CN113607557A - 一种超高压非标准法兰实验装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种超高压非标准法兰实验装置。该实验装置包括液压加载机构，下法兰上方固装有上法兰，上法兰与下法兰之间呈十字对称状设置有液压加载机构；上法兰上安装有检测机构。该实验装置能对上法兰和下法兰进行抗拉伸实验以及抗弯矩实验，从而能获得法兰在任意工作压力条件下所能承受的极限拉力和极限弯矩，有利于非标法兰承载能力的规格化和标准化，为制定非标法兰设计准则及规范提供依据，满足工程选型需求；能作为法兰水压试验的补充，从而提高法兰出厂检验的安全性；解决了现有技术不能对大通径超高压法兰进行实验验证的问题。

Description

一种超高压非标准法兰实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及一种超高压非标准法兰实验装置及实验方法，属非标准法兰实验技术领域。
背景技术
法兰连接是油气开采领域中常用的连接方式，因其具有易于拆卸安装的优点，获得了广泛的应用。法兰有标准法兰和非标准法兰之分，标准法兰是在国标、化工部标准等生产标准下生产制造，对于超高压法兰设计主要依据压力容器设计规范ASME BPVC VIII第1~3卷及美国石油学会规范API 6A，但由于石油、天然气开采和生产过程中，技术参数（超高压力、大通径）不断提高，上述规范难以满足大通径高压力法兰设计，依据上述规范计算得到的法兰厚度和颈部厚度过于保守，不利于超高压法兰的轻量化设计。需要通过实物试验验证大通径超高压力法兰设计的可行性和可靠性。但是目前，并没有合适的实验装置对大通径超高压力法兰进行实验，因此需要研发一种实验装置，以对大通径超高压力法兰进行设计结果的实验和验证。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能通过实验观察法兰的强度和超高压密封效果，以验证大通径高压力法兰非标设计的可行性，指导超高压法兰优化设计的超高压非标准法兰实验装置及实验方法。
本发明的技术方案是：
一种超高压非标准法兰实验方法，其特征在于：它包括如下步骤：
1）、首先通过固定螺栓将实验装置的液压加载机构呈十字对称状固定安装在实验法兰的下法兰上；再将上法兰通过装配螺栓固定在下法兰上，其中，液压加载机构由顶杆通过顶板与上法兰的下表面形成顶触，同时，将应变片分别安装在上法兰以及上法兰和下法兰连接处的装配螺栓上，安装完成后启动检测机构的位移动态采集仪和检测计算机；
2）、利用高压泵站通过注液口向上法兰和下法兰的储液沉孔中注水，使储液沉孔内压力逐渐升高，储液沉孔内压力达到上法兰和下法兰的额定压力后，高压泵站保压至实验结束；
3）、启动液压站，使液压站的油压持续升高，向实验装置X轴对称设置的加载液压缸或Y轴对称设置的加载液压缸或全部的加载液压缸中连续加压，使加载液压缸依次通过下法兰、顶杆和顶板对上法兰施加一个持续升高的垂直顶升力，对上法兰和下法兰进行抗拉伸实验；
4）、在进行步骤3）的过程中，位移动态采集仪分别连续采集装配螺栓上的应变片的位移信号，位移动态采集仪采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机中，检测计算机根据采集的位移信号换算并显示装配螺栓受到的拉伸应力；
5）、在进行步骤4）的过程中，持续记录液压站向加载液压缸加载的油压数值；
6）、在进行步骤3）对上法兰和下法兰进行抗拉伸实验的过程中，终止抗拉伸实验时（停止并降低液压站油压），记录终止抗拉伸实验时加载的油压数值，通过以下公式换算得到上法兰和下法兰的极限拉伸力：
F=P×A 式1
式中，F为法兰的上法兰和下法兰的拉伸力，N；P为终止实验时，记录的加载油压数值，Mpa；A为对应加载有液压的液压加载机构的顶板顶面面积之和，mm2；
7）、改变高压泵站注入储液沉孔内的水压，重复步骤2）的阶梯式注水过程，再依次重复步骤3）—步骤6）， 获得在对应水压条件下的上法兰和下法兰极限拉伸力；
8）、多次重复步骤7），获得上法兰和下法兰在不同工作压力下（不同的储液沉孔内的水压）的极限拉伸力；
9）、重复步骤2），向上法兰和下法兰储液沉孔中注入额定压力的水压；
10）、启动液压站，向粘贴有应变片的装配螺栓一侧的一个或相邻的两个加载液压缸中加压，使加载液压缸向上法兰提供一个持续升高的弯矩推力，对上法兰和下法兰进行抗弯矩实验；
