚动夹具（10）将管件（1）夹紧；

第五步：横向作动器（6）工作，经方杆（5）、支座（3）、转换件二（2）、接头（11）后向管件（1）施加轴向的拉伸力；纵向作动器（8）工作，经转换件一（81）、U型架（9）、滚动夹具（10）后对称作用于管件（1）上；

第六步：因管件（1）两端头经转换件二（2）与支座（3）铰接连接，使得管件（1）相对于销轴（4）转动；因方杆（5）受限位座（7）限制从而限制了管件（1）的扭转变形；从而在横向作动器（6）和纵向作动器（8）的共同作用下，管件（1）发生自由弯曲，进而在管件（1）中部产生稳定的曲率。

Images