CN113237766B - 一种可同时加载多种载荷的管道压力舱加载系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可同时加载多种载荷的管道压力舱加载系统，包括：试验管，端部通过法兰与试验舱舱壁上的通孔密封安装；轴向加载装置，包括与法兰连接的作用筒，和与作用筒连接的轴向油缸；扭矩加载装置，包括套环，和固定在套环上的加载轴，以及与加载轴固定连接的扭矩油缸，套环通过内表面的凹槽与作用筒外表面的齿条卡合后套接；弯矩加载装置，包括套在试验管管身上的套箍，套箍包括内环、外环和安装在两者之间的滚珠，在外环的外表面连接有弯矩油缸。本发明在深海液压加载舱的基础上，针对加载舱设计外部作用加载端，能够对深海载荷情况进行更好的模拟，最终达到三种载荷同时加载的目的，可对管道在深海复杂载荷作用下的破坏过程进行研究。

Description

一种可同时加载多种载荷的管道压力舱加载系统
技术领域
本发明涉及深海管道试验领域，特别是涉及一种能够对试验管道进行多种载荷同时加载并同时进行复杂载荷作用下管道深海压力结构试验的加载系统。
背景技术
海洋管道工作环境特殊，易受到水压、洋流、腐蚀等多方面因素的影响。在研究深海载荷对管道作用时，要考虑到深海多种复杂载荷同时作用下管道的变形、受力情况。
对于深海管道，在复杂载荷作用下，主要会受到拉压、弯矩、扭转三种复杂的载荷形式，以及所处位置的深海压力。深海压力可设计压力舱进行加载，在设计压力舱的同时需要设计适合配合深海压力舱使用的载荷加载设备，并能够满足同时加载的条件。
目前对于深海管道系统设计中，通常采用四点弯的方式对管道进行弯矩的加载，对于扭矩、拉压的载荷方式加载过程较少，而且在这些设计中，加载过程都是单独进行的，即单独分析拉压、弯矩或者扭转载荷形式对管道的破坏影响。这种单独加载分析的方式仅能体现出在单一载荷形式下管道发生的变形以及失效形式，难以反应真实的加载情况。因此设计一套能够对管道同时进行多载荷加载的加载系统，对于深海管道的实际工作环境及实际受力模拟，对深海管道破坏形式分析是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对试验管道进行多种载荷同时加载并同时进行复杂载荷作用下管道深海压力结构试验的加载系统。
具体地，本发明提供一种可同时加载多种载荷的管道压力舱加载系统，包括：
试验管，放置在试验舱内，端部通过法兰与试验舱舱壁上的通孔密封安装，且在法兰与通孔之间安装有使试验管实现轴向移动和径向转动的滚珠；
轴向加载装置，包括一端与法兰在轴向上固定连接的作用筒，和与作用筒另一端在轴向上固定连接的轴向油缸；
扭矩加载装置，包括套环，和固定在套环外圆周上的加载轴，以及通过一端与加载轴外圆周固定连接的扭矩油缸，在作用筒的外表面环绕设置有轴向的齿条，在套环的内表面设置有与齿条对应的凹槽，套环通过内表面的凹槽与作用筒外表面的齿条卡合后套接；
弯矩加载装置，包括套在试验管管身上的套箍，套箍包括内环、外环和安装在两者之间的滚珠，在外环的外表面连接有弯矩油缸。
本发明在深海液压加载舱的基础上，针对加载舱设计外部作用加载端，能够对深海载荷情况进行更好的模拟，最终达到三种载荷同时加载的目的，可对管道在深海复杂载荷作用下的破坏过程进行研究。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的轴向加载装置和扭矩加载装置结构示意图；
图2是本发明一个实施方式的弯矩加载装置结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的试验仓结构示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。
如图1、2所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种可同时加载多种载荷的管道压力舱加载系统，包括：试验管1、轴向加载装置2、扭矩加载装置3和弯矩加载装置4。
如图3所示，该试验管1放置在试验舱5内，试验舱5为圆柱状的筒形，试验舱5整体安装在一个基座6上，在基座6上设置有支撑并限制试验舱5移动的支撑板61。试验管1的端部通过法兰11与试验舱5的舱壁上的通孔密封安装，且在法兰11与通孔之间安装有方便试验管1实现轴向移动和径向转动的滚珠51；为减小试验舱5的体积，这里的舱壁可以是试验舱5两端的舱盖。安装后的试验管1在滚珠51的作用下，可以连带法兰11相对舱壁实现径向转动和轴向移动，且在转动和移动过程始终保持密封，即法兰11通过外表面与试验舱5的舱盖上的通孔密封连接，且法兰11的长度至少满足轴向加载装置2在施加轴向拉压试验时，移动试验管1的试验距离。
该轴向加载装置2包括通过一端与法兰11另一端(即法兰11伸出舱盖的一端)在轴向上固定连接的作用筒21，和与作用筒21另一端在轴向上固定连接的轴向油缸22。其中轴向油缸22的伸出端通过螺栓与作用筒21固定连接。
该扭矩加载装置3包括套环31，和固定在套环31外圆周上的加载轴32，以及通过一端与加载轴32外圆周固定连接的扭矩油缸33；在作用筒21的外表面环绕设置有轴向的齿条211，在套环31的内表面设置有与齿条211对应的凹槽311，套环31通过内表面的凹槽311与作用筒21外表面的齿条211套接后卡合，连接后的作用筒21可相对套环31实现轴向移动，同时套环31的径向转动又可带动作用筒21进行径向转动，进而带动试验管1径向转动。其中，齿条211的长度至少要满足作用筒21在轴向移动时不会脱离与凹槽311的卡合。
