CN113218787B - 一种海底管道落锤冲击试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底管道落锤冲击试验系统及试验方法，包括支撑门架、砝码滑道门架、滑道倾角调节齿条、砝码加载架和海底管道节段模型；所述滑道倾角调节齿条连接支撑门架和砝码滑道门架，且能够调节砝码滑道门架与支撑门架之间的相对角度；所述砝码加载架上装载若干砝码，且下方设有落锤，所述砝码加载架安装于砝码滑道门架上，且能够沿砝码滑道门架下落，使落锤撞击海底管道节段模型。本发明能够实现不同冲击强度、不同冲击速度下的倾角冲击试验和偏心冲击试验，有效辅助了海底管道冲击损伤的试验研究。

Description

一种海底管道落锤冲击试验系统及试验方法

技术领域

本发明属于海洋管道工程技术领域，具体涉及一种海底管道落锤冲击试验系统及试验方法。

背景技术

在长期的服役期限内，海底管道不可避免的遭受各类极端横向冲击的威胁，如船锚坠击、海底落石等引起的极端冲击荷载，进而造成海底管道泄漏、燃烧甚至爆炸的工程事故。因此，研究海底管道在冲击荷载作用下的结构损伤变形规律，对海底管道防护设计与损伤评估，具有重要的应用价值和工程意义。海底管道落锤冲击试验是为海底管道冲击损伤分析提供数据和分析的重要手段，但传统落锤冲击试验机存在准静态加载、小尺寸试样、撞击位置固定等问题，使得海底管道冲击试验研究存在一定的局限性。

针对海底管道落物冲击试验系统，现有发明专利申请：海底管道模拟撞击试验系统（申请号为201610008818.7，公布号为CN 105588698 A），所公开的海底管道模拟撞击试验系统由门形支撑架、移动座和提升绞车等组成，所述移动座可沿着门形支撑架的滑动轨道下落，该方案可实现海底管道中轴位置的横向冲击加载。另有发明专利：一种海底管道落物撞击模拟试验系统（申请号为201810338825.2，公布号为CN 108489699 A），包括移动式撞击试验塔、试验管道支撑基础、落物组等，所述移动式撞击试验塔可沿试验塔导轨移动，所述落物组可在试验塔上由吊缆控制下落，该方案可实现海底管道偏心位置的横向冲击加载。

上述现有技术通过支撑架或钢架塔的形式控制落锤的下落冲击，实现单纯竖向上中心轴位置和偏心位置的海底管道落锤冲击模拟试验。但实际上海底管道遭受坠物撞击不仅仅是单纯竖向撞击，还包括一定倾斜角度的管道倾角撞击，以及在倾角条件下的管道偏心撞击；落锤冲击的严格姿态控制成为加载操作的关键；海底管道支撑与固定形式单一，与移动装置和土槽的配合不便；同时落锤冲击接触的形状类型也应涉及多种。现有技术中不能同时解决上述海底管道落锤冲击试验系统的需求，仅能实现简单加载形式的海底管道落锤冲击试验，试验系统存在一定的局限性，不能充分研究复杂情况下的海底管道冲击损伤规律。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种海底管道落锤冲击试验系统及试验方法，能够实现不同冲击强度、不同冲击速度下的倾角冲击试验和偏心冲击试验，有效辅助了海底管道冲击损伤的试验研究。

本发明提供了如下的技术方案：

一种海底管道落锤冲击试验系统，包括支撑门架、砝码滑道门架、滑道倾角调节齿条、砝码加载架和海底管道节段模型；

所述滑道倾角调节齿条连接支撑门架和砝码滑道门架，且能够调节砝码滑道门架与支撑门架之间的相对角度；

所述砝码加载架上装载若干砝码，且下方设有落锤，所述砝码加载架安装于砝码滑道门架上，且能够沿砝码滑道门架下落，使落锤撞击海底管道节段模型。

进一步的，所述支撑门架包括两根平行设置的纵梁以及连接两根纵梁的横梁；

所述砝码滑道门架包括两根平行设置的凸形滑道以及连接两根凸形滑道的连接横梁；

所述纵梁和凸形滑道之间设有连接轴承，所述连接轴承包括焊接于凸形滑道的第一轴承基座、焊接于纵梁的第二轴承基座以及设于第一轴承基座和第二轴承基座间隙内的轴承，所述第一轴承基座、轴承和第二轴承基座共轴线，使所述砝码滑道门架能够相对支撑门架发生转动。

