CN114295486A - 一种柔性内衬外压屈曲试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性内衬外压屈曲试验装置及方法，包括用于形成环状密闭空间的密封系统、用于对柔性内衬施加水压荷载的加载系统以及用于对柔性内衬变形进行实时测量的测量系统。此试验装置能够真实反映破损管道对柔性内衬的刚性约束，实现对内衬变形的实时精确测量，且适用于不同管径的内衬。

Description

一种柔性内衬外压屈曲试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种柔性内衬外压屈曲试验装置及方法，属于地下管网技术领域。

背景技术

地下管网是我国城市基础设施建设的重要组成部分，是保障城市正常运行的重要生命线。由于缺乏定期的管理与恰当的维护，城市地下管网在运行一定年限后经常出现不同程度的变形及破坏。非开挖修复技术能够确保在完全不开挖路面的条件下，将内衬安装到破损管道内部，使得内衬管与破损管道的内壁紧密贴合，形成复合管道结构，进而对城市地下管网进行修复。常用的非开挖修复技术有原位固化法、热塑成型法、螺旋缠绕法及喷涂法等，其使用的内衬材料为树脂及改性PVC等柔性材料。采用非开挖修复技术对破损管道进行半结构性修复时，柔性内衬在原有管道约束及外部荷载（为静水压力）作用下的屈曲特性是内衬壁厚的决定因素，研究柔性内衬的外压屈曲规律，构建柔性内衬外压屈曲模型对推动非开挖修复技术的发展具有重要意义。

目前，现有试验装置通过抽真空的方式对内衬施加外部荷载，专利“一种模拟内衬管屈曲失效的试验装置及方法”通过加压水袋对内衬施加荷载，但二者均采用法兰连接的形式实现密封，并通过工业相机记录内衬局部变形，以判断内衬是否屈曲。采用上述的试验装置及方法缺点在于：由于在内衬与固定套筒之间设置加压水袋，难以反映原有管道对内衬的刚性约束，不合符内衬的实际受力情况。该专利与现有试验装置两端均采用法兰密封，难以适用于不同管径的内衬。此外，二者均通过工业相机记录内衬局部变形，以人为判断内衬是否屈曲，难以测量内衬在不同水压荷载作用下的变形量。

发明内容

本发明提供一种柔性内衬外压屈曲试验装置及方法，此试验装置能够真实反映破损管道对内衬的刚性约束，实现对内衬变形的实时精确测量，且适用于不同管径的内衬。

为实现上述技术特征，本发明采用如下技术方案：一种柔性内衬外压屈曲试验装置，包括用于形成环状密闭空间的密封系统、用于对柔性内衬施加水压荷载的加载系统以及用于对柔性内衬变形进行实时测量的测量系，所述密封系统包括后背墙、承压墙、液压油缸、左侧堵板、右侧堵板、套管、锚固螺栓、破损管道、柔性内衬及U形密封圈；

所述液压油缸通过螺柱连接固定于后背墙上，液压油缸的活塞杆末端与左侧堵板连接；

所述右侧堵板通过第一锚固螺栓固定于承压墙上；

所述左侧堵板及右侧堵板沿径向分别设置有多组环形安装槽，环形安装槽内嵌套安装有用于密封的U形密封圈；

所述左侧堵板和右侧堵板之间安装有套管和带柔性内衬的破损管道。

所述破损管道为带缺陷钢管，能够通过开孔或拉槽方式制造缺陷，并能够通过在破损管道内表面涂覆不同粘结强度的粘接剂，以研究待测试的柔性内衬与破损管道界面粘结强度对柔性内衬屈曲特性的影响。