加载轴32为一根实心圆柱体，其与套环31的外表面垂直固定，而扭矩油缸33的端部则与加载轴32垂直固定。此外，虽然这里说明是在作用筒21上设置齿条211，在套环31的内部设置凹槽311，但这仅是一种设置方式，在其它的实施方式中，两者也可以互换。
该弯矩加载装置4包括套在试验管1管身上的套箍41，套箍41包括外环411、内环412和安装在两者之间的滚珠413，在外环411的外表面连接有弯矩油缸42。具体套箍41的安装位置可根据实验要求设置在试验管1的任意一处，也可以同时设置多处，以便同时实现对试验管1的多个位置进行同向、异向弯矩加载。为方便从不同的方向上施加弯矩力，可在外环411的外圆周表面以90度的间隔设置四个安装孔，弯矩油缸42通过安装孔与外环411连接，弯矩油缸42可根据弯矩加载方向选择具体的安装孔进行连接。
在试验时，先将试验管1安装在试验舱5内，在试验舱5的两端设置有可开合的密封舱盖，将试验管1的一端通过法兰11与舱盖上的通孔密封连接，保证法兰11通过滚珠与舱盖之间能够实现自动移动和转动，且不影响密封。
轴向加载装置2和扭转加载装置3设置在试验舱5的外部与法兰11相对的位置，弯矩加载装置4位于试验舱5的径向外侧，其通过弯矩油缸42穿过试验舱5的舱壁后与外环411连接，具体的弯矩加载装置4可设置多处，在安装和使用过程中需要保证弯矩油缸42与试验舱5的密封。试验舱5内可注水，以模拟深海环境对试验管5进行内压加载试验，
启动轴向加载装置2后，轴向油缸22的伸缩会通过作用筒21带动法兰11和试验管1同时移动，将拉压力施加至试验管1的端部，完成轴向加载试验；在该过程中，由于作用筒21相对于套环31在轴向上可以任意移动，因此套环31在作用筒21轴向运动时可保持原位，不影响轴向加载装置的工作。
启动扭矩加载装置3后，扭矩油缸33推动加载轴32带动套环31转动，转动后的套环31通过内部的凹槽与作用筒21外表面的齿条211啮合，将转动力传递至作用筒21上，由于作用筒21与法兰11是固定连接，因此可进一步带动法兰11、试验管1实现转动，完成扭矩实验。
启动弯矩加载装置4后，弯矩油缸42的伸缩可直接通过外环411带动内环412推动或拉动试验管1的管身进行径向上的位移，从而实现弯矩加载试验；由于内环412与试验管1的管身之间为滑动连接，因此轴向加载装置2和扭矩加载装置3的动作不会影响内环412的位置，且内环412与外环411之间设置有滚珠413，则外环411相对内环412的加载力方向变化也不会影响弯矩力的传递。通过选择不同的安装孔连接，可实现对试验管1同一位置或不同位置处的四点弯矩加载。
上述各力的加载过程不分先后，可以同时加载，也可以根据要求选择相应的加载力次第加载。
本实施方式在深海液压加载舱的基础上，针对加载舱设计外部作用加载端，能够对深海载荷情况进行更好的模拟，最终达到三种载荷同时加载的目的，可对管道在深海复杂载荷作用下的破坏过程进行研究。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种可同时加载多种载荷的管道压力舱加载系统，其特征在于，包括：
试验管，放置在试验舱内，端部通过法兰与试验舱舱壁上的通孔密封安装，且在法兰与通孔之间安装有使试验管实现轴向移动和径向转动的滚珠；
轴向加载装置，包括一端与法兰在轴向上固定连接的作用筒，和与作用筒另一端在轴向上固定连接的轴向油缸；
扭矩加载装置，包括套环，和固定在套环外圆周上的加载轴，以及通过一端与加载轴外圆周固定连接的扭矩油缸，在作用筒的外表面环绕设置有轴向的齿条，在套环的内表面设置有与齿条对应的凹槽，套环通过内表面的凹槽与作用筒外表面的齿条卡合后套接，所述凹槽的长度至少满足所述作用筒在轴向移动时不会脱离与所述齿条的卡合；
弯矩加载装置，包括套在试验管管身上的套箍，套箍包括内环、外环和安装在两者之间的滚珠，在外环的外表面连接有弯矩油缸。
2.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于，
所述轴向油缸通过螺栓与所述作用筒固定连接。
3.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于，
所述法兰通过外表面与所述试验舱的舱壁密封连接，且所述法兰的长度至少满足所述轴向加载装置移动所述试验管的试验距离。
4.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于，
所述加载轴与所述套环垂直固定。
5.根据权利要求4所述的加载系统，其特征在于，
所述扭矩油缸与所述加载轴垂直固定。
6.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于，
所述外环的外表面以90度的间隔设置有四个安装孔，所述弯矩油缸通过安装孔与所述外环连接。
7.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于，
所述试验舱为筒形，所述试验管穿出的舱壁为所述试验舱的舱盖。
8.根据权利要求7所述的加载系统，其特征在于，
所述轴向加载装置和所述扭矩加载装置位于所述试验舱的外部，所述弯矩加载装置位于所述试验舱的外侧，且通过所述弯矩油缸穿过所述试验舱的舱壁后与所述外环连接。
9.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于，
所述试验舱安装在一个基座上，且所述基座上设置有支撑并限制所述试验舱移动的支撑板。
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