11）、在进行步骤10）的过程中，持续记录液压站油压的同时，位移动态采集仪分别连续采集上法兰或装配螺栓上的应变片的位移信号，位移动态采集仪采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机中，检测计算机根据采集的位移信号换算并显示上法兰和下法兰受到的单侧拉伸应力和合成应力；
12）、在进行步骤10）的过程中，终止抗弯矩实验时（停止并降低液压站油压），记录终止抗弯矩实验时加载的油压数值，通过式1和以下公式换算得到上法兰和下法兰的极限弯矩：
M=F×R 式2
式中，M为上法兰和下法兰的弯矩，Nm；R 为加载液压缸中心轴线与上法兰中心轴线之间的距离，mm；
13）、多次改变高压泵站注入储液沉孔内的水压，重复步骤2）的阶梯式注水过程，再依次重复步骤10）—步骤12），获得上法兰和下法兰在不同工作压力下（不同的储液沉孔内的水压）的极限弯矩。
所述的步骤2）的注水加压过程为阶梯式加载，每次加载的水压为设定加载压力的10%，加载设定加载压力10%的压力后保压5min，确认无泄漏后，再依次重复上述过程继续加压，直至储液沉孔内压力达到设定的加载压力。
所述的拉伸应力的换算公式为：
拉伸应力=轴向应变×弹性模量式3
式中：轴向应变为应变片测得的装配螺栓轴向上的线应变；弹性模量为装配螺栓的弹性模量，Mpa。
所述的合成应力计算方法为：通过采集的上法兰上应变片的线应变以及以下公式换算沿主应力方向的主应变：
Figure 752279DEST_PATH_IMAGE001
式中：ε 1、ε 1为沿主应力方向的主应变，
Figure 719098DEST_PATH_IMAGE002
为沿水平方向的线应变，
Figure 225165DEST_PATH_IMAGE003
为与水平方向夹角45°的线应变，
Figure 644645DEST_PATH_IMAGE004
为与水平方向夹角为90°的线应变；
通过主应变和以下公式计算主应力：
Figure 995992DEST_PATH_IMAGE005
式中：σ 1、σ 2和σ 3分别为三个主应力方向的主应力，MPa；E为上法兰或下法兰的弹性模量，MPa；μ为上法兰或下法兰的泊松比；
通过主应变和以下公式计算合成应力：
Figure 833629DEST_PATH_IMAGE006
式中：σ为范式应力（合成应力），MPa。
步骤1）所述的实验装置包括液压加载机构、实验法兰和检测机构，液压加载机构呈十字对称状设置在实验法兰上，实验法兰一侧设置有检测机构，检测机构通过应变片与实验法兰连接。
所述的实验法兰包括上法兰和下法兰，下法兰上方通过均布的装配螺栓固装有上法兰，上法兰的底面中心和下法兰的顶面中心分别设置有储液沉孔，上法兰的储液沉孔上设置有注液口。
所述的上法兰和下法兰的横截面呈工字状。
所述的液压加载机构由加载液压缸、限位座、顶杆和顶板构成，限位座上设置有加载液压缸，加载液压缸的活塞杆上设置有顶杆，顶杆的顶部端头设置有顶板，顶板与上法兰抵靠连接，所述的限位座通过固定螺栓与下法兰固定连接。
所述的限位座的顶部端面上设置有限位槽，限位槽与加载液压缸的底端套（嵌）装连接；限位槽的底部中心和加载液压缸的底面中心分别设置有吊装孔。
所述的加载液压缸上呈上下状设置有连接头，加载液压缸通过连接头与液压站连接，以控制活塞杆的伸缩。
所述的顶杆的底部端头设置有定位插杆，定位插杆与加载液压缸的活塞杆活动插装连接；顶杆的顶部端头与顶板活动连接。
所述的顶板上表面设置有限位凸台，限位凸台与上法兰插（嵌）装连接。
所述的检测机构包括位移动态采集仪和检测计算机，位移动态采集仪上连接有应变片，应变片通过动态采集仪与检测计算机连接。
所述的应变片包括法兰周向位移式应变片、法兰斜向位移式应变片、法兰轴向位移式应变片、螺栓周向位移式应变片和螺栓轴向位移式应变片，法兰周向位移式应变片、法兰斜向位移式应变片、法兰轴向位移式应变片分别粘贴在上法兰的颈部；螺栓周向位移式应变片和螺栓轴向位移式应变片分别粘贴在装配螺栓上。
所述的法兰斜向位移式应变片分别与法兰周向位移式应变片和法兰轴向位移式应变片间隔45度设置。
本发明的有益效果在于：