进一步的，所述滑道倾角调节齿条包括弧形齿条、棘爪和转轴，所述转轴固定于横梁上，所述棘爪与转轴相连且能够以转轴为中心转动，所述弧形齿条有两条，分别焊接在连接横梁的两端，所述弧形齿条整体呈弧线形，其弧线圆心与连接轴承的旋转中心相同，所述弧形齿条的上表面带有多个能与棘爪相卡的齿缝。

进一步的，所述砝码滑道门架上设有控制砝码加载架提升和下落的缆绳滑轮组，所述缆绳滑轮组包括缆绳、第一滑轮、第二滑轮和锚端扣，所述第一滑轮设于横梁中部，所述第二滑轮设于横梁端部，所述锚端扣设于砝码加载架顶部，所述缆绳系于锚端扣后依次绕过第一滑轮和第二滑轮。

进一步的，所述砝码加载架包括上顶板、下底板和导向轮，所述上顶板和下底板通过插销连接成框且通过螺母固定，所述上顶板和下底板的两端均设有导向轮轴，所述导向轮轴的两端分别安装一个导向轮；

所述凸形滑道在滑道段截面为凸形，在终止端截面为矩形，所述导向轮能够沿凸形滑道移动。

进一步的，所述落锤包括锤头、连接块以及用于固定锤头和连接块的连接螺栓，所述锤头的横截面形状为矩形、圆弧形或锥形中的一种。

进一步的，所述海底管道节段模型包括钢管，所述钢管的两端设置法兰盘，所述法兰盘通过法兰螺栓进行对接安装。

进一步的，还包括平台底座、管道滑动基座和管道固定卡箍；

所述支撑门架固定于平台底座上，所述平台底座上还设有两条导轨；

所述管道滑动基座包括两个轨道轮基座，所述轨道轮基座的两端通过轨道轮轴安装有轨道轮，所述轨道轮能够在导轨内移动，两个所述轨道轮基座之间还设有土槽；

所述管道固定卡箍包括卡箍和卡箍螺栓，所述卡箍通过卡箍螺栓与轨道轮基座对接安装；

所述卡箍、轨道轮基座和土槽均设有与海底管道节段模型相契合的凹口。

进一步的，所述导轨上设有对轨道轮限位的楔块，所述楔块上部为直角梯形体，下部与导轨相契合。

一种海底管道落锤冲击试验系统的试验方法，包括以下步骤：

在砝码加载架上加载砝码；

转动砝码滑道门架至所需角度，并通过滑道倾角调节齿条固定砝码滑道门架和支撑门架的位置；

移动海底管道节段模型的位置，使海底管道节段模型的轴线与砝码加载架下方落锤的下落轴线相交，使砝码加载架沿砝码滑道门架下落，落锤撞击海底管道节段模型，完成倾角冲击试验；

移动海底管道节段模型的位置，使海底管道节段模型的轴线与砝码加载架下方落锤的下落轴线相对错位，使砝码加载架沿砝码滑道门架下落，落锤撞击海底管道节段模型，完成偏心冲击试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明通过调节砝码加载架的质量以及落锤与海底管道节段模型间的距离能够实现不同冲击强度和不同冲击速度的冲击模拟试验；

（2）本发明中滑道倾角调节齿条连接支撑门架和砝码滑道门架，且能够调节砝码滑道门架与支撑门架之间的相对角度，从而带动砝码加载架的位置移动，完成落锤的倾角冲击加载，实现不同冲击姿态角的冲击模拟试验；

（3）本发明通过移动海底管道节段模型的位置，完成落锤相对于海底管道节段模型中轴的偏心冲击加载，实现不同撞击位置的冲击模拟试验；

（4）本发明操作简单便捷，仅需人工机械操作，无需电力驱动，控制和调节性能良好，有效辅助了海底管道冲击损伤的试验研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是连接轴承的爆炸结构示意图；

