CN114279860A - 一种大口径管屈曲实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径管屈曲实验装置及方法，通过在实验圆筒两个端面之间固定螺杆，在螺杆上设置电热丝，在圆桶下部设置电加热器，通过电加热控制实验圆筒热膨胀的方法进行弯矩加载，避免了采用常规液压缸加载进行大口径管屈曲实验，本发明可采用相对较短的圆筒进行屈曲实验，具有结构紧凑、成本低、功能强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及压力管道领域，具体涉及一种大口径管屈曲实验装置及方法。
背景技术
大口径管在运行过程中比常规口径管道更易发生局部屈曲失稳，因此，各国对大口径管屈曲应力和应变进行大量的理论研究，并制定了相应的设计规范来保证大口径管的运行安全，例如我国的《CJJT 81-2013城镇供热直埋热水管道技术规程》等；大口径管发生屈曲时可以是弹性的也可能是塑性的，或者两者同时存在，虽然大量的学者从弹性力学、塑性力学或弹塑性力学等角度出发，研究屈曲应力大小并给出了最小壁厚计算公式，但研究的基本假设为管截面为理想圆形；然而，实际的管截面并不是规整圆形，往往带有一定的椭圆度或其他缺陷；因此导致理论上认为已经相对保守的厚度计算公式仍存在较大风险，因此各个国家在标准中对理论公式进行一定程度的修改以保证安全。
在以往的研究中，不少研究者对管道屈曲进行了大量的物理实验以对理论公式进行校验；经物理实验数据校核，欧洲标准《EN 13941-1-2019》最偏于保守但管道的设计壁厚也最大；随着目前大管口径管的发展，最大直径已达DN1400mm，以前小管径的实验数据无法保证大口径管的安全，因此迫切需要大口径管的实验数据来保障；在以往的物理实验中，一般采用直管受弯矩的方式进行局部屈曲实验，例如管线一端固定另一端采用液压缸加载横向力矩；考虑到边界效应，为提高实验的准确性需要将实验管道的长度设置为管道直径的10倍以上，这对小口径管是可行的，但对于DN1400mm的大口径管，仍采用液压缸加载的方式难度大、精度差。
发明内容
本发明目的是提供一种集大口径管的椭圆度检测和屈曲实验为一体的实验装置及方法。
一种大口径管屈曲实验装置，其特征在于包括支架、轴承、中心轴、连接件，支架包括一个底板及两个侧板，两个侧板分别与底板连接并相对设置，实验对象位于两个侧板之间，本发明中实验对象为实验圆筒；
两个连接件分别固定于实验圆筒的两端；两个连接件上均设置多个过孔，一端连接件上的一个过孔与另一端连接件上的一个过孔相对称设置；
螺杆穿过两端连接件上对称设置的一对过孔后对螺杆进行固定；螺杆上设置有加热部件；
两端的连接件朝向支架的一面上分别焊接有中心轴，中心轴的一端连接在连接件上，另一端设置有轴承，轴承通过轴承套连接在支架上，其中一个中心轴的一端通过联轴器与电机相连；
支架的底板上安装有导轨，导轨上安装有千分表，千分表的顶针与实验圆筒外表面相接触；
应变片设置在实验对象上部外表面，应变片连接应变仪；电加热器设置在实验对象下部内表面，热电偶设置在实验对象下部外表面，热电偶与温控仪有线连接。
进一步的是，所述的连接件为法兰，两个法兰分别固定于实验圆筒的两端。
进一步的是，所述的两端法兰上对称设置有的多个过孔为六个或八个。
进一步的是，所述的实验圆筒内部水平中分面上搁置有水平分隔板，将实验圆筒分隔为上下两个独立的腔室。
进一步的是，一端发兰的上部设置有冷却气体进口，另一端法兰的上部设置有冷却气体出口。
进一步的是，所述的螺杆是六个或八个，每根螺杆穿过两端法兰上相对的一对过孔后，用螺母对螺杆进行固定。
进一步的是，所述的加热部件为电热丝，电热丝缠绕在多个螺杆中最上端的两个螺杆上。
通过所述的大口径管屈曲实验装置进行大口径管屈曲实验的方法，包括以下步骤：
①实验圆筒椭圆度检测，如椭圆度检测不合格，则更换实验圆筒；
②如椭圆度检测合格，在实验圆筒上部设置应变片，应变片与应变仪连接；在实验圆筒下部外表面设置热电偶，热电偶与温控仪相连；
③设定一个数值，当应变仪的显示值达到所述设定值时，表示实验圆筒产生的应变达到实验要求；如应变仪的显示值未达到所述设定值时，表示实验圆筒产生的应变未达到实验要求。
④预压加载：将所有螺母在螺杆上拧紧，将最上端两根螺杆上的电热丝通电加热，加热过程完成后，再一次拧紧最上端两根螺杆上的螺母；待最上端两根螺杆冷却后，螺杆冷却收缩，在实验圆筒上部产生较大的压缩应力；