该超高压非标准法兰实验装置通过液压加载机构能向上法兰和下法兰施加垂直顶升力进行抗拉伸实验，且通过液压加载机构能向上法兰和下法兰施加弯矩推力进行抗弯矩实验，从而能获得法兰在任意工作压力条件下所能承受的极限拉力和极限弯矩，有利于非标法兰承载能力的规格化和标准化，为制定非标法兰设计准则及规范提供依据，满足工程选型需求；能作为法兰水压试验的补充，从而提高法兰出厂检验的安全性；解决了现有技术不能对大通径超高压法兰进行实验验证的问题。
附图说明
图1是本发明实验装置的装配示意图；
图2是本发明实验装置的加载机构的分布示意图；
图3是本发明液压加载机构的结构示意图；
图4是本发明顶杆的装配示意图；
图5是本发明限位座的结构示意图；
图6是本发明法兰周向位移式应变片的装配示意图；
图7是本发明螺栓周向位移式应变片的装配示意图。
图中：1、上法兰，2、下法兰，3、装配螺栓，4、储液沉孔，5、注液口，6、限位座，7、加载液压缸，8、顶杆，9、顶板，10、限位槽，11、吊装孔，12、连接头，13、定位插杆，14、限位凸台，15、位移动态采集仪，16、法兰周向位移式应变片，17、法兰斜向位移式应变片，18、法兰轴向位移式应变片，19、检测计算机，20、螺栓周向位移式应变片，21、螺栓轴向位移式应变片，22、固定螺栓。
具体实施方式
该超高压非标准法兰实验方法包括如下步骤：
首先通过固定螺栓22将实验装置呈十字对称状固定安装在实验法兰的下法兰2上；再将上法兰1通过装配螺栓3固定在下法兰2上，其中，实验装置由顶杆8通过顶板9与上法兰1的下表面形成顶触，同时，将应变片分别安装在上法兰1以及上法兰1和下法兰2连接处的装配螺栓3上，安装完成后启动检测机构的位移动态采集仪15和检测计算机19。
实验法兰包括上法兰1和下法兰2，下法兰2上方通过均布的装配螺栓3固装有上法兰1，通过对上法兰1和下法兰2进行实验，进而进而为制定非标法兰设计准则及规范提供依据；装配螺栓3的作用是连接上法兰1和下法兰2，使上法兰1和下法兰2的连接处密封；上法兰1和下法兰2的连接面之间还设置有密封环垫，上法兰1和下法兰2连接时，通过压缩密封环垫对上法兰1和下法兰2进行密封；上法兰1与下法兰2之间呈十字对称状设置有实验装置；上法兰1上安装有检测机构，以在试验过程中对上法兰1或下实现法兰2进行监测，由此获知上法兰1或下实现法兰2的状态，进而获知上法兰1和下实现法兰2是否达到极限状态。
上法兰1和下法兰2的横截面呈工字状，上法兰1的底面中心和下法兰2的顶面中心分别设置有储液沉孔4，上法兰1或下法兰2的储液沉孔4上设置有注液口5，以通过注液口5向储液沉孔4中注水，使上法兰1与下法兰2之间内部形成高压，通过观察上法兰1与下法兰2之间连接处是否泄漏获知上法兰1和下法兰2是否达到极限状态。
该超高压非标准法兰实验装置，包括液压加载机构，液压加载机构呈十字对称状设置，即上法兰1与下法兰2之间设置有4个液压加载机构，当相对的两个或全部液压加载机构推动上法兰1时，能向上法兰1提供一个垂直顶升力，进而能对上法兰1和下法兰2进行抗拉伸实验，获得上法兰1和下法兰2的极限拉伸力；当其中一个或相邻的两个液压加载机构推动上法兰1时，能向上法兰1提供一个弯矩推力，进而能对上法兰1进行抗弯矩实验，获得上法兰1和下法兰2的极限弯矩。
液压加载机构由限位座6、加载液压缸7、顶杆8和顶板9构成，限位座6上设置有加载液压缸7，限位座6的顶部端面上设置有限位槽10，限位槽10与加载液压缸7的底端套装连接；限位槽10的底部中心和加载液压缸7的底面中心分别设置有吊装孔11；加载液压缸7上设置有连接头12，加载液压缸7通过连接头12与液压站连接；加载液压缸7的活塞杆上设置有顶杆8，顶杆8的底部端头设置有定位插杆13，定位插杆13与加载液压缸7的活塞杆插装连接；顶杆8的顶部端头设置有顶板9，顶杆8的顶部端头与顶板9铰接；限位座6通过固定螺栓与下法兰2固定连接，顶板9与上法兰1抵靠连接；顶板9上表面设置有限位凸台14，限位凸台14与上法兰1插装连接；加载液压缸7的作用是在液压站向加载液压缸7输入高压液压油时加载液压缸7通过顶杆8、顶板9向上法兰1提供推力；限位座6的作用是通过限位槽10和限位螺栓11限制加载液压缸7的位置，以避免加载液压缸7在工作时挪位或偏移，使加载液压缸7向外输出液压力时，其力的方向始终保持一致，由此保证实验结果的准确性；顶杆8的作用是与加载液压缸7活塞杆端头与上法兰1之间的间距进行适配，以避免上法兰1与下法兰2之间的间距过大导致加载液压缸7的活塞杆长度不足；顶板9的作用是通过顶板9增大与上法兰1的接触面积，避免因接触面积过小造成局部压强过大导致上法兰1损坏；限位凸台14的作用是限制顶板9在上法兰1上的位置，避免顶板9与上法兰1打滑，进而保证顶板9对上法兰1的推力方向始终一致，由此保证实验结果的准确性。