图3是滑道倾角调节齿条的组装结构示意图；

图4是弧形齿条的结构示意图；

图5是缆绳滑轮组的组装结构示意图；

图6是第一滑轮的结构示意图；

图7是第二滑轮的结构示意图；

图8是砝码加载架的爆炸结构示意图；

图9是凸形滑道的结构示意图；

图10是落锤的爆炸结构示意图；

图11是锤头的结构示意图；

图12是海底管道节段模型的结构示意图；

图13是平台底座的结构示意图；

图14是管道滑动基座的爆炸结构示意图；

图15是土槽、轨道轮基座和钢管的组装原理示意图；

图16是管道固定卡箍的爆炸结构示意图；

图17是楔块的结构示意图；

图中标记为：1：支撑门架；1001：横梁；1002：纵梁；2：砝码滑道门架；21：凸形滑道；22：连接横梁；3：滑道倾角调节齿条；31：弧形齿条；32：棘爪；33：转轴；4：缆绳滑轮组；41：缆绳；42：第一滑轮；43：第二滑轮；44：滑轮轴；45：滑轮支架；46：锚端扣；5：砝码加载架；51：上顶板；52：下底板；53：导向轮；54：导向轮轴；55：插销；56：螺母；6：砝码；7：落锤；71：锤头；72：连接块；73：连接螺栓；8：连接轴承；81：轴承；82：第一轴承基座；83：第二轴承基座；9：海底管道节段模型；91：钢管；92：法兰盘；93：法兰螺栓；10：管道固定卡箍：101：卡箍；102：卡箍螺栓；11：管道滑动基座；111：轨道轮；113：轨道轮轴；114：轨道轮基座；12：土槽；13：楔块；14：平台底座；141：导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种海底管道落锤冲击试验系统，包括支撑门架1、砝码滑道门架2、滑道倾角调节齿条3、砝码加载架5和海底管道节段模型9；滑道倾角调节齿条3连接支撑门架1和砝码滑道门架2，且能够调节砝码滑道门架2与支撑门架1之间的相对角度；砝码加载架5上装载若干砝码6，且下方设有落锤7，砝码加载架5安装于砝码滑道门架2上，且能够沿砝码滑道门架2下落，使落锤7撞击海底管道节段模型9。

如图2和3所示，支撑门架1包括两根平行设置的纵梁1002以及连接两根纵梁1002的横梁1001；砝码滑道门架2包括两根平行设置的凸形滑道21以及连接两根凸形滑道21的连接横梁22；纵梁1002和凸形滑道21之间设有连接轴承8，连接轴承8包括焊接于凸形滑道21的第一轴承基座82、焊接于纵梁1002的第二轴承基座83以及设于第一轴承基座82和第二轴承基座83间隙内的轴承81，第一轴承基座82、轴承81和第二轴承基座83共轴线，使砝码滑道门架2能够相对支撑门架1发生转动。

如图3和4所示，滑道倾角调节齿条3包括弧形齿条31、棘爪32和转轴33，转轴33固定于横梁1001上，棘爪32与转轴33相连且能够以转轴33为中心转动，弧形齿条31有两条，分别焊接在连接横梁22的两端，能够随砝码滑道门架2一同转动，弧形齿条31整体呈弧线形，其弧线圆心与连接轴承8的旋转中心相同，弧形齿条31的上表面带有多个能与棘爪32相卡的齿缝，下表面为圆弧形，弧形齿条31的端部预留焊接面，焊接在砝码滑道门架2的连接横梁22上。将砝码滑道门架2调节至合适的倾斜角度后，扳动棘爪32使其卡掐在弧形齿条31的齿缝内以限制弧形齿条31的转动，从而固定调节砝码滑道门架2与支撑门架1之间的相对角度。

如图5、6和7所示，砝码滑道门架2上设有控制砝码加载架5提升和下落的缆绳滑轮组4，缆绳滑轮组4包括缆绳41、第一滑轮42、第二滑轮43和锚端扣46，第一滑轮42设于横梁1001中部，第二滑轮43设于横梁1001端部，锚端扣46设于砝码加载架5顶部，缆绳41系于锚端扣46后依次绕过第一滑轮42和第二滑轮43。第一滑轮42的滑轮轴44为竖向，以实现缆绳41绕过后的横向调整；第二滑轮43的滑轮轴44为横向，以实现缆绳41绕过后的竖向调整；第一滑轮42和第二滑轮43均由滑轮轴44穿过旋转轴线后安装在滑轮支架45上，滑轮支架45焊接在各滑轮的相应部位。

如图8所示，砝码加载架5包括上顶板51、下底板52和导向轮53，上顶板51和下底板52分别带有两个容纳插销55穿过的通孔，上顶板51和下底板52通过插销55连接成框且通过螺母56固定，为防止上顶板51的脱落，其上下两侧共设四个螺母56旋紧固定，上顶板51和下底板52的两端均设有导向轮轴54，导向轮轴54的两端分别安装一个导向轮53，导向轮53能够沿凸形滑道21移动，相邻导向轮53的间距略大于凸形滑道21的凸出宽度，使其可沿凸形滑道21定向下落移动，并可防止导向轮53的脱离。如图9所示，凸形滑道21在滑道段截面为凸形，在终止端截面为矩形，以防止砝码加载架5位移过大而脱出砝码滑道门架2。

