CN114199684A - 一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,所述装置包括:加载装置,所述加载装置按照加载管段的预设工况进行布设,其中,所述加载管段置于加载平台中心位置,按照预设长度对所述加载管段进行网格划分;传感器,所述传感器布设于所述加载管段的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器进行安装。解决了现有技术应力试验不同应力状态需采用不同的实验装置,不仅复杂而且也不适用于管道这种有曲率的对象的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及应力检测领域,尤其涉及一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置。
背景技术
随着我国油气管道里程的跨越式发展以及国家油气管网的初具规模,长输油气管道面临的风险问题越来越多,其中一个主要影响因素就是管道由外载荷引起的应力超过管道的最大屈服极限而引起材料失效。这些外载荷可能是内压产生或者由于管道组对焊接引起应力变化,也可能是后期运营过程中由土体作用引起的载荷变化等等。但无论是何种原因引起的外载荷变化,最终无疑均会以各类形式作用在管道本体上。一般长输油气管道经常遭遇的地质灾害类型有滑坡、断层、冻土、泥石流等几种形式,作用于管道上可模型化为拉伸、压缩、剪切、弯曲几种载荷类型。在实验室研发一种装置可以同时模拟以上几种力学状态,可以有助于探索实际管道的受力状态,也可以准确标定出各个位置点在不同载荷大小下的应力状态,可有助于应力检测设备的标定。若能检测出这些应力则可极大程度降低应力对管道的风险。
但在实现本发明实施例中发明技术方案的过程中,发现上述技术至少存在如下技术问题:
现有应力试验不同应力状态需采用不同的实验装置,不仅复杂而且也不适用于管道这种有曲率的对象。
发明内容
本发明实施例通过提供一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,解决了现有技术应力试验不同应力状态需采用不同的实验装置,不仅复杂而且也不适用于管道这种有曲率的对象的技术问题。达到通过本实验装置不仅可以用于不同管径、材质的管道,而且可以获取拉伸、弯曲、拉弯结合等不同的加载工况,同时完美贴近了铰支约束,降低了应力集中的影响,使管道各个位置的应力、位移大小都可准确计算,可用于探索外载荷作用下管道应力的变化规律,以及管道应力检测监测设备的标定、校准的技术效果。
鉴于上述问题,本发明实施例提供一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置。其中,所述装置包括:加载装置,所述加载装置按照加载管段的预设工况进行布设,其中,所述加载管段置于加载平台中心位置,按照预设长度对所述加载管段进行网格划分;传感器,所述传感器布设于所述加载管段的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器进行安装。
优选的,所述装置还包括:滑道,所述滑道位于所述加载管段背面,用于所述加载装置的位置布设;背板,所述背板置于所述加载管段背面,用于固定所述滑道。
优选的,所述装置还包括:保护装置,所述保护装置位于所述加载管段的两端,用于保护固定所述加载管段的管端;辊轴,所述辊轴位于所述加载管段的两端,和所述加载管段的管径配合安装。
优选的,所述装置还包括:立杆,所述立杆与所述辊轴轴承连接,用于支撑所述辊轴。
优选的,所述装置还包括:连接工装,所述连接工装连接于所述加载装置,避免对所述加载管段造成应力集中。
优选的,所述装置还包括:支撑滚轮,所述支撑滚轮按照所述预设长度放置于所述加载管段下方,当所述加载管段受到应力加载时用于在所述滑道上进行滑动。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案,至少具有如下技术效果或优点:
本发明提供了一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,所述装置包括:加载装置,所述加载装置按照加载管段的预设工况进行布设,其中,所述加载管段置于加载平台中心位置,按照预设长度对所述加载管段进行网格划分;传感器,所述传感器布设于所述加载管段的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器进行安装。达到通过本实验装置不仅可以用于不同管径、材质的管道,而且可以获取拉伸、弯曲、拉弯结合等不同的加载工况,同时完美贴近了铰支约束,降低了应力集中的影响,使管道各个位置的应力、位移大小都可准确计算,可用于探索外载荷作用下管道应力的变化规律,以及管道应力检测监测设备的标定、校准技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置的结构示意图;