检测机构包括位移动态采集仪15，位移动态采集仪15上连接有法兰周向位移式应变片16、法兰斜向位移式应变片17、法兰轴向位移式应变片18和检测计算机19；法兰周向位移式应变片16、法兰斜向位移式应变片17、法兰轴向位移式应变片18分别粘贴在上法兰1或下法兰2的颈部；法兰斜向位移式应变片17分别与法兰周向位移式应变片16和法兰轴向位移式应变片18间隔45度设置；法兰周向位移式应变片16的作用是在检测上法兰1或下法兰2的应力时通过法兰周向位移式应变片16检测上法兰1或下法兰2水平方向上的应变量，进而对上法兰1或下法兰2水平方向上的主应力进行检测；法兰斜向位移式应变片17的作用是对上法兰1或下法兰2，45度方向上的主应力进行检测；法兰轴向位移式应变片18的作用是对上法兰1或下法兰2，90度方向上的主应力进行检测。
位移动态采集仪15还连接有螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21，螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21分别粘贴在装配螺栓3上；螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21是对装配螺栓3受到的拉伸应力进行检测，由于装配螺栓3与上法兰1和下法兰2固定连接，装配螺栓3受到的拉伸应力即为上法兰1和下法兰2受到的拉伸应力，由此通过螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21对上法兰1和下法兰2受到的拉伸应力进行检测。
实验装置装配完成后，启动检测机构的位移动态采集仪15和检测计算机19。
利用高压泵站通过注液口5向上法兰1和下法兰2的储液沉孔4中注水，使储液沉孔4内压力逐渐升高，储液沉孔4内压力达到上法兰1和下法兰2的额定压力后，高压泵站保压至实验结束；注水加压过程为阶梯式加载，每次加载的水压为设定加载压力的10%，加载设定加载压力10%的压力后保压5min，确认无泄漏后，再依次重复上述过程继续加压，直至储液沉孔4内压力达到设定的加载压力；向储液沉孔4内注水加压的目的是模拟上法兰1和下法兰2的工作环境，在模拟的工作压力下进行实验，同时便于通过观察上法兰1和下法兰2连接处是否泄漏，以判断上法兰1和下法兰2是否达到极限状态。
启动液压站，使液压站的油压持续升高，向实验装置X轴对称设置的加载液压缸7或Y轴对称设置的加载液压缸7或全部的加载液压缸7中连续加压，，在油压持续升高的过程中，持续记录液压站向加载液压缸7加载的油压数值；使加载液压缸7依次通过下法兰2、顶杆8和顶板9对上法兰1施加一个持续升高的垂直顶升力，通过该垂直顶升力模拟上法兰1和下法兰2在实际工作过程中受到的拉伸力，由此对上法兰1和下法兰2进行抗拉伸实验，记录油压的目的是通过油压对上法兰1和下法兰2受到的拉伸力进行换算。
在垂直顶升力持续升高的过程中，位移动态采集仪15分别连续采集装配螺栓3上的螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21的位移信号，位移动态采集仪15采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机19中，检测计算机19根据采集的位移信号换算并显示装配螺栓3受到的拉伸应力，拉伸应力的换算公式为：
拉伸应力=轴向应变×弹性模量 式3
式中：轴向应变为螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21测得的装配螺栓轴3向上的线应变；弹性模量为装配螺栓3的弹性模量，Mpa。
在垂直顶升力持续升高的过程中，当上法兰1与下法兰2的连接处出现泄漏，上法兰1和下法兰2达到极限，上法兰1和下法兰2失效，不能继续密封时，终止抗拉伸实验（停止并降低液压站油压），并记录终止抗拉伸实验时加载的油压数值，通过以下公式换算得到上法兰1和下法兰2的极限拉伸力：
F=P×A 式1