所述柔性内衬通过原位固化或热塑成型等方法形成，其长度为直径的6-7倍。

所述加载系统包括进水球阀、排水球阀、排气球阀、多级泵、压力表、进水管、排水管及水槽；

所述进水球阀及排水球阀设置于套管的管底，而排气球阀及压力表设置于套管的管顶；

所述进水球阀通过进水管与多级泵连通，多级泵通过进水管与水槽连通；

所述排水球阀通过排水管与水槽连通。

所述测量系统包括PC终端、信号传输电缆、丝杠、限位装置及自行走三维激光扫描设备；

所述丝杠的一端与左侧堵板的中心方孔连接，另一端通过限位轴承限位；

所述限位轴承通过第二锚固螺栓固定于承压墙外侧壁；

所述自行走三维激光扫描设备通过内螺纹安装于丝杠上，并通过信号传输电缆与PC终端相连。

所述自行走三维激光扫描设备由驱动电机、台座、螺纹套筒、三维激光扫描仪、第一传动齿轮和第二传动齿轮构成；

所述驱动电机、三维激光扫描仪通过螺钉连接固定于台座上；

所述台座及第一传动齿轮通过平键连接固定于螺纹套筒上；

所述第二传动齿轮通过平键连接固定于驱动电机上；

所述驱动电机通过第二传动齿轮及第一传动齿轮带动螺纹套筒绕丝杠转动，进而驱动固定于螺纹套筒上的台座以及固定于台座上的三维激光扫描仪绕丝杠转动，并同时驱动其沿丝杠往返移动。

采用任意一项所述试验装置研究柔性内衬在破损管道刚性约束条件下的屈曲特性时，其试验方法包括以下步骤：

步骤一：准备带缺陷的破损管道，并通过原位固化或热塑成型非开挖修复方法对其进行修复，进而形成紧贴破损管道内壁的柔性内衬；

步骤二：通过左侧堵板、右侧堵板以及液压油缸固定套管及破损管道；

步骤三：安装丝杠及自行走三维激光扫描设备，并通过限位轴承对丝杠进行限位；

步骤四：启动自行走三维激光扫描设备，测量柔性内衬的初始形状，并动态测量注水加压过程中柔性内衬的变形情况；

步骤五：打开进水球阀及排气球阀，关闭排水球阀，启动多级泵向套管与破损管道之间的环状密闭空间注入清水，直至完全排除空气；

步骤六：关闭排气球阀，观察压力表的读数，待其达到设计试验水压后，关闭进水球阀及多级泵，保压一定时间；

步骤七：打开进水球阀及多级泵，逐级增加环状密闭空间内的水压，直至柔性内衬出现明显局部变形；

步骤八：打开排水球阀，将环状密闭空间内的清水排入水槽，试验结束。

本发明有如下有益效果：

1、采用原位固化或热塑成型等非开挖修复工艺在破损管道内形成柔性内衬，柔性内衬紧贴原有管道内壁，可真实反映实际工况下原有管道对柔性内衬的刚性约束。

2、通过自行走三维激光扫描设备对柔性内衬在不同水压荷载作用下的变形进行实时精确测量，进而捕捉柔性内衬-原有管道界面失效过程以及柔性内衬屈曲。

3、左右侧堵板沿径向分别设置有多组环形安装槽，使得该试验装置可适用于不同管径的柔性内衬。

4、本发明可准确反映原有管道对柔性内衬的刚性约束，可对柔性内衬在水压荷载作用下的变形进行精确测量，且适用于不同管径柔性内衬的外压屈曲试验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的整体结构剖面图。

图2为本发明的自行走三维激光扫描设备结构图。

图3为本发明的U形密封圈所在位置结构图。

图中：1-后背墙，2-液压油缸，3-左侧堵板，3-1-环形安装槽，3-2-中心方孔，4-套管，5-破损管道，6-自行走三维激光扫描设备，6-1-驱动电机，6-2-台座，6-3-螺纹套筒，6-4-三维激光扫描仪，6-5-传动齿轮，6-6-传动齿轮，7-柔性内衬，8-排气阀，9-压力表，10-丝杠，11-U形密封圈，12-第一锚固螺栓，13-承压墙，14-限位轴承，15-信号传输电缆，16-锚固螺栓，17-PC终端，18-右侧堵板，19-排水球阀，20-水槽，21-排水管，22-进水管，23-多级泵，24-进水球阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-3，一种柔性内衬外压屈曲试验装置，包括用于在试验过程中进行密封的密封系统；所述密封系统与用于对其内部进行加载的加载系统相连；所述密封系统上安装有用于对试验数据进行采集和测量的测量系统。本发明可准确反映原有管道对柔性内衬的刚性约束，可对柔性内衬在水压荷载作用下的变形进行精确测量，且适用于不同管径柔性内衬的外压屈曲试验。

