CN113109032A

CN113109032A - 一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法

Info

Publication number: CN113109032A
Application number: CN202110238423.7A
Authority: CN
Inventors: 刘锋; 杨玉超; 董锡同; 冯帅
Original assignee: Shandong University of Science and Technology; Tianyuan Construction Group Co Ltd
Current assignee: Shandong University of Science and Technology; Tianyuan Construction Group Co Ltd
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: CN113109032B

Abstract

本发明公开一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，该实验方法采用充压管道瞬态甩动行为的测量试验装置，该装置包括管道、充压组件、泄压组件以及数据采集组件；该实验方法包括以下步骤：开启水泵向高压罐内供水，进水量达到设定值后停止进水；然后，开启高压气体充压机向高压罐内充压，当管道内部压力达到爆破片的爆破压力时，爆破片发生破裂并泄放流体，管道此刻因受喷射流体的反作用力发生甩动；同时，通过高速摄相机、DIC、压力传感器和电磁流量计等记录相关数据，动态采集仪获取数据同步显示并存储于计算机终端。本发明可实现对三维空间内管道因破裂引起的瞬态甩动行为进行准确、便捷地测定，为力学分析模型建立、管道设计等提供依据。

Description

一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法

技术领域

本发明涉及一种充压管道意外破裂导致甩动行为的实验方法，尤其涉及一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法。

背景技术

管道在内压作用下因意外撞击、爆炸碎片侵袭或腐蚀缺陷导致介质泄漏而产生的强烈甩动行为是关乎单根管道和整体管网安全性的重要工程问题，是力学分析模型建立、管道设计和灾害预测的重要依据。现有技术中，尚无成熟的、专用于管道甩动行为识别和测量的试验装置及方法。实验人员在测试管道甩动行为的试验过程中，通常借用类似悬臂梁端部加载的静力实验方法开展，此类试验通过一个垂直于管道跨度方向的加载装置缓慢施压于管道端部壁面，并在加载过程中记录其弯矩-曲率关系。然而，这种实验方法不可避免的忽略惯性效应，使得结构效应与真实的瞬态甩动响应差别太大，并且无法充分考察管道内介质逃逸导致的管道内压力骤减引发的管道抗弯性能改变和管道端部阶跃力随管道大变形效应所导致的幅值和方向的改变，进而导致管道整体响应行为的预测失真和影响因素考察的错误，无法准确反映该类管道甩动行为的主要特征。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其采用充压管道瞬态甩动行为的测量试验装置，该试验装置包括管道、充压组件、泄压组件以及数据采集组件；

所述管道的一端水平固定于基座上，并向外伸出一段，该端为固定端，且与充压组件连接；所述管道的另一端为甩动端，且与泄压组件连接；

所述充压组件包括高压罐、水泵和高压气体充压机，高压罐的下部出口通过第一高压软管与管道的固定端相连通，在第一高压软管上设置有第一气动高压球阀、减压阀、第二气动高压球阀、第一压力传感器和第一电磁流量计；高压罐的下部进口通过第二高压软管与水泵连接，在第二高压软管上设置有第二电磁流量计；高压罐的上部进口通过第三高压软管与高压气体充压机连接；

所述泄压组件包括高强连接管，高强连接管的一端与管道的甩动端相连通，高强连接管的另一端弯曲90°，并连接爆破片；

所述数据采集组件包括第一高速摄相机、第一非接触式三维应变光学测量系统、第二高速摄相机、第二非接触式三维应变光学测量系统以及动态采集仪和计算机终端；所述第一高速摄相机和第一非接触式三维应变光学测量系统布置在管道的正前方，第二高速摄相机和第二非接触式三维应变光学测量系统布置在管道的正上方；