如应变仪上的数值显示实验圆筒应变达到实验要求，应变仪上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪上的数值计算出实验圆筒5产生相应应变时所受到的外力F1，根据得出的F1进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束；
如预压加载并未使应变仪上显示的数值达到设定值，则进行热应力加载；
启动电加热器进行加热，实验圆筒下部受热膨胀，在实验圆筒上部产生压缩应力；
如应变仪上的数值显示实验圆筒的应变达到实验要求，应变仪上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪上的数值计算出实验圆筒产生相应应变时所受到的外力F2，根据F1及F2之和进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束；
如热应力加载并未使应变仪上显示的数值达到设定值，则在对电加热器进行加热的同时，从实验圆筒上部的冷却气进口通入冷却气体；
实验圆筒下部受热膨胀及上部冷却收缩共同产生压缩应力使实验圆筒产生应变；应变仪上的数值显示实验圆筒的应变达到实验要求，应变仪上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪上的数值计算出实验圆筒产生相应应变时所受到的外力F3，根据F1、F2及F3三者之和进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束。
进一步的是，所述的椭圆度检测方法为：
将千分表放在水平导轨的一端，启动电机带动实验圆筒旋转，实验圆筒旋转一周的过程中，读取千分表上的数值，千分表显示的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据千分表的数值计算出椭圆度；停止电机；将千分表在水平导轨上由一端向另一端移动，再次启动电机带动实验圆筒旋转，再次读取千分表上的数值，通过软件计算椭圆度，停止电机；重复将千分表在水平导轨上向另一端移动，重复上述步骤，计算实验圆筒沿长度方向上多处椭圆度，计算多处椭圆度的平均值。
本发明的有益效果是：
以DN1400*10的大口径管为例，如采用端部液压加载的方式进行屈曲实验，为提高实验的准确性，其实验段的长度应当是管道直径的10倍以上，则实验圆筒长度必须大于14米，需要采用100吨级的液压缸，且实验圆筒固定端必须有足够大的刚度，需要配套庞大的基础设施；而采用本发明所提出的实验方案，实验段长度可仅为1米，且利用实验圆筒上下部相互约束，避免外部的庞大基础设施。
本发明通过电加热控制热膨胀的方法进行弯矩加载，避免了采用常规液压缸加载，可采用相对较短的圆筒进行屈曲实验，具有结构紧凑、成本低、功能强等特点。
附图说明
图1为本发明示意图。
图2为本发明法兰与实验圆筒连接示意图。
图3为本发明设置应变仪及电加热器的示意图。
支架1；轴承2；中心轴3；法兰4；实验圆筒5；螺母6；螺杆7；电热丝8；联轴器9；电机10；带输出千分表11；水平导轨12；水平分隔板13；电加热器14；应变片15；应变仪16；热电偶17；温控仪18；冷却气进口19；冷却气出口20。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，一种大口径管屈曲实验装置，包括支架1、轴承2、中心轴3、连接件，所述的连接件为法兰4，本实验装置包括两个法兰，两个法兰4相对设置于实验对象的两端；本发明中，实验对象是实验圆筒5，法兰4相对设置于实验圆筒5的两端。
实验圆筒5为圆柱体，一般由高强度钢材料制作；如图1及图2所示，实验圆筒5的两端分别与两端的法兰4焊接为整体，法兰4为圆形，每个法兰4上沿圆周均匀布置六个或八个过孔；如图2所示，法兰4的圆形面积大于实验圆筒5两端的圆形面积，法兰4将实验圆筒5两个圆形端面密封，两端法兰4上的六个或八个过孔均匀分布在实验圆筒5两端圆面的圆周外围；两端法兰4上的所述过孔相对称设置，左端法兰4上的每一个过孔与右端法兰4上的一个过孔相对称设置；螺杆7穿过两端的法兰4上相对的一对过孔并用螺母6对螺杆7进行固定；螺杆7可以是六个或八个，其中两个螺杆7上缠绕有电热丝8，如图1及图2所示，穿过图2中最上面两个过孔的螺杆7即位置处于最高的两个螺杆7上缠绕电热丝8，通过电热丝8对处于最高位置的两个螺杆7进行加热。
支架1包括一个底板及两个侧板，两个侧板分别与底板连接并相对设置，支架1采用高强度钢制成；实验圆筒5位于支架1两个侧板之间。
