CN211652342U - 外载荷下的埋地管道失稳测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种外载荷下的埋地管道失稳测试装置，包括：送液系统、集液系统、实验管道、组合支架以及压缩试验机；送液系统与实验管道的一端连接，集液系统与实验管道的另一端连接；组合支架包括：沙箱、管道支架以及紧固螺栓；沙箱为无顶面的容器，实验管道穿过沙箱的底面；实验管道设置在管道支架上，紧固螺栓用于将实验管道固定在所述管道支架上；所述沙箱中设置有土体，所述压缩试验机的载荷施加部伸入所述沙箱中向所述土体施加载荷；所述实验管道的底部连接有多个动态位移传感器。本实用新型的外载荷下的埋地管道失稳测试装置为揭示埋地管道受外载荷响应、失效与埋地管道设计提供了计算依据。

Description

外载荷下的埋地管道失稳测试装置

技术领域

本实用新型涉及埋地管道技术领域，具体而言，涉及一种外载荷下的埋地管道失稳测试装置。

背景技术

管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的运输方式，是一种专门由生产地向市场输送石油、煤和化学产品的运输方式，管道运输不仅运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，并可实现自动控制。除广泛用于石油、天然气的长距离运输外，还可运输矿石、煤炭、建材、化学品和粮食等。埋地管道作为管道运输的一种有效手段，随着国家对资源运输的需求量日益增多，埋地管道的总里程数在快速增长。

作用在埋地管道上的荷载，主要有管道自重、管内介质压力、竖向和水平土压力、地下水压力、地面活载(交通荷载)以及地面设施堆载产生的竖向和水平压力以及地震作用等，这些载荷直接或间接作用于管道，使其发生扭曲变形、结构破坏等形式失效，引发事故。其中除管自重和管内介质压力外,都直接或间接地与管道周围土体发生关系。土体不仅对管道施加荷载，而且对管道的变形起约束作用。因此，有必要对埋地管道进行附加外载荷实验研究。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述技术问题中的至少一个，公开了一种外载荷下的埋地管道失稳测试装置。

本实用新型的外载荷下的埋地管道失稳测试装置包括：送液系统、集液系统、实验管道、组合支架以及压缩试验机；

所述送液系统与所述实验管道的一端连接，用于向所述实验管道输送实验液；所述集液系统与所述实验管道的另一端连接，用于接收从所述实验管道排出的实验液；

所述组合支架包括：沙箱、管道支架以及紧固螺栓；所述沙箱为无顶面的容器，所述实验管道穿过所述沙箱的底面；所述实验管道设置在所述管道支架上，所述紧固螺栓用于将所述实验管道固定在所述管道支架上；

所述沙箱中设置有土体，所述压缩试验机的载荷施加部伸入所述沙箱中向所述土体施加载荷；

所述实验管道的底部连接有多个动态位移传感器。

可选的，该装置还包括：动态位移传感器支架；所述动态位移传感器支架的底端与所述组合支架连接，所述动态位移传感器设置在所述动态位移传感器支架上。

可选的，所述送液系统包括：与储液槽连通的止回阀、与所述止回阀连通的离心泵以及与所述离心泵连通的流量计，所述流量计的一端与所述实验管道连通。

可选的，所述集液系统包括：导管以及设置在所述导管上的压力表，所述导管的一端与所述实验管道连通，另一端与储液槽连通。

可选的，所述组合支架上设置有滑道，所述动态位移传感器支架的底部设置在所述滑道中，以使所述动态位移传感器支架可以沿着所述滑道移动。

可选的，所述动态位移传感器可移动的设置在所述动态位移传感器支架上。

可选的，该装置还包括：多个动态应变传感器；所述多个动态应变传感器均匀的设置在所述实验管道的底部。

可选的，该装置还包括：多个动态压力传感器；所述多个动态压力传感器均匀的设置在所述实验管道的底部。

可选的，该装置还包括：多个动态加速度传感器；所述多个动态加速度传感器均匀的设置在所述实验管道的底部。

可选的，所述管道支架为Y形管道支架。

本实用新型的有益效果为：本实用新型的外载荷下的埋地管道失稳测试装置模拟了埋地管道的现实工作情况，在土体覆盖的情况下，通过压缩试验机可附加多种形式外载荷，从而模拟地面动载、静载以及土压力。通过改变管道内介质种类以及流速，来模拟不同工况下管内介质压力。多种传感器在管道不同部位的测试，实现了管道在土体中耦合界面的位移、应变、加速度与压力准确测试，为揭示埋地管道受外载荷响应、失效与埋地管道设计提供计算依据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。在附图中：