如图10所示，落锤7包括锤头71、连接块72以及用于固定锤头71和连接块72的连接螺栓73，连接块72的上部焊接在砝码加载架5的下底板52中部，随砝码加载盘5一同移动；锤头71和连接块72分别有长宽略大的铁缘，以方便连接螺栓73的对接操作。如图11所示，锤头71的横截面形状为矩形、圆弧形或锥形中的一种，以实现试验过程中落锤7不同的接触类型。

如图12所示，海底管道节段模型9包括钢管91，钢管91的两端设置法兰盘92，法兰盘92通过法兰螺栓93进行对接安装，以实现钢管91的充液有压密封。

实施例2

如图1所示，本实施例提供一种海底管道落锤冲击试验系统，包括平台底座14、管道滑动基座11和管道固定卡箍10。

如图1和13所示，支撑门架1固定于平台底座14上，平台底座14上还设有两条导轨141，导轨141由凹沟构成。

如图1、14和15所示，管道滑动基座11包括两个轨道轮基座114，轨道轮基座114的两端通过轨道轮轴113安装有轨道轮111，轨道轮111能够在导轨141内移动，两个轨道轮基座114之间还设有土槽12，土槽12设有与海底管道节段模型9相契合的凹口，以便海底管道阶段模型9的放置与固定。土槽12的两缘分别焊接在轨道轮基座114的内侧，与轨道轮基座114一同移动，由此实现海底管道阶段模型9和土槽12随管道滑动基座11的移动。

如图16所示，管道固定卡箍10包括卡箍101和卡箍螺栓102，卡箍101通过卡箍螺栓102与轨道轮基座114对接安装；卡箍101和轨道轮基座114均设有与海底管道节段模型9相契合的凹口，以便海底管道阶段模型9的放置与固定。

如图1和17所示，导轨141上设有对轨道轮111限位的楔块13，楔块13上部为直角梯形体，下部与导轨141相契合。在调节管道滑动基座11至合适位置后，将楔块13的下部凸处插入导轨141内，上部斜面抵住轨道轮111的侧面，实现对轨道轮111的限位与止动。

本实施例中其它结构与实施例1中相同。

实施例3

实施例2中海底管道落锤冲击试验系统的试验方法，包括以下步骤：

（1）海底管道节段模型9的安装：将海底管道节段模型9放置在轨道轮基座114和土槽12的凹口位置，往土槽12内添加试验砂至合适厚度；将卡箍101放置在与轨道轮基座114对齐的正上方，以卡箍螺栓92贯穿卡箍101和轨道轮基座114，并旋紧螺母，使卡箍101固连在轨道轮基座114上，通过卡箍101和轨道轮基座114的上下箍紧，实现海底管道节段模型9的固定。

（2）砝码6与落锤7的安装：将砝码加载架5的上顶板51的螺母56卸下，并暂时移开上顶板51，将砝码6的通孔按照插销55的位置插入后，再将上顶板51通过螺母56安装固定；将锤头71的铁缘通孔与连接块62的铁缘通孔对齐，通过连接螺栓73将锤头71旋紧固连在连接块62上，实现砝码加载架5下方的落锤7安装。

（3）砝码滑道门架2的倾角调节：转动砝码滑道门架2至试验需要角度，此时弧形齿条31同步转动；扳动棘爪32使其卡在弧形齿条31的齿缝内，从而固定砝码滑道门架2的位置。

（4）倾角冲击试验：沿导轨141移动轨道轮基座114至试验需要位置，使海底管道节段模型9的轴线与砝码加载架5下方落锤7的下落轴线相交，在四个轨道轮111的侧面放置楔块13用于管道滑动基座11的止动，牵拉缆绳41的下端使其提升砝码加载盘5至试验需要高度，松开缆绳41后，砝码加载架5沿砝码滑道门架2的凸形滑道21下落，落锤7撞击海底管道节段模型9，完成倾角冲击试验。

（5）偏心冲击试验：沿导轨141移动轨道轮基座114至试验需要位置，使海底管道节段模型9与砝码加载盘5的下落轴线产生相对位错，以楔块13止动，牵拉缆绳41的下端使其提升砝码加载盘5至试验需要高度，松开缆绳41后，砝码加载架5沿砝码滑道门架2的凸形滑道21下落，落锤7撞击海底管道节段模型9，完成偏心冲击试验。