两端的法兰4中心焊接有中心轴3，两端的法兰4朝向支架1一面的中心分别焊接有中心轴3，如图1所示，中心轴3的一端连接在法兰4上，另一端的上下两面各安装有轴承2，支架1上设置有与轴承2配套使用的轴承套，轴承2通过轴承套连接在支架1上。
如图1所示，右边一个中心轴3的右端连接联轴器9的一端，所述联轴器9的一端穿过支架1的表面与中心轴3的右端连接，联轴器9的另一端连接电机10，电机10旋转时，在联轴器9的带动下，中心轴3、中心轴3上安装的多个轴承2及实验圆筒5同时在电机的作用下旋转。
在支架1的底板上安装有水平导轨12，导轨12上安装有带数字输出的千分表11，千分表11底部包括一个底座，千分表11通过底座与导轨12滑动连接；千分表11与计算机有线连接，千分表11的顶针与实验圆筒5外表面相接触。
如1图所示，千分表11位于圆筒的正下方，法兰4上的过孔沿法兰圆周方向均匀分布，避免千分表11与穿过过孔的螺杆7发生干涉。
实验圆筒5上部外表面设置有若干应变片15，应变片15通过粘胶粘在实验圆筒5的外表面，应变片15与应变仪16有线连接，应变仪16与计算机有线连接；实验圆筒5下部内表面安装有电加热器14，下部外表面布置有若干热电偶17，电加热器14通过粘胶或螺钉固定在实验圆筒5下部内表面，在一端法兰4的下部开一个圆孔，电加热器14的连接线通过所述圆孔连接外部电源；热电偶17通过粘胶或焊接方式固定在实验圆筒5的外表面，热电偶17与温控仪18有线连接。
在实验圆筒5内部水平中分面上搁置有水平分隔板13，将实验圆筒5分隔为上下两个独立的腔室，两个腔室体积相同；为了不影响实验圆筒5屈曲实验，水平分隔板13采用轻质的塑料板；图1中左右两侧的法兰4上部分别设置有一个开孔，分别为冷却气体进口19和冷却气体出口20，冷却气体仅可进入上部腔室。
一种通过所述的大口径管屈曲实验装置进行大口径管屈曲实验的方法，包括以下步骤：
先进行椭圆度检测，将千分表11放在水平导轨12的最右端，启动电机10带动实验圆筒5旋转，实验圆筒5筒旋转时，千分表11指针跳动，在实验圆筒5旋转一周的过程中，读取千分表11上的数值，千分表11显示的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据千分表的数值计算出椭圆度；停止电机10，将千分表11在水平导轨12上由右向左移动，再次启动电机10带动实验圆筒5旋转，再次读取千分表11上的数值，通过软件计算椭圆度，停止电机10；重复将千分表11在水平导轨12上由右向左移动，重复上述步骤，计算实验圆筒5沿长度方向上多处椭圆度，计算多处椭圆度的平均值计为实验圆筒5的椭圆度。
如求出的椭圆度的值不在行业规定的范围内，则所述实验圆筒5不合格，需更换实验圆筒；如求出的平均椭圆度值在行业规定的范围内，具体是所述平均椭圆度值符合《GB/T3091-2008低压流体输送用焊接钢管》关于椭圆度的标准要求，则所述实验圆筒5合格，可以继续实验。
在实验圆筒5椭圆度合格的情况下，进行下一步实验。
在椭圆度检测合格后在实验圆筒5上部设置若干应变片15，应变片15与应变仪16相连，并进行动态平衡和归零处理；在实验圆筒5下部外表面设置若干热电偶17，用于测量实验圆筒5下部的温度，热电偶17与温控仪18相连，并进行温度校准，通过温控仪18监控实验圆筒5下部温度，控制实验圆筒5下部温度在实验要求的范围内。
针对应变仪16设定一个数值，所述数值应当符合国际或欧标屈曲应变率的标准要求，当应变仪16的显示值达到所述设定值时，表示实验圆筒5产生的应变达到实验要求；如应变仪16的显示值未达到所述设定值时，表示实验圆筒5产生的应变未达到实验要求。
预压加载：将所有螺母6在螺杆7上拧紧，将最上面的两根螺杆7上的电热丝8通电加热至100-400℃，最上面的两根螺杆7受热膨胀伸长，待加热过程完成后，再一次拧紧最上面两根螺杆7上的螺母6；待最上面的螺杆7冷却后，螺杆7冷却收缩，在实验圆筒5上部产生较大的压缩应力；
此时实验圆筒5在所述压缩应力的作用下产生应变，应变片15紧贴实验圆筒5，应变片15同时产生相应变化，与应变片15连接的应变仪16显示相应的数值，如应变仪16上的数值显示实验圆筒5的应变达到实验要求，应变仪16上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪16上的数值计算出实验圆筒5产生相应应变时所受到的外力F1，工作人员可以根据得出的F1进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束。