图1为本实用新型实施例外载荷下的埋地管道失稳测试装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例组合支架的示意图；

图3为本实用新型实施例动态位移传感器支架的示意图；

图4为本实用新型实施例动态位移传感器支架的连接示意图；

图5为本实用新型实施例压缩试验机作用示意图。

标号说明：1、储液槽；2、止回阀；3、离心泵；4、流量计；5、纤维软管；6、动态位移传感器支架；7、动态信号测试系统；8、管道变径接头；9、实验管道；10、组合支架；11、压力表；12、动态位移传感器；13、滑道；14、压缩试验机；15、压缩试验机的载荷施加部；101、管道支架；102、紧固螺栓；103、沙箱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实用新型中，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“中”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。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1、图2以及图5所示，本实用新型实施例的外载荷下的埋地管道失稳测试装置由送液系统、集液系统、实验管道9、组合支架10以及压缩试验机14组成。

如图1和图2所示，组合支架10包括：沙箱103、管道支架101以及紧固螺栓102。沙箱103为无顶面的容器，其形状可以为长方体形，沙箱103的相对两个侧面设置有通过实验管道9的孔，孔的大小与实验管道9的大小大致相同，管道支架101以及紧固螺栓102设置在孔的附近用于支撑及固定实验管道9。在可选实施例中，管道支架101为Y形管道支架，实验管道9安放在Y形管道支架上，通过设置在实验管道9上方的紧固螺栓102固定，此时实验管道9两端完全约束，不受其他力作用。沙箱103的底面上设置有能通过所述实验管道9的槽，实验管道9穿过沙箱103的底面上的槽，使沙箱103的底面密封，能够防止土体落下，此外实验管道9的底部从沙箱103漏出，便于防止传感器进行数据采集。

沙箱103中承装有一定量的土体。如图5所示，在进行测试时压缩试验机14的载荷施加部15伸入沙箱103中向土体施加载荷。在本申请可选实施例中，压缩试验机14可以采用多种设备，如打桩器、震动器等能向地面施加负载的设备。

如图1所示，送液系统具体包括：储液槽1、止回阀2、离心泵3、流量计4、纤维软管5，纤维软管5与实验管道9连通。储液槽1中的实验液依次经过止回阀2、离心泵3、流量计4、纤维软管5进入实验管道9，流量计4检测进入实验管道9的实验液的流量。在可选实施例中，实验液可以为水、油以及其他混合液体。

如图1所示，集液系统具体包括：管道变径接头8、导管以及压力表11，实验管道9流出的实验液依次经过管道变径接头8、导管进入储液槽1，压力表11设置在导管上，用于检测实验管道9流出的实验液的压力。在本申请可选实施例中导管可以为纤维软管。

此外，本实用新型实施例的外载荷下的埋地管道失稳测试装置还包括多种检测设备，检测设备包括：动态位移传感器12、动态应变传感器、动态压力传感器以及动态加速度传感器，这些传感器用于检测外载荷管道失稳测试时管道和土体耦合界面的各物理量与管道响应变化规律，传感器检测的数据经过整理分析，可以用于研究外载荷下流体与管道和土体耦合界面多相耦合参数传递规律以及管道结构瞬态冲击作用下的应力分布规律和响应形式，为埋地管道结构设计与数值模拟分析提供理论依据。

如图3和图4所示，本实用新型实施例的外载荷下的埋地管道失稳测试装置还包括动态位移传感器支架6，动态位移传感器12设置在动态位移传感器支架6上。动态位移传感器支架6的底端设置在组合支架10的底部，移传感器支架6的检测部向上伸出与实验管道9的底部连接。在图4所示的实施例中，组合支架10的底部还设置有滑道13，动态位移传感器支架6的底端设置在滑道13中，以使位移传感器支架6可以沿着滑道13移动。本申请为了便于动态位移传感器12的安装、保证测试精度，设计了如图3所示的动态位移传感器支架6，动态位移传感器支架6可对动态位移传感器12进行固定，并且可以调整其高度，便于测试装置的调试。如图3所述，动态位移传感器支架6的不同位置上设置有多个固定槽，动态位移传感器12上的固定凸部插入固定槽中实现与动态位移传感器支架6的固定连接，通过将动态位移传感器12上的固定凸部插入不同位置处的固定槽，可以实现调节动态位移传感器12的高度。