所述管道分别在朝向第一非接触式三维应变光学测量系统和第二非接触式三维应变光学测量系统的外表面且沿管道轴线方向间隔设置有若干标记点；

所述第一气动高压球阀、第二气动高压球阀、第一压力传感器、第一电磁流量计、第二电磁流量计、第一高速摄相机、第二高速摄相机、第一非接触式三维应变光学测量系统和第二非接触式三维应变光学测量系统分别通过信号线与动态采集仪和计算机终端连接；

所述高强连接管上还连接有第二压力传感器，第二压力传感器通过信号线与动态采集仪连接；

所述高压罐上还配置有第三压力传感器，第三压力传感器通过信号线与动态采集仪和计算机终端连接；

该实验方法具体包括以下步骤：

(1)将管道的一端水平固定于基座上，将充压组件与管道的固定端连接，将泄压组件与管道的甩动端连接；并将充压组件、水泵和高压气体充压机分别与高压罐连接；

(2)在管道的外壁面上部及前侧面处沿管道轴向间隔设置标记点；在管道的正上方安装第一高速摄相机和第一非接触式三维应变光学测量系统，在管道的正前方安装第二高速摄相机和第二非接触式三维应变光学测量系统；

手动调整第一高速摄相机和第二高速摄相机，以使其视场能够覆盖到管道甩动部分从初始状态直至产生最大变形时的区域；

(3)启动数据采集组件的计算机终端，通过计算机终端控制关闭第一气动高压球阀和第二气动高压球阀；

(4)根据实验方案，首先在计算机终端上设定好进水量和高压罐内压力值，且该压力值需高于试验过程中管道内部压力设计值；点击开始后，首先开启水泵向高压罐内供水，进水量达到设定值后停止进水；然后，开启高压气体充压机向高压罐内充压，压力达到设定值后停止充压；

(5)启动动态采集仪、第一高速摄相机、第二高速摄相机、第一非接触式三维应变光学测量系统和第二非接触式三维应变光学测量系统，并开启第一气动高压球阀和第二气动高压球阀向管道内充压，当管道内部压力达到爆破片的爆破压力时，爆破片发生破裂并泄放流体，管道此刻因受喷射流体的反作用力发生甩动，此时第一高速摄相机和第二高速摄相机同步记录管道的甩动变形，第一非接触式三维应变光学测量系统和第二非接触式三维应变光学测量系统记录分析管道位移场和管壁应变场；

同时动态采集仪通过第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器分别监测、记录试验过程中管道进口处、管道出口处和高压罐内部的压力变化，并通过第一电磁流量计和第二电磁流量计分别记录试验过程中管道的出水量和高压罐内进水量，动态采集仪所获取数据同步显示并存储于计算机终端；

(6)至管道甩动停止，停止数据采集；拆卸甩动变形后的管道，检查管道破裂情况，表征管道典型截面变形特征；

(7)打印输出试验数据，试验结束。

优选的，在管道上还布置有若干个应变片。

优选的，在高压罐上还配置有压力控制器，压力控制器通过信号线和计算机终端连接，压力控制器还分别连接高压气体充压机和水泵；通过压力控制器进行高压气体充压机和水泵的自动开启与关闭控制。

优选的，所述高压罐上还配置有安全阀。

优选的，所述爆破片固定于法兰上，法兰密封连接在管道上。

优选的，所述第一压力传感器、第一电磁流量计和第二电磁流量计分别通过信号线与动态采集仪连接，动态采集仪和计算机终端连接；所述第一气动高压球阀、第二气动高压球阀、第一非接触式三维应变光学测量系统、第二非接触式三维应变光学测量系统、第一高速摄相机和第二高速摄相机分别通过信号线与计算机终端连接。

优选的，该实验方法还包括以下步骤：基于试验数据和管道典型截面变形特征评估管道性能指标。

本发明的有益技术效果是：

本发明所涉及装置的充压组件中的高压罐可同时储存水和高压气体，也可只存储气体，以分别模拟输送液体介质或气体介质管道的破裂甩动；泄压组件中的爆破片可设计成不同的爆破压力以适应不同的实验方案；数据采集组件中的高速摄相机和非接触式三维应变光学测量系统(DIC)可用以记录管道甩动过程中三维空间中的变形和应变特征；并可通过装置中的压力传感器和电磁流量计等实时记录相应位置的压力及流量变化等。