式中，F为法兰的上法兰1和下法兰2的拉伸力，N；P为终止实验时，记录的加载油压数值，Mpa；A为对应加载有液压的液压加载机构的顶板9顶面面积之和，mm2。
当检测计算机19上显示的拉伸应力接近装配螺栓3屈服极限的83%时，控制液压站降低油压升高速度，使加载液压缸7中的油压缓速升高，直至装配螺栓3的拉伸应力逐渐超过装配螺栓3屈服极限的83%；装配螺栓3的拉伸应力逐渐超过装配螺栓3屈服极限的83%，装配螺栓3失效，上法兰1和下法兰2的连接处出现泄漏时，终止抗拉伸实验，记录加载的油压数值，通过公式 式1换算得到上法兰1和下法兰2的极限拉伸力，由于装配螺栓3与上法兰1和下法兰2相匹配，且装配螺栓3受到的拉伸应力即为上法兰1和下法兰2的拉伸应力，装配螺栓3达到极限拉伸应力时，上法兰1和下法兰2同样也达到极限拉伸应力；当装配螺栓3失效后，进行下一次抗拉伸实验前，更换装配螺栓3。
多次改变高压泵站注入储液沉孔4内的水压，重复阶梯式注水过程，再依次重复抗拉伸实验过程， 获得在对应水压下的上法兰1和下法兰2极限拉伸力，由此获得上法兰1和下法兰2在不同工作压力下（不同的储液沉孔4内的水压）的极限拉伸力。
向上法兰1和下法兰2储液沉孔4中注入额定压力的水压；启动液压站，向粘贴有螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21的装配螺栓3一侧的一个或相邻的两个加载液压缸7中加压，使加载液压缸7向上法兰1提供一个持续升高的弯矩推力，通过弯矩推力模拟上法兰1和下法兰2在实际工作过程中受到的弯矩，对上法兰1和下法兰2进行抗弯矩实验。
在弯矩推力持续升高的过程中，持续记录液压站的油压，同时位移动态采集仪15分别连续采集上法兰1或下法兰2上的法兰周向位移式应变片16、法兰斜向位移式应变片17、法兰轴向位移式应变片18以及装配螺栓3上的螺栓周向位移式应变片20和螺栓轴向位移式应变片21的位移信号，位移动态采集仪15采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机19中，检测计算机19根据采集的位移信号换算并显示上法兰1和下法兰2受到的单侧拉伸应力和合成应力，单侧拉伸应力通过公式式3进行计算；合成应力计算方法为：通过采集的位移动态采集仪15的法兰周向位移式应变片16、法兰斜向位移式应变片17、法兰轴向位移式应变片18的线应变以及以下公式换算沿主应力方向的主应变：
Figure 245019DEST_PATH_IMAGE007
式中：ε 1、ε 1为沿主应力方向的主应变，
Figure 417374DEST_PATH_IMAGE008
为沿水平方向的线应变，
Figure 306833DEST_PATH_IMAGE009
为与水平方向夹角45°的线应变，
Figure 248244DEST_PATH_IMAGE010
为与水平方向夹角为90°的线应变；
通过主应变和以下公式计算主应力：
Figure 345382DEST_PATH_IMAGE011
式中：σ 1、σ 2和σ 3分别为三个主应力方向的主应力，MPa；E为上法兰1或下法兰2的弹性模量，MPa；μ为上法兰1或下法兰2的泊松比；
通过主应变和以下公式计算合成应力：
Figure 739454DEST_PATH_IMAGE012
式中：σ为范式应力（合成应力），MPa。
在弯矩推力持续升高的过程中，当上法兰1与下法兰2的连接处出现泄漏时，终止抗弯矩实验（停止并降低液压站油压），并记录终止抗弯矩实验时加载的油压数值，通过公式 式1和以下公式换算得到上法兰1和下法兰2的极限弯矩：
M=F×R 式2
式中，M为上法兰1和下法兰2的弯矩，Nm；R 为加载液压缸7中心轴线与上法兰1中心轴线之间的距离，mm。
当检测计算机19上显示的拉伸应力接近装配螺栓3屈服极限的83%时，控制液压站降低油压升高速度，使加载液压缸7中的油压缓速升高，直至装配螺栓3的拉伸应力逐渐超过装配螺栓3屈服极限的83%，装配螺栓3的拉伸应力逐渐超过装配螺栓3屈服极限的83%，上法兰1和下法兰2的连接处出现泄漏时，终止抗弯矩实验，并记录加载的油压数值，通过公式式1和式2换算得到上法兰1和下法兰2的极限弯矩。