进一步的，所述密封系统包括后背墙1和承压墙13；后背墙1的内侧壁上安装有多个液压油缸2，液压油缸2的活塞杆末端安装有左侧堵板3；承压墙13的内侧壁上通过多组第一锚固螺栓12固定安装有右侧堵板18；左侧堵板3和右侧堵板18之间安装有套管4，套管4的内圈设置有破损管道5。通过采用上述的密封系统能够在试验过程中为套管4提供密闭的高压注水环境，进而便于后续的试验。工作过程中，通过液压油缸2顶紧左侧堵板3，进而通过左侧堵板3将套管4的另一端顶紧在右侧堵板18，进而形成环形密闭空间。

进一步的，所述左侧堵板3和右侧堵板18相对的内侧壁上分别加工有多圈用于安装套管4和破损管道5的环形安装槽3-1，环形安装槽3-1内部嵌套安装有用于密封的U形密封圈11。通过上述的环形安装槽3-1能够用于实现不同直径管道的安装，增强了装置的适应性。

进一步的，所述加载系统包括水槽20，水槽20内部通过进水管22与多级泵23相连通，多级泵23通过进水球阀24与密封系统的套管4相连通；所述套管4的另一端连通有排水管21，排水管21上安装有排水球阀19，排水管21的另一端与水槽20相连通。通过上述的加载系统能够用于对整个装置进行加载，进而提供足够的水压。工作过程中，通过多级泵23从水槽20内部进行抽水，再输送给套管4，进而给套管4施压。

进一步的，所述加载系统还包括连通在套管4顶端的排气阀8和压力表9。通过压力表9能够用于显示压力。

进一步的，所述测量系统包括设置在密封系统的破损管道5内部的丝杠10，丝杠10的一端支撑在密封系统的左侧堵板3的中心孔方孔3-1，另一端支撑安装在限位轴承14上，限位轴承14通过多个第二锚固螺栓16安装在密封系统的承压墙13外侧壁上；丝杠10上通过丝杠传动配合有沿着丝杠行走的自行走三维激光扫描设备6；自行走三维激光扫描设备6通过信号传输电缆15与PC终端17相连。通过上述的测量系统能够用于在试验过程中对内部的柔性内衬7进行外形检测扫面。

进一步的，所述自行走三维激光扫描设备6由驱动电机6-1、台座6-2、螺纹套筒6-3、三维激光扫描仪6-4、第一传动齿轮6-5和第二传动齿轮6-6构成；所述驱动电机6-1、三维激光扫描仪6-4通过螺钉连接固定于台座6-2上；所述台座6-2及第一传动齿轮6-5通过平键连接固定于螺纹套筒6-3上；所述第二传动齿轮6-6通过平键连接固定于驱动电机6-1上；所述驱动电机6-1通过第二传动齿轮6-6及第一传动齿轮6-5带动螺纹套筒6-3绕丝杠10转动，进而驱动固定于螺纹套筒6-3上的台座6-2以及固定于台座6-2上的三维激光扫描仪6-4绕丝杠10转动，并同时驱动其沿丝杠10往返移动。通过上述的自行走三维激光扫描设备6能够用于试验过程中，对柔性内衬7的变形进行检测。

进一步的，所述破损管道5为带缺陷钢管，能够通过开孔或拉槽方式制造缺陷，并能够通过在破损管道5内表面涂覆不同粘结强度的粘接剂，以研究待测试的柔性内衬7与破损管道5界面粘结强度对柔性内衬7屈曲特性的影响。