图2为本发明实施例一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置的结构仰视图;
图3为本发明实施例一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置的支撑滚轮局部图;
附图标记说明:滑道1,背板2,加载管段3,加载装置4,传感器5,连接工装6,保护装置7,辊轴8,立杆9,支撑滚轮10。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征、优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体的实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多的不同于在此描述的其他方式予以实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示唯一的实施方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明实施例的说明书中使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在限制本发明实施例。本文中所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
技术构思
本发明提供了一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,解决了现有技术应力试验不同应力状态需采用不同的实验装置,不仅复杂而且也不适用于管道这种有曲率的对象的技术问题。
针对上述技术问题,本发明提供的技术方案总体思路如下:
本发明中的技术方案,总体装置如下:加载装置,所述加载装置按照加载管段的预设工况进行布设,其中,所述加载管段置于加载平台中心位置,按照预设长度对所述加载管段进行网格划分;传感器,所述传感器布设于所述加载管段的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器进行安装。达到通过本实验装置不仅可以用于不同管径、材质的管道,而且可以获取拉伸、弯曲、拉弯结合等不同的加载工况,同时完美贴近了铰支约束,降低了应力集中的影响,使管道各个位置的应力、位移大小都可准确计算,可用于探索外载荷作用下管道应力的变化规律,以及管道应力检测监测设备的标定、校准的技术效果。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,本发明实施例提供了一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,其中,所述装置包括:加载装置4,所述加载装置4按照加载管段3的预设工况进行布设,其中,所述加载管段3置于加载平台中心位置,按照预设长度对所述加载管段3进行网格划分;传感器5,所述传感器5布设于所述加载管段3的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器5进行安装。
具体而言,所述加载装置4优选为伺服直线作动器,伺服直线作动器是电液伺服系统中的执行元件,通过对负载施加可控的推、拉等作用力,实现对负载的速度、方向、位移、力的控制。伺服直线作动器由具有压力的液压油推动负载运动,并将液压能转换成机械能,可以进行直线往复运动。所述加载装置4按照加载管段3的预设工况进行布设,所述预设工况是管道的外载荷工况,包括拉伸、压缩、剪切、弯曲几种载荷类型。不同的外载荷工况,所述加载装置4的布设也不同,如模拟管道受弯曲应力作用,所述加载装置4布设与所述加载管段3的正中间进行下压加载模拟;模拟管道受剪切应力作用,两个所述加载装置4位于距所述加载管段3管端相同长度处进行不同上下方向加载模拟。
所述加载管段3置于加载平台的中心位置,按照预设长度对所述加载管段3进行网格划分,所述预设长度可自行设定,优选为1m,在管道上用油漆笔每1m划分网格,依据划分疏密要求调整,在实验中可以更精确的对管道进行加载模拟。传感器5,所述传感器5布设于所述加载管段3的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器5进行安装,所述预设安装要求是传感器的安装要求,包括应力、应变、位移、温度等各类传感器,在管壁上布设点式、准分布式、分布式各类传感器,所有位置均可布设应变、位移传感器,将管壁待检测应力的点打磨至应力检测所需的状态进行应力检测。该装置可用于不同管径长输油气管道试验,模拟各类力学工况,约束方式可以最大限度逼近铰支约束,使各工况下管段上各点的应力、位移值可量化、可控,实现管道外载荷工况的模拟,进而可用于探索外载荷作用下管道应力的变化规律。
进一步的,所述装置还包括:滑道1,所述滑道1位于所述加载管段3背面,用于所述加载装置4的位置布设;背板2,所述背板2置于所述加载管段3背面,用于固定所述滑道1。