当检测计算机19上显示的合成应力超过上法兰1和下法兰2的Von Mises应力（范式等效应力），上法兰1和下法兰2发生塑性垮塌，上法兰1和下法兰2失效，上法兰1和下法兰2的连接处出现泄漏时，终止抗弯矩实验，记录加载的油压数值，通过公式 式1和式2换算得到上法兰1和下法兰2的极限弯矩；上法兰1和下法兰2发生塑性垮塌后，进行下一次抗弯矩实验时，更换同种类、材质、规格的法兰后，再进行抗弯矩实验。
多次改变高压泵站注入储液沉孔4内的水压，重复阶梯式注水过程，再依次重复抗弯矩实验的过程，获得上法兰1和下法兰2在不同工作压力下的极限弯矩。
该超高压非标准法兰实验装置通过液压加载机构能向上法兰和下法兰施加垂直顶升力进行抗拉伸实验，且通过液压加载机构能向上法兰和下法兰施加弯矩推力进行抗弯矩实验，从而能获得法兰在任意工作压力条件下所能承受的极限拉力和极限弯矩，有利于非标法兰承载能力的规格化和标准化，为制定非标法兰设计准则及规范提供依据，满足工程选型需求；能作为法兰水压试验的补充，从而提高法兰出厂检验的安全性；解决了现有技术不能对大通径超高压法兰进行实验验证的问题。

Claims (4)

1.一种超高压非标准法兰实验方法，其特征在于：它包括如下步骤：
1）、首先通过固定螺栓（22）将实验装置呈十字对称状固定安装在实验法兰的下法兰（2）上；再将上法兰（1）通过装配螺栓（3）固定在下法兰（2）上，其中，实验装置由顶杆（8）通过顶板（9）与上法兰（1）的下表面形成顶触，同时，将应变片分别安装在上法兰（1）以及上法兰（1）和下法兰（2）连接处的装配螺栓（3）上，安装完成后启动检测机构的位移动态采集仪（15）和检测计算机（19）；
2）、利用高压泵站通过注液口（5）向上法兰（1）和下法兰（2）的储液沉孔（4）中注水，使储液沉孔（4）内压力逐渐升高，储液沉孔（4）内压力达到上法兰（1）和下法兰（2）的额定压力后，高压泵站保压至实验结束；
3）、启动液压站，使液压站的油压持续升高，向实验装置X轴对称设置的加载液压缸（7）或Y轴对称设置的加载液压缸（7）或全部的加载液压缸（7）中连续加压，使加载液压缸（7）依次通过下法兰（2）、顶杆（8）和顶板（9）对上法兰（1）施加一个持续升高的垂直顶升力，对上法兰（1）和下法兰（2）进行抗拉伸实验；
4）、在进行步骤（3）的过程中，位移动态采集仪（15）分别连续采集装配螺栓（3）上的应变片的位移信号，位移动态采集仪（15）采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机（19）中，检测计算机（19）根据采集的位移信号换算并显示装配螺栓（3）受到的拉伸应力；
5）、在进行步骤（4）的过程中，持续记录液压站向加载液压缸（7）加载的油压数值；
6）、在进行步骤（3）对上法兰（1）和下法兰（2）进行抗拉伸实验的过程中，终止抗拉伸实验时，记录终止抗拉伸实验时加载的油压数值，通过以下公式换算得到上法兰（1）和下法兰（2）的极限拉伸力：
F=P×A 式1
式中，F为法兰的上法兰（1）和下法兰（2）的拉伸力，N；P为终止实验时，记录的加载油压数值，Mpa；A为对应加载有液压的液压加载机构的顶板（9）顶面面积之和，mm2；
7）、改变高压泵站注入储液沉孔（4）内的水压，重复步骤（2）的阶梯式注水过程，再依次重复步骤3）—步骤6），获得在对应水压条件下的上法兰（1）和下法兰（2）极限拉伸力；
8）、多次重复步骤7），获得上法兰（1）和下法兰（2）在不同工作压力下的极限拉伸力；
9）、重复步骤2），向上法兰（1）和下法兰（2）储液沉孔中注入额定压力的水压；
10）、启动液压站，向粘贴有应变片的装配螺栓（3）一侧的一个或相邻的两个加载液压缸（7）中加压，使加载液压缸（7）向上法兰（1）提供一个持续升高的弯矩推力，对上法兰（1）和下法兰（2）进行抗弯矩实验；
11）、在进行步骤（10）的过程中，持续记录液压站油压的同时，位移动态采集仪（15）分别连续采集上法兰（1）或装配螺栓（3）上的应变片的位移信号，位移动态采集仪（15）采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机（19）中，检测计算机（19）根据采集的位移信号换算并显示上法兰（1）和下法兰（2）受到的单侧拉伸应力和合成应力；
12）、在进行步骤10）的过程中，终止抗弯矩实验时，记录终止抗弯矩实验时加载的油压数值，通过式式1和以下公式换算得到上法兰和下法兰的极限弯矩：
M=F×R 式2