进一步的，所述柔性内衬7通过原位固化或热塑成型方法形成，其长度为直径的6-7倍。

实施例2：

采用试验装置研究内衬在破损管道刚性约束条件下的屈曲特性试验时，其试验方法包括以下步骤：

步骤一：准备带缺陷的破损管道5，并通过原位固化或热塑成型非开挖修复方法对其进行修复，进而形成紧贴破损管道5内壁的柔性内衬7；

步骤二：通过左侧堵板3、右侧堵板18以及液压油缸2固定套管4及破损管道5；

步骤三：安装丝杠10及自行走三维激光扫描设备6，并通过限位轴承14对丝杠10进行限位；

步骤四：启动自行走三维激光扫描设备6，测量柔性内衬7的初始形状，并动态测量注水加压过程中柔性内衬7的变形情况；

步骤五：打开进水球阀24及排气球阀8，关闭排水球阀19，启动多级泵23向套管4与破损管道5之间的环状密闭空间注入清水，直至完全排除空气；

步骤六：关闭排气球阀8，观察压力表9的读数，待其达到设计试验水压后，关闭进水球阀24及多级泵23，保压一定时间；

步骤七：打开进水球阀24及多级泵23，逐级增加环状密闭空间内的水压，直至柔性内衬7出现明显局部变形；

步骤八：打开排水球阀19，将环状密闭空间内的清水排入水槽20，试验结束。

本发明工作原理：

套管4及破损管道5通过左侧堵板3及右侧堵板18上带U形密封圈11的环形安装槽3-1定位后，液压油缸2对左侧堵板3施加顶推力，通过挤压两侧U形密封圈11实现密封，进而在套管4与破损管道5间形成环状密闭空间。多级泵23通过进水管22、进水球阀24将水槽20内的清水注入环状密闭空间，进而向柔性内衬7施加水压荷载，水压大小通过压力表9监测并控制。注水加压过程中，自行走三维激光扫描设备6绕丝杠10转动的同时，沿丝杠10往返移动，进而对柔性内衬7进行三维扫描。扫描数据通过信号传输电缆15接入PC终端17，从而精确测量柔性内衬7在水压荷载作用下的变形量。试验结束后，通过排水球阀19及排水管21将环状密闭空间内的清水排入水槽20。

Claims (7)

1.一种柔性内衬外压屈曲试验装置，其特征在于，包括用于形成环状密闭空间的密封系统、用于对柔性内衬施加水压荷载的加载系统以及用于对柔性内衬变形进行实时测量的测量系，所述密封系统包括后背墙（1）、承压墙（13）、液压油缸（2）、左侧堵板（3）、右侧堵板（18）、套管（4）、锚固螺栓（12）、破损管道（5）、柔性内衬（7）及U形密封圈（11）；

所述液压油缸（2）通过螺柱连接固定于后背墙（1）上，液压油缸（2）的活塞杆末端与左侧堵板（3）连接；

所述右侧堵板（18）通过第一锚固螺栓（12）固定于承压墙（13）上；

所述左侧堵板（3）及右侧堵板（18）沿径向分别设置有多组环形安装槽（3-1），环形安装槽（3-1）内嵌套安装有用于密封的U形密封圈（11）；

所述左侧堵板（3）和右侧堵板（18）之间安装有套管（4）和带柔性内衬（7）的破损管道（5）。

2.根据权利要求1所述一种柔性内衬外压屈曲试验装置，其特征在于，所述破损管道（5）为带缺陷钢管，能够通过开孔或拉槽方式制造缺陷，并能够通过在破损管道（5）内表面涂覆不同粘结强度的粘接剂，以研究待测试的柔性内衬（7）与破损管道（5）界面粘结强度对柔性内衬（7）屈曲特性的影响。