具体而言,所述滑道1位于所述加载管段3背面,用于所述加载装置4的位置布设,所有滑道1均可布设所述加载装置4,通过调整所述加载装置4的位置即可模拟不同载荷工况,包括模拟管道受弯曲应力作用,模拟管道受拉伸应力作用,模拟管道受拉弯应力作用,模拟管道受剪切应力作用等。所述背板2置于所述加载管段3背面,用于固定所述滑道1,是支撑助板,使得所述滑道1的位置固定不变。通过滑道模拟各类力学工况,获取拉伸、弯曲、拉弯结合等不同的加载工况,使管道各个位置的应力、位移大小都可准确计算的技术效果。
进一步的,所述装置还包括:保护装置7,所述保护装置7位于所述加载管段3的两端,用于保护固定所述加载管段3的管端;辊轴8,所述辊轴8位于所述加载管段3的两端,和所述加载管段3的管径配合安装。
进一步的,所述装置还包括:立杆9,所述立杆9与所述辊轴8轴承连接,用于支撑所述辊轴8。
具体而言,所述保护装置7位于所述加载管段3的两端,用于保护固定所述加载管段3的管端,所述保护装置7优选为管端保护夹具,起到夹紧固定管道的作用,同时保护管道在实验过程中因受力发生磨损掉落等情况。所述辊轴8优选为带轴承滚动铰支约束辊轴,铰支约束是约束了辊轴在X向和Y向的位移,但可以以铰为中心转动,位于所述加载管段3的两端,和所述加载管段3的管径配合安装,管道两端插入与管径相适宜的带轴承滚动铰支约束辊轴。所述立杆9优选为固定端约束立杆,与所述辊轴8通过滚动轴承连接,用于支撑所述辊轴8,保证管道的位置固定不变,降低动力传递过程中的摩擦系数和保持辊轴中心位置固定。通过固定管端模拟各类力学工况,降低装置在传动过程中的机械载荷摩擦系数,减少实验误差,进而提高管道实验应力、位移大小的准确性的技术效果。
进一步的,所述装置还包括:连接工装6,所述连接工装6连接于所述加载装置4,避免对所述加载管段3造成应力集中。
具体而言,工装即工艺装备,是指制造过程中所用的各种工具的总称,包括刀具/夹具/模具/量具/检具/辅具/钳工工具/工位器具等。所述连接工装6是作动器连接工装,连接于所述加载装置4,避免对所述加载管段3造成应力集中,应力集中指物体中应力局部增高的现象,能使物体产生疲劳裂纹,也能使脆性材料发生静载断裂。通过作动器连接工装避免造成管道应力集中现象,减少实验误差,进而提高管道实验应力、位移大小精度的技术效果。
进一步的,所述装置还包括:支撑滚轮10,所述支撑滚轮10按照所述预设长度放置于所述加载管段3下方,当所述加载管段3受到应力加载时用于在所述滑道1上进行滑动。
具体而言,所述支撑滚轮10按照所述预设长度放置于所述加载管段3下方,所述预设长度可自行设定,优选为1m,当所述加载管段3受到应力加载时用于在所述滑道1上进行滑动,如模拟管道受弯曲应力作用时,会产生上下位移,通过所述支撑滚轮10在所述滑道1上进行上下滑动。通过支撑滚轮对管道进行支撑,在应力加载时可在滑道上进行上下位移,可模拟管道实际运行过程所受的各类载荷,从而提高管道实验应力准确性的技术效果。
实施例2
为了更清楚的解释用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置的技术方案,本申请实施例提供了用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置的使用方法,具体如下:
管道公司东北某管线,Q345M管材,管径508×4.85mm,长期运营过程中由于季节性冻土导致管道发生变形,运营方决定开挖后检测管道综合应力判定管段安全状态。在该管道的备材库中找到了12m长的一根管道进行试验,两套所述加载装置4位于加载管段3中心两侧1.5m,模拟管道弯曲,测试声弹系数。实验过程中将所述加载装置4每隔1t加载一次,总计加载至10t,取中心位置进行标定,每一工况进行应力检测,试验布置步骤如下:
(1)利用有限元方法,通过本申请实验装置模拟位移加载过程中,待测位置顶端处的应力变化全过程。并利用牛顿插值方法,拟合出应力待测点位置综合应力S(MPa)与加载力F(t)间的函数关系,如式1(10t推力作用)。
S=0.3171F2+42.269F+1.5586 (式1)
(2)在检测点位置放置应力检测探头,检测出超声波的飞行时间t(ns)与应力间的对应关系即为该管道的声弹系数Kc(MPa/ns)。
该系数即为欲得到的铁大线原油管道的标定系数。
(3)加载整数倍位移后的应力与加载位移间的关系如表1所示。通过在某个工况下比较标定数值,检测待测位置点的应力即可用于校准探头入射角及设备参数。通过此步骤可获得探头或设备的校准值Fc(MPa)。
表1
工况 | 加载力(t) | 待测点应力(MPa) |
工况1 | 1 | 43.9821 |
工况2 | 2 | 88.1524 |
工况3 | 3 | 132.516 |
工况4 | 4 | 177.078 |
工况5 | 5 | 221.845 |
工况6 | 6 | 266.824 |
工况7 | 7 | 312.021 |
工况8 | 8 | 357.436 |
工况9 | 9 | 403.084 |
工况10 | 10 | 461.068 |