式中，M为上法兰（1）和下法兰（2）的弯矩，Nm；R 为加载液压缸（7）中心轴线与上法兰（1）中心轴线之间的距离，mm；
13）、多次改变高压泵站注入储液沉孔（4）内的水压，重复步骤2）的阶梯式注水过程，再依次重复步骤10）—步骤12），获得上法兰（1）和下法兰（2）在不同工作压力下的极限弯矩。
2.根据权利要求1所述的一种基于超高压非标准法兰实验装置的实验方法，其特征在于：所述的步骤（2）的注水加压过程为阶梯式加载，每次加载的水压为设定加载压力的10%，加载设定加载压力10%的压力后保压5min，确认无泄漏后，再依次重复上述过程继续加压，直至储液沉孔（4）内压力达到设定的加载压力。
3.根据权利要求1所述的一种基于超高压非标准法兰实验装置的实验方法，其特征在于：所述的拉伸应力的换算公式为：
拉伸应力=轴向应变×弹性模量式3
式中：轴向应变为应变片测得的装配螺栓（3）轴向上的线应变；弹性模量为装配螺栓（3）的弹性模量，Mpa。
4.根据权利要求1所述的一种基于超高压非标准法兰实验装置的实验方法，其特征在于：所述的合成应力计算方法为：通过采集的上法兰（1）上应变片的线应变以及以下公式换算沿主应力方向的主应变：
Figure 903744DEST_PATH_IMAGE001
式中：ε 1、ε 2为沿主应力方向的主应变，
Figure 555305DEST_PATH_IMAGE003
为沿水平方向的线应变，
Figure 800954DEST_PATH_IMAGE005
为与水平方向夹角45°的线应变，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为与水平方向夹角为90°的线应变；
通过主应变和以下公式计算主应力：
Figure 399426DEST_PATH_IMAGE008
式中：σ 1、σ 2和σ 3分别为三个主应力方向的主应力，MPa；E为上法兰（1）或下法兰（2）的弹性模量，MPa；μ为上法兰（1）或下法兰（2）的泊松比；
通过主应变和以下公式计算合成应力：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
式中：σ为范式应力，MPa。
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60238741A (ja) * 1984-05-11 1985-11-27 Shimadzu Corp せん断試験装置
US6463791B1 (en) * 1998-02-13 2002-10-15 Guy Berube Weld testing assembly
JP2004028942A (ja) * 2002-06-28 2004-01-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 金属ガスケットの評価試験方法及びその装置
JP2009145138A (ja) * 2007-12-12 2009-07-02 Nippon Steel Corp サイドベンド試験装置及び試験方法
CN101886961A (zh) * 2010-07-26 2010-11-17 西安理工大学 螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置及试验方法
CN202403977U (zh) * 2011-12-02 2012-08-29 自贡高压阀门股份有限公司 阀门焊接端试压装置
CN104483117A (zh) * 2014-12-04 2015-04-01 宝鸡石油机械有限责任公司 一种水下挠性装置的疲劳试验方法及装置
CN204314001U (zh) * 2014-11-28 2015-05-06 武汉工程大学 外弯矩作用下管道法兰应力监测系统
CN104990671A (zh) * 2015-07-22 2015-10-21 大连理工大学 一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置
CN105736584A (zh) * 2016-04-26 2016-07-06 东北石油大学 一种可隔离拉压力与扭矩相互影响的装置