本发明可实现对三维空间内管道因破裂引起的瞬态甩动行为进行准确、便捷地测定。基于测量所得压力传感器变化时程、高速摄相机照片和管道关键位置应变场分布等，可准确表征管道甩动过程中内压、流量变化规律以及管道甩动行为特征，为力学分析模型建立、管道设计和灾害预测等提供依据。

附图说明

图1为本发明充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法流程图；

图2为本发明实验方法所涉及试验装置的整体结构示意图；

图3为本发明试验装置的充压组件分解示意图；

图4为本发明试验装置的泄压组件分解示意图；

图5为管道甩动过程的典型压力时程曲线；

图6为低压管道甩动过程的瞬时构型变化；

图7为低压管道甩动过程管端部位移时程曲线；

图8为低压管道甩动过程中沿轴向的曲率分布；

图9为高压管道甩动过程的瞬时构型变化；

图10为高压管道甩动过程管道端部位移时程曲线；

图11为高压管道甩动过程中沿轴向的曲率分布；

图12为基于试验推演的管道甩动问题计算模型；

图13为基于DIC测量位移场进行曲率分布计算的离散管道示意图；

图14为管道截面变形示意图。

图中：1、基座；2、管道；3、水泵；4、高压气体充压机；5、高压罐；6、第一高压软管；7、信号线；8、第一气动高压球阀；9、减压阀；10、第二气动高压球阀；11、第一压力传感器；12、第一电磁流量计；13、第二压力传感器；14、泄压组件；15、第一高速摄相机；16、第二高速摄相机；17、动态采集仪；18、高强螺栓；19、垫片；20、法兰；21、对丝；22、快接母头；23、快接公头；24、卡套母头；25、钢制卡环；26、卡套公头；27、爆破片；28、高强连接管；29、喷斑；30、第三压力传感器；31、计算机终端；32、压力控制器；33、刚性顶板；34、第二电磁流量计；35、侧向DIC；36、顶部DIC；37-第二高压软管；38-第三高压软管。

具体实施方式

结合附图，一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，采用充压管道瞬态甩动行为的测量试验装置，该试验装置包括管道2、充压组件、泄压组件14以及数据采集组件。所述管道2的一端水平固定于基座1上，并向外伸出一段，该端为固定端，且与充压组件连接。所述管道2的另一端为甩动端，且与泄压组件连接。

所述充压组件包括高压罐5、水泵3和高压气体充压机4，高压罐5的下部出口通过第一高压软管6与管道2的固定端相连通，在第一高压软管6上设置有第一气动高压球阀8、减压阀9、第二气动高压球阀10、第一压力传感器11和第一电磁流量计12。高压罐5的下部进口通过第二高压软管37与水泵3连接，在第二高压软管37上设置有第二电磁流量计34，用以监测进水量。高压罐5的上部进口通过第三高压软管38与高压气体充压机4连接。

所述泄压组件包括高强连接管，高强连接管28的一端与管道2的甩动端相连通，高强连接管的另一端向上弯曲90°，并连接爆破片27。

所述数据采集组件包括第一高速摄相机15、侧向DIC 35、第二高速摄相机16、顶部DIC 36、以及动态采集仪17和计算机终端31。所述第一高速摄相机15和顶部DIC 36布置在管道的正上方，第二高速摄相机16和侧向DIC 35布置在管道的正前方。所述管道分别在朝向顶部DIC 36和侧向DIC 35的外表面且沿管道轴线方向间隔设置有若干喷斑29，以喷斑作为标记点，当然也可采用粘贴标记点的方式，以便于后期通过高速摄相机和DIC记录的变形过程进行管道变形、位移特征分析。