3.根据权利要求2所述一种柔性内衬外压屈曲试验装置，其特征在于，所述柔性内衬（7）通过原位固化或热塑成型等方法形成，其长度为直径的6-7倍。

4.根据权利要求1所述一种柔性内衬外压屈曲试验装置，其特征在于，所述加载系统包括进水球阀（24）、排水球阀（19）、排气球阀（8）、多级泵（23）、压力表（9）、进水管（22）、排水管（21）及水槽（20）；

所述进水球阀（24）及排水球阀（19）设置于套管（4）的管底，而排气球阀（8）及压力表（9）设置于套管（4）的管顶；

所述进水球阀（24）通过进水管（22）与多级泵（23）连通，多级泵（23）通过进水管（22）与水槽（20）连通；

所述排水球阀（19）通过排水管（21）与水槽（20）连通。

5.根据权利要求1所述一种柔性内衬外压屈曲试验装置，其特征在于，所述测量系统包括PC终端（17）、信号传输电缆（15）、丝杠（10）、限位装置（14）及自行走三维激光扫描设备（6）；

所述丝杠（10）的一端与左侧堵板（3）的中心方孔（3-2）连接，另一端通过限位轴承（14）限位；

所述限位轴承（14）通过第二锚固螺栓（16）固定于承压墙（13）外侧壁；

所述自行走三维激光扫描设备（6）通过内螺纹安装于丝杠（10）上，并通过信号传输电缆（15）与PC终端（17）相连。

6.根据权利要求5所述一种柔性内衬外压屈曲试验装置，其特征在于，所述自行走三维激光扫描设备（6）由驱动电机（6-1）、台座（6-2）、螺纹套筒（6-3）、三维激光扫描仪（6-4）、第一传动齿轮（6-5）和第二传动齿轮（6-6）构成；

所述驱动电机（6-1）、三维激光扫描仪（6-4）通过螺钉连接固定于台座（6-2）上；

所述台座（6-2）及第一传动齿轮（6-5）通过平键连接固定于螺纹套筒（6-3）上；

所述第二传动齿轮（6-6）通过平键连接固定于驱动电机（6-1）上；

所述驱动电机（6-1）通过第二传动齿轮（6-6）及第一传动齿轮（6-5）带动螺纹套筒（6-3）绕丝杠（10）转动，进而驱动固定于螺纹套筒（6-3）上的台座（6-2）以及固定于台座（6-2）上的三维激光扫描仪（6-4）绕丝杠（10）转动，并同时驱动其沿丝杠（10）往返移动。

7.采用权利要求1-6任意一项所述试验装置研究柔性内衬在破损管道刚性约束条件下的屈曲特性时，其特征在于，其试验方法包括以下步骤：

步骤一：准备带缺陷的破损管道（5），并通过原位固化或热塑成型非开挖修复方法对其进行修复，进而形成紧贴破损管道（5）内壁的柔性内衬（7）；

步骤二：通过左侧堵板（3）、右侧堵板（18）以及液压油缸（2）固定套管（4）及破损管道（5）；

步骤三：安装丝杠（10）及自行走三维激光扫描设备（6），并通过限位轴承（14）对丝杠（10）进行限位；

步骤四：启动自行走三维激光扫描设备（6），测量柔性内衬（7）的初始形状，并动态测量注水加压过程中柔性内衬（7）的变形情况；

步骤五：打开进水球阀（24）及排气球阀（8），关闭排水球阀（19），启动多级泵（23）向套管（4）与破损管道（5）之间的环状密闭空间注入清水，直至完全排除空气；

步骤六：关闭排气球阀（8），观察压力表（9）的读数，待其达到设计试验水压后，关闭进水球阀（24）及多级泵（23），保压一定时间；

步骤七：打开进水球阀（24）及多级泵（23），逐级增加环状密闭空间内的水压，直至柔性内衬（7）出现明显局部变形；

步骤八：打开排水球阀（19），将环状密闭空间内的清水排入水槽（20），试验结束。

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