如上述步骤中的预压加载并未使应变仪16上显示的数值达到设定值，即实验圆筒5的应变未达到实验要求的应变，则继续进行热应力加载实验。
热应力加载：启动实验圆筒5下部的电加热器14，加热至100-400℃，实验圆筒5下部受热膨胀，亦在实验圆筒5上部产生压缩应力，如此时应变仪16上的数值显示实验圆筒5的应变达到实验要求，应变仪16上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪16上的数值计算出实验圆筒5产生相应应变时所受到的外力F2，工作人员可以根据得出的F1和F2之和进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束。
如上述步骤中的热应力加载并未使应变仪16上显示的数值达到设定值，即实验圆筒5的应变未达到实验要求的应变，则在对电加热器14进行加热的同时，从实验圆筒5上部的冷却气进口19向实验圆筒5上部通入冷却气体如低温氮气、低温二氧化碳等，实验圆筒5下部受热膨胀的同时实验圆筒5上部冷却收缩，实验圆筒5下部受热膨胀及上部冷却收缩共同产生压缩应力使实验圆筒5产生应变；应变仪16上的数值显示实验圆筒5的应变达到实验要求，应变仪16上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪16上的数值计算出实验圆筒5产生相应应变时所受到的外力F3，屈曲实验结束；工作人员可以根据得出的F1、F2及F3三者之和进一步计算大口径管的最小壁厚。
实验圆筒5上部通入冷却气体为加载压缩应力的辅助手段，如仅采用实验圆筒5下部电加热器14加热的方式可以使实验圆筒5产生实验所要求的形变，可以不使用通入冷却气体的辅助手段；因加强刚制作的实验圆筒5在不同温度时弹性模量不同，当启动该辅助手段时，需要测量上部圆筒上的温度，对圆筒的弹性模量进行修正，具体是因材料在不同温度时弹性模量不同，在通入冷气前需要测量实验圆筒5上部的温度，通过查找工具书确定对应温度时实验圆筒5的弹性模量，以准确计算圆筒的应变值。
根据行业规范，DN1400*10的屈曲应变小于0.3％，根据钢材料的一般热膨胀系数为1.2*10-5，根据现有计算公式0.003/1.2*10-5＝250,因而在实验圆筒上产生250℃的温差，即可形成0.3％的应变；以长度1m、DN1400*10的实验圆筒5计算，在实验圆筒5两端共布置8根螺杆7，最上端两根螺杆7的长度为80mm,最上端两根螺杆7截面积之和为0.01m2，计算公式为两倍的π乘以螺杆半径的平方，即2*3.14*0.04*0.04＝0.01m2；而圆筒截面上部面积为0.02198m2，计算公式为π乘以半径再乘以厚度，即3.14*0.7*0.01＝0.02198m2；如将最上端的两根螺杆7两端连线，可形成一个方形，所述方形中心至实验圆筒5中心的距离为L1；采用水平分隔板13将实验圆筒5分成上下两个腔室，实验圆筒5上部腔室两侧截面的形心距离为L2；L1与L2的比值为2.335；因此，在螺栓上施加100℃的温差值，可以约在其圆筒上部产生106℃产生的热应变，具体计算公式为100*0.01*2.335/0.02198＝106；控制温差量约为250℃，可产生0.3％屈曲应变，250℃与106℃之差为144℃；因此，后续在下半圆筒下只需要产生144℃温差值，可以满足屈曲应变0.3％的需求。考虑到圆筒上下部之间的热传递，可以考虑增加下部的加热温度或在上面导入冷气方式进行冷却。
最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
Claims (8)
1.一种大口径管屈曲实验装置，其特征在于包括支架(1)、轴承(2)、中心轴(3)、连接件，支架(1)包括底板及两个侧板，两个侧板分别与底板连接并相对设置，两个侧板之间用于放置实验对象；
两个连接件分别固定于实验对象的两端；两个连接件上均设置多个过孔，一端连接件上的一个过孔与另一端连接件上的一个过孔相对称设置；
螺杆(7)穿过两端连接件上对称设置的一对过孔后对螺杆进行固定；螺杆(7)上设置有加热部件；
两端的连接件朝向支架(1)的一面上分别焊接有中心轴(3)，中心轴(3)的一端连接在连接件上，另一端设置有轴承(2)，轴承(2)通过轴承套连接在支架上(1)，其中一个中心轴(3)的一端通过联轴器(9)与电机(10)相连；
支架(1)的底板上安装有导轨(12)，导轨(12)上安装有千分表(11)，千分表(11)的顶针与实验对象外表面相接触；