所述第一气动高压球阀8、第二气动高压球阀10、第一压力传感器11、第一电磁流量计12、第二电磁流量计34、第一高速摄相机15、第二高速摄相机16、侧向DIC 35和顶部DIC36分别通过信号线7与动态采集仪17和计算机终端31连接。

所述高强连接管上还连接有第二压力传感器13，第二压力传感器通过信号线与动态采集仪连接。

所述高压罐上还配置有第三压力传感器30，第三压力传感器通过信号线与动态采集仪和计算机终端连接。第三压力传感器30用于监测并记录高压罐5内的压力。

该实验方法具体包括以下步骤：

(1)将管道2的一端水平固定于基座1上，将充压组件与管道的固定端连接，将泄压组件14与管道的甩动端连接。并将充压组件、水泵3和高压气体充压机4分别与高压罐5连接。

(2)在管道的外壁面上部及前侧面处沿管道轴向间隔设置标记点29，标记点29可采用喷斑的形式，当然也可采用其他形式标记。在管道2的正上方安装第一高速摄相机15和顶部DIC 36，在管道的正前方安装第二高速摄相机16和侧向DIC 35。

手动调整第一高速摄相机15和第二高速摄相机16，以使其视场能够覆盖到管道甩动部分从初始状态直至产生最大变形时的区域。

(3)启动数据采集组件的计算机终端31，通过计算机终端31控制关闭第一气动高压球阀8和第二气动高压球阀10。

(4)根据实验方案，首先在计算机终端31上设定好进水量和高压罐内压力值，且该压力值需高于试验过程中管道内部压力设计值。点击开始后，首先开启水泵3向高压罐5内供水，进水量达到设定值后停止进水；然后，开启高压气体充压机4向高压罐内充压，压力达到设定值后停止充压。

(5)启动动态采集仪17、第一高速摄相机15、第二高速摄相机16、侧向DIC 35和顶部DIC 36，并开启第一气动高压球阀8和第二气动高压球阀10向管道2内充压。当管道2内部压力达到爆破片的爆破压力时，爆破片发生破裂并泄放流体，管道此刻因受喷射流体的反作用力发生甩动，此时第一高速摄相机15和第二高速摄相机16同步记录管道的甩动变形，侧向DIC 35和顶部DIC 36记录分析管道位移场和管壁应变场。

同时动态采集仪17通过第一压力传感器11、第二压力传感器13和第三压力传感器30分别监测、记录试验过程中管道进口处、管道出口处和高压罐内部的压力变化，并通过第一电磁流量计12和第二电磁流量计34分别记录试验过程中管道的出水量和高压罐内进水量，动态采集仪17所获取数据同步显示并存储于计算机终端31。

(6)至管道2甩动停止，停止数据采集。拆卸甩动变形后的管道，检查管道破裂情况，表征管道典型截面变形特征。

(7)打印输出试验数据，试验结束。

作为对本发明的进一步设计，在管道2上还布置有若干个应变片，具体地应变片可粘贴在管道关键部位，如管道根部处等。

进一步的，所述高压罐5上还配置有压力控制器32和安全阀。压力控制器32通过信号线和计算机终端连接，压力控制器32还分别连接高压气体充压机4和水泵3。高压罐5可同时储存水和高压气体，也可只存储气体，以分别模拟输送液体介质或气体介质管道的破裂甩动。

所述压力控制器32通过控制所述高压气体充压机4和水泵3的启动/关闭来控制和调节高压罐5内的进水量及压力。试验时，首先在计算机终端31上设定好进水量和罐内压力值，且该压力值需高于试验过程中管道内部压力设计值，点击开始后，首先自动开启水泵3向罐内供水，进水量达到设定值后自动停止进水；然后自动开启高压气体充压机4向罐内充压，压力达到设定值后自动停止充压；试验过程中，依靠高压罐内的气体压力将水压向管道，由于气体的可压缩性较强，所以试验过程中高压罐内的压力下降幅度较小。