(4)利用标定好的声弹系数Kc及校准好的设备,即可到铁大线现场通过检测超声波的飞行时间进行综合应力检测,如式2,得到校准后检测点的真实应力(MPa)。
σt=Kctc+Fc (式2)
其中,σt:现场待测点的真实应力(单位:MPa);
Kc:实施例中步骤(3)通过专利装置标定的声弹系数(单位:MPa/ns);
tc:现场通过检测设备检测的超声波飞行时间(单位:ns);
Fc:实施例中通过专利装置获得的针对实施例中管线管材所适用的校准值(单位:MPa)。
(5)利用本申请实验装置,既标定了超声应力检测设备的声弹系数Kc,也校准了设备的准确定,同时也探索了东北管道在外载荷作用下的受力规律。便于现场对管道应力风险进行有效处置与治理。
达到通过本实验装置不仅可以用于不同管径、材质的管道,而且可以获取拉伸、弯曲、拉弯结合等不同的加载工况,同时完美贴近了铰支约束,降低了应力集中的影响,使管道各个位置的应力、位移大小都可准确计算,可用于探索外载荷作用下管道应力的变化规律,以及管道应力检测监测设备的标定、校准的技术效果。
本发明中提供的技术方案,至少具有如下技术效果或优点:
本发明中提供了一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,所述装置包括:加载装置,所述加载装置按照加载管段的预设工况进行布设,其中,所述加载管段置于加载平台中心位置,按照预设长度对所述加载管段进行网格划分;传感器,所述传感器布设于所述加载管段的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器进行安装。达到通过本实验装置不仅可以用于不同管径、材质的管道,而且可以获取拉伸、弯曲、拉弯结合等不同的加载工况,同时完美贴近了铰支约束,降低了应力集中的影响,使管道各个位置的应力、位移大小都可准确计算,可用于探索外载荷作用下管道应力的变化规律,以及管道应力检测监测设备的标定、校准的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,其特征在于,所述装置包括:
加载装置,所述加载装置按照加载管段的预设工况进行布设,其中,所述加载管段置于加载平台中心位置,按照预设长度对所述加载管段进行网格划分;
传感器,所述传感器布设于所述加载管段的管壁上,按照预设安装要求对所述传感器进行安装。
2.如权利要求1所述的一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,其特征在于,所述装置还包括:
滑道,所述滑道位于所述加载管段背面,用于所述加载装置的位置布设;
背板,所述背板置于所述加载管段背面,用于固定所述滑道。
3.如权利要求1所述的一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,其特征在于,所述装置还包括:
保护装置,所述保护装置位于所述加载管段的两端,用于保护固定所述加载管段的管端;
辊轴,所述辊轴位于所述加载管段的两端,和所述加载管段的管径配合安装。
4.如权利要求1所述的一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,其特征在于,所述装置还包括:
立杆,所述立杆与所述辊轴轴承连接,用于支撑所述辊轴。
5.如权利要求1所述的一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,其特征在于,所述装置还包括:
连接工装,所述连接工装连接于所述加载装置,避免对所述加载管段造成应力集中。
6.如权利要求1所述的一种用于标定管道在外载作用下应力状态的实验装置,其特征在于,所述装置还包括:
支撑滚轮,所述支撑滚轮按照所述预设长度放置于所述加载管段下方,当所述加载管段受到应力加载时用于在所述滑道上进行滑动。
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CN114964617A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-30 | 国家石油天然气管网集团有限公司 | 一种用于长输油气管道综合应力检测设备的校准方法 |
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2021
- 2021-12-23 CN CN202111589790.8A patent/CN114199684A/zh active Pending
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CN114964617B (zh) * | 2022-05-30 | 2024-04-02 | 国家石油天然气管网集团有限公司 | 一种用于长输油气管道综合应力检测设备的校准方法 |
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