应变片(15)设置在实验对象上部外表面，应变片(15)连接应变仪(16)；电加热器(14)设置在实验对象下部内表面，热电偶(17)设置在实验对象下部外表面，热电偶(17)与温控仪(18)有线连接。
2.如权利要求1所述的大口径管屈曲实验装置，其特征在于所述的连接件为法兰(4)，两个法兰(4)分别固定于实验对象的两端。
3.如权利要求1或2所述的大口径管屈曲实验装置，其特征在于所述的两端的法兰(4)上对称设置有的多个过孔为六个或八个。
4.如权利要求2所述的大口径管屈曲实验装置，其特征在于一端发兰(4)的上部设置有冷却气体进口(19)，另一端法兰(4)的上部设置有冷却气体出口(20)。
5.如权利要求1所述的大口径管屈曲实验装置，其特征在于所述的螺杆(7)是六个或八个，每根螺杆(7)穿过两端法兰(4)上相对的一对过孔后，用螺母(6)对螺杆(7)进行固定。
6.如权利要求1所述的大口径管屈曲实验装置，其特征在于所述的加热部件为电热丝(8)，电热丝(8)缠绕在多个螺杆(7)中最上端的两个螺杆(7)上。
7.利用权利要求1所述的大口径管屈曲实验装置进行大口径管屈曲实验的方法，包括以下步骤：
①实验对象椭圆度检测，如椭圆度检测不合格，则更换实验对象；
②如椭圆度检测合格，在实验对象上部设置应变片(15)，应变片(15)与应变仪(16)连接；在实验对象下部外表面设置热电偶(17)，热电偶(17)与温控仪(18)相连；
③设定一个数值：当应变仪(16)的显示值达到所述设定值时，表示实验对象产生的应变达到实验要求；如应变仪(16)的显示值未达到所述设定值时，表示实验对象产生的应变未达到实验要求。
④预压加载：将所有螺母(6)在螺杆(7)上拧紧，将最上端两根螺杆(7)上的电热丝(8)通电加热，加热过程完成后，再一次拧紧最上端两根螺杆(7)上的螺母(6)；待最上端两根螺杆(7)冷却后，螺杆(7)冷却收缩，在实验对象上部产生较大的压缩应力；
如应变仪(16)上的数值显示实验对象应变达到实验要求，应变仪16上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪(16)上的数值计算出实验对象产生相应应变时所受到的外力F1，根据得出的F1进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束；
⑤如预压加载并未使应变仪(16)上显示的数值达到设定值，则进行热应力加载；
启动电加热器(14)进行加热，实验对象下部受热膨胀，在实验对象上部产生压缩应力；
如应变仪(16)上的数值显示实验对象的应变达到实验要求，应变仪(16)上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪(16)上的数值计算出实验对象产生相应应变时所受到的外力F2，根据F1及F2之和进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束；
⑥如热应力加载并未使应变仪(16)上显示的数值达到设定值，则在对电加热器(14)进行加热的同时，从实验对象上部的冷却气进口(19)通入冷却气体；
实验对象下部受热膨胀及上部冷却收缩共同产生压缩应力使实验对象产生应变；应变仪(16)上的数值显示实验对象的应变达到实验要求，应变仪(16)上的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据此时应变仪(16)上的数值计算出实验对象产生相应应变时所受到的外力F3，根据F1、F2及F3三者之和进一步计算大口径管的最小壁厚，屈曲实验结束。
8.如权利要求7所述的大口径管屈曲实验的方法，其特征在于所述的椭圆度检测方法为：
将千分表(11)放在水平导轨(12)的一端，启动电机(10)带动实验对象旋转，实验对象旋转一周的过程中，读取千分表(11)上的数值，千分表(11)显示的数值自动传输至计算机，通过软件计算，根据千分表的数值计算出椭圆度；停止电机(10)；将千分表(11)在水平导轨(12)上由一端向另一端移动，再次启动电机(10)带动实验对象旋转，再次读取千分表(11)上的数值，通过软件计算椭圆度，停止电机(10)；重复将千分表(11)在水平导轨(12)上向另一端移动，重复上述步骤，计算实验对象沿长度方向上多处椭圆度，计算多处椭圆度的平均值。
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