所述安全阀用于压力控制器32失灵时向外泄放气体压力，以防止高压罐内部压力过大导致罐体开裂。

更进一步的，所述爆破片27固定于法兰20上。法兰20包括第一法兰盘和第二法兰盘，第一法兰盘连接在管道上，第一法兰盘通过螺栓与第二法兰盘连接，爆破片27夹持于第一法兰盘和第二法兰盘之间，且在第一法兰盘和爆破片之间，以及第二法兰盘和爆破片之间均设置有垫片19。

上述步骤中，可进一步基于试验采集数据和管道典型截面变形特征评估管道性能指标。

更为具体地，上述第一压力传感器11、第一电磁流量计12和第二电磁流量计34分别通过信号线与动态采集仪17连接，用以采集实时动态数据，动态采集仪17和计算机终端31连接。所述第一气动高压球阀8、第二气动高压球阀10、侧向DIC 35、顶部DIC 36、第一高速摄相机15和第二高速摄相机16分别通过信号线与计算机终端31直接连接。

上述高压罐5、第一气动高压球阀8、减压阀9、第二气动高压球阀10、第一压力传感器11、第一电磁流量计12和第一密封组件通过第一高压软管6及法兰依次相连，法兰之间通过高强螺栓18连接并利用法兰垫片以加强密封，第一密封组件与管道2的固定端直接连接。管道2的甩动端通过第二密封组件连接高强连接管28。所述第一密封组件包括对丝21、快接母头22和快接公头23，第二密封组件包括卡套母头24、钢制卡环25和卡套公头26。

所述钢制卡环25内径不变且与管道2外径一致，卡环外部从头部向底部带有一定坡度外径逐渐变大呈外锥面，底部向外突出后又缩回至初始外径，其头部边缘恰好可进入卡套公头内部，其整体底部可恰好放入卡套母头内部。当密封钢制卡环底部放入卡套母头内部时，起主要密封作用的密封卡环，在起压紧作用的卡套公头26、卡套母头24旋转力的轴向作用下，沿卡套公头的内锥孔轴向移动，同时密封卡环头部在卡套公头径向反力的作用下产生径向收缩而贴紧管道表面，从而对管道外壁形成径向挤压力实现对管道的密封。所述卡套公头内部中空、连通，外部一部分为六棱柱，六棱柱用于使用过程中扳手拧紧，六棱柱的内中空部分为带内螺纹圆孔；另一部分外壁加工外螺纹和卡套母头内螺纹配合、连接，内中空部分为从外向内内径逐渐变小的内锥孔并和密封卡环外锥面配合，部分卡环外锥面恰好进入。所述卡套母头一部分为中空六棱柱，六棱柱用于使用过程中扳手拧紧，内中空部分为内螺纹圆孔和卡套公头外螺纹配合、连接，中空部分用于卡环沿底部放入和管道穿过，卡套母头另一部分为中间留有圆孔的圆形挡板，管道恰好穿过圆孔进入卡套母头内部。

上述高强连接管28由高强钢材制成，在管道甩动过程中可认为不发生变形。其共有3个连接口，其中2个为外螺纹连接口，分别与第二密封组件的卡套公头26及第二压力传感器13连接，另一连接口在端部向上弯曲90°后与一法兰连接。

所述爆破片27通过法兰、法兰垫片和螺栓与高强连接管28的弯曲端接口连接。当管道内部压力达到爆破片27的爆破压力时，爆破片27发生破裂并泄放流体，管道此刻因受喷射流体的反作用力发生甩动。所述爆破片可设计成不同的爆破压力以适应不同的实验方案。