US20180067027A1 (en) * 2015-03-13 2018-03-08 Stress Engineering Services, Inc. Large Sample Testing Device, Method, and System
EP3570002A1 (fr) * 2018-05-14 2019-11-20 Centre Scientifique et Technique du Batiment Méthode de caractérisation de la résistance à l'effort tranchant d'une poutre, et système associé
CN211668975U (zh) * 2019-11-13 2020-10-13 吉林大学 拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器
CN112630055A (zh) * 2021-03-09 2021-04-09 天津航天瑞莱科技有限公司 一种航空发动机机匣热静耦合试验系统

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60238741A (ja) * 1984-05-11 1985-11-27 Shimadzu Corp せん断試験装置
US6463791B1 (en) * 1998-02-13 2002-10-15 Guy Berube Weld testing assembly
JP2004028942A (ja) * 2002-06-28 2004-01-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 金属ガスケットの評価試験方法及びその装置
JP2009145138A (ja) * 2007-12-12 2009-07-02 Nippon Steel Corp サイドベンド試験装置及び試験方法
CN101886961A (zh) * 2010-07-26 2010-11-17 西安理工大学 螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置及试验方法
WO2012013137A1 (zh) * 2010-07-26 2012-02-02 西安理工大学 螺栓结合面单元全载荷静特性试验装置及试验方法
CN202403977U (zh) * 2011-12-02 2012-08-29 自贡高压阀门股份有限公司 阀门焊接端试压装置
CN204314001U (zh) * 2014-11-28 2015-05-06 武汉工程大学 外弯矩作用下管道法兰应力监测系统
CN104483117A (zh) * 2014-12-04 2015-04-01 宝鸡石油机械有限责任公司 一种水下挠性装置的疲劳试验方法及装置
US20180067027A1 (en) * 2015-03-13 2018-03-08 Stress Engineering Services, Inc. Large Sample Testing Device, Method, and System
CN104990671A (zh) * 2015-07-22 2015-10-21 大连理工大学 一种用于研究振动环境下法兰密封性的装置
CN105736584A (zh) * 2016-04-26 2016-07-06 东北石油大学 一种可隔离拉压力与扭矩相互影响的装置
EP3570002A1 (fr) * 2018-05-14 2019-11-20 Centre Scientifique et Technique du Batiment Méthode de caractérisation de la résistance à l'effort tranchant d'une poutre, et système associé
CN211668975U (zh) * 2019-11-13 2020-10-13 吉林大学 拉扭复合-力热耦合工况下材料力学性能测试仪器
CN112630055A (zh) * 2021-03-09 2021-04-09 天津航天瑞莱科技有限公司 一种航空发动机机匣热静耦合试验系统

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