本发明提供的海底管道落锤冲击试验系统及试验方法，不仅能够实现不同质量（冲击强度）、不同下落高度（冲击速度）和不同接触形状的海底管道冲击试验，而且能够做到偏心冲击和倾角冲击的两种冲击试验工况；该试验系统结构简单，调节方便，控制性能良好，仅需人工操作，大大降低了试验成本；该试验系统可通过组合多种试验工况，获取海底管道在不同情况下的冲击损伤程度，解决了海底管道规范中一直未涉及到的损伤工况，对海底管道的损伤规律研究、损伤程度评估、损伤维修指导等具有深刻的工程意义和应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，包括支撑门架、砝码滑道门架、滑道倾角调节齿条、砝码加载架、海底管道节段模型、平台底座、管道滑动基座和管道固定卡箍；

所述滑道倾角调节齿条连接支撑门架和砝码滑道门架，且能够调节砝码滑道门架与支撑门架之间的相对角度；

所述砝码加载架上装载若干砝码，且下方设有落锤，所述砝码加载架安装于砝码滑道门架上，且能够沿砝码滑道门架下落，使落锤撞击海底管道节段模型；

所述支撑门架固定于平台底座上，所述平台底座上还设有两条导轨；

所述管道滑动基座包括两个轨道轮基座，所述轨道轮基座的两端通过轨道轮轴安装有轨道轮，所述轨道轮能够在导轨内移动，两个所述轨道轮基座之间还设有土槽；

所述管道固定卡箍包括卡箍和卡箍螺栓，所述卡箍通过卡箍螺栓与轨道轮基座对接安装；

所述卡箍、轨道轮基座和土槽均设有与海底管道节段模型相契合的凹口。

2.根据权利要求1所述的海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，所述支撑门架包括两根平行设置的纵梁以及连接两根纵梁的横梁；

所述砝码滑道门架包括两根平行设置的凸形滑道以及连接两根凸形滑道的连接横梁；

所述纵梁和凸形滑道之间设有连接轴承，所述连接轴承包括焊接于凸形滑道的第一轴承基座、焊接于纵梁的第二轴承基座以及设于第一轴承基座和第二轴承基座间隙内的轴承，所述第一轴承基座、轴承和第二轴承基座共轴线，使所述砝码滑道门架能够相对支撑门架发生转动。

3.根据权利要求2所述的海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，所述滑道倾角调节齿条包括弧形齿条、棘爪和转轴，所述转轴固定于横梁上，所述棘爪与转轴相连且能够以转轴为中心转动，所述弧形齿条有两条，分别焊接在连接横梁的两端，所述弧形齿条整体呈弧线形，其弧线圆心与连接轴承的旋转中心相同，所述弧形齿条的上表面带有多个能与棘爪相卡的齿缝。

4.根据权利要求2所述的海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，所述砝码滑道门架上设有控制砝码加载架提升和下落的缆绳滑轮组，所述缆绳滑轮组包括缆绳、第一滑轮、第二滑轮和锚端扣，所述第一滑轮设于横梁中部，所述第二滑轮设于横梁端部，所述锚端扣设于砝码加载架顶部，所述缆绳系于锚端扣后依次绕过第一滑轮和第二滑轮。

5.根据权利要求2所述的海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，所述砝码加载架包括上顶板、下底板和导向轮，所述上顶板和下底板通过插销连接成框且通过螺母固定，所述上顶板和下底板的两端均设有导向轮轴，所述导向轮轴的两端分别安装一个导向轮；

所述凸形滑道在滑道段截面为凸形，在终止端截面为矩形，所述导向轮能够沿凸形滑道移动。

6.根据权利要求1所述的海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，所述落锤包括锤头、连接块以及用于固定锤头和连接块的连接螺栓，所述锤头的横截面形状为矩形、圆弧形或锥形中的一种。

7.根据权利要求1所述的海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，所述海底管道节段模型包括钢管，所述钢管的两端设置法兰盘，所述法兰盘通过法兰螺栓进行对接安装。

8.根据权利要求1所述的海底管道落锤冲击试验系统，其特征在于，所述导轨上设有对轨道轮限位的楔块，所述楔块上部为直角梯形体，下部与导轨相契合。

9.一种基于权利要求1~8中任一项所述的海底管道落锤冲击试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

在砝码加载架上加载砝码；

转动砝码滑道门架至所需角度，并通过滑道倾角调节齿条固定砝码滑道门架和支撑门架的位置；

移动海底管道节段模型的位置，使海底管道节段模型的轴线与砝码加载架下方落锤的下落轴线相交，使砝码加载架沿砝码滑道门架下落，落锤撞击海底管道节段模型，完成倾角冲击试验；

移动海底管道节段模型的位置，使海底管道节段模型的轴线与砝码加载架下方落锤的下落轴线相对错位，使砝码加载架沿砝码滑道门架下落，落锤撞击海底管道节段模型，完成偏心冲击试验。

Images