上述压力传感器共设置3个，分别为第一压力传感器11、第二压力传感器13和第三压力传感器30，以分别监测、记录试验过程中管道进口处、管道出口处和高压罐内部的压力。

上述第一电磁流量计12和第二电磁流量计34分别安装于管道的固定端，以及高压罐与水泵之间，分别用以记录试验过程中管道的出水量和高压罐内进水量。

上述第一气动高压球阀8和第二气动高压球阀10可通过加装电磁阀等电器元件，利用信号线与计算机终端连接，通过计算机终端远程控制其开启/关闭。上述减压阀9位于第一气动高压球阀8和第二气动高压球阀10之间，用于向管道输出恒定的介质压力。

上述第一高速摄相机15和第二高速摄相机16分别位于管道2的正上方和正前方，以记录管道甩动过程中三维空间中的变形特征。第一高速摄相机15固定在刚性顶板33上。所述高速摄相机和DIC的视场应能够覆盖到管道甩动部分从初始状态直至产生最大变形时的区域，可避免试验过程中进行视场的“追踪”调节，在试验开始之前即可“一步到位”，完成调节校准工作，带来使用上的简便。

上述基座1包括固定座和压块，在压块的底部中心和固定座的顶部中心均设置有截面呈半圆形的条形凹槽，压块与固定座通过螺栓固定连接，当压块与固定座连接后，两条形凹槽拼接形成用于管道穿过的管道孔。所述固定座通过螺栓固定在刚性地板上。

下面对本发明实验方法所涉及的原理方面内容进行简单阐述：

初步研究表明，管道甩动行为受管道尺寸(管道长度L、管道内径R、管壁厚度t)、管内压力水平(μ_p)等因素影响，可归纳为式(1)所示函数，

管道甩动行为＝f(L,R,t,μ_p) (1)

内压水平可由无量纲量μ_p表征，如式(2)所示函数，

μ_p＝pR/(σ_yt) (2)

其数值由管道实际内压p、管道材料屈服强度σ_y、管道内径R和管壁厚度t确定。

基于非接触式三维应变光学测量系统(DIC)技术，可得到管道变形场，应用式(3)可根据位移场得到沿管道跨度方向管道的曲率分布，

式中，ds为管道相邻两点间(即i和i+1点)原始长度，u_i，w_i分别为i点横向和竖向位移。

为表征管道试件关键截面的变形特征，如图14所示，试验结束后量测典型尺寸W_f，D_m，T_r，并与不同工况下此类数据进行对比，在此基础上，考察变形与管道内压水平的关联性。

根据反复静力试验，可测得逃逸介质压力与近似端部集中力的比例系数δ，其可方便的应用于此类问题的数值计算中，如下式(4)，

F(t)＝δ·p_I(t)·A (4)

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其特征在于，采用充压管道瞬态甩动行为的测量试验装置，该试验装置包括管道、充压组件、泄压组件以及数据采集组件；

该实验方法具体包括以下步骤：

(7)打印输出试验数据，试验结束。

2.根据权利要求1所述的一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其特征在于：在管道上还布置有若干个应变片。

3.根据权利要求1所述的一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其特征在于：在高压罐上还配置有压力控制器，压力控制器通过信号线和计算机终端连接，压力控制器还分别连接高压气体充压机和水泵；通过压力控制器进行高压气体充压机和水泵的自动开启与关闭控制。

4.根据权利要求1所述的一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其特征在于：所述高压罐上还配置有安全阀。

5.根据权利要求1所述的一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其特征在于：所述爆破片固定于法兰上，法兰密封连接在管道上。

6.根据权利要求1所述的一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其特征在于：所述第一压力传感器、第一电磁流量计和第二电磁流量计分别通过信号线与动态采集仪连接，动态采集仪和计算机终端连接；所述第一气动高压球阀、第二气动高压球阀、第一非接触式三维应变光学测量系统、第二非接触式三维应变光学测量系统、第一高速摄相机和第二高速摄相机分别通过信号线与计算机终端连接。

7.根据权利要求1所述的一种充压管道瞬态甩动行为的测量实验方法，其特征在于，还包括以下步骤：基于试验数据和管道典型截面变形特征评估管道性能指标。