在本申请的可选实施例中，可以包括多组动态位移传感器支架6和动态位移传感器12，该多组动态位移传感器支架6和动态位移传感器12均匀的分布在实验管道9的底部，以对实验管道9的各位置进行检测。在图1和图4的实施例中，包括3组动态位移传感器支架6和动态位移传感器12，分别设置在实验管道9的两侧和中间。

在本申请的可选实施例中，动态应变传感器、动态压力传感器以及动态加速度传感器均为多个，其均匀的设置在所述实验管道的底部，用于对实验管道9的各位置进行检测。

如图1所示，本实用新型实施例的外载荷下的埋地管道失稳测试装置还包括动态信号测试系统7。动态位移传感器12、动态应变传感器、动态压力传感器以及动态加速度传感器与动态信号测试系统7连接，动态信号测试系统7与计算机连接，实现对传感器采集的数据进行可视化显示。在可选实施例中，动态信号测试系统7可以采用JM5930动态信号测试系统。

本实用新型实施例的外载荷下的埋地管道失稳测试装置的测试原理为：为实现对有流体流动的管道在土体中耦合界面的受力、应变、加速度与压力准确测试，本申请可通过压缩试验机14等装置附加多种形式的载荷，来模拟实验管道9的失稳工况。为模拟油气等化工产品的传压和流体作用，实验模型内输送介质用水来代替。通过离心泵3及流量计4等装置，改变注入流体的性质和改变流体流动状态，可分析实验管道9内不同流体情况。分别在实验管道9背离土体一侧的两端和中部布置动态位移传感器12、动态应变传感器、动态压力传感器以及动态加速度传感器；同时在实验管道9进出口分别布置流量计4与压力表11，用来测量管道内流体流量与压力。通过改变流体流速、外载荷类型及大小、实验管道直径、壁厚、土体成分，测量流体与管道和土体耦合界面的各物理量与管道响应变化规律。由传感器采集到的电信号经动态信号测试系统转换后，最终形成可视信号，通过对测量数据的整理分析，研究外载荷下，流体与管道和土体耦合界面多相耦合参数传递规律以及管道结构瞬态冲击作用下的应力分布规律和响应形式，为埋地管道结构设计与数值模拟分析提供理论依据。

以下提供一种通过压缩试验机附加外载荷的实验方式，用户可根据自身需要，选择其他外载荷附加方式。

(1)首先在合适位置安放好储液槽1，将组合支架10放置于压缩试验机14合适位置上，并进行固定。将实验管道9安放在组合支架10上。采用纤维软管5分别将储液槽1、止回阀2、离心泵3、流量计4依次连接。管道变径接头8连接实验管道9，实验管道9通过管道变径接头8连接纤维软管，将压力表11连接在纤维软管上，最后将纤维软管与储液槽1连接。

(2)分别将动态应变传感器、动态压力传感器、动态加速度传感器粘贴在实验管道9待测位置上。并将动态位移传感器12分别固定在动态位移传感器支架6上，调整动态位移传感器支架6的高度及位置。最后拧紧组合支架10两侧的紧固螺栓102，完成固定。

(3)将传感器线接在JM5930动态信号测试系统7上，系统与电脑相连，整套实验装置连接完毕。

本实用新型实施例的外载荷下的埋地管道失稳测试装置的具体测试步骤可以如下：

(1)实验测试装置启动前必须检查实验装置各部分连接螺纹紧固程度、各部分是否完好无损、气密性良好，并保证各阀门处于关闭状态、测试仪器未通电、实验现场无明火；

(2)向组合支架10的沙箱103内填充土体。关闭止回阀2，向储液槽1内注入液体，按照实验需求向储液槽1内注入所需液量，注液完成后，打开止回阀2，并开启离心泵3，可通过流量计4读出液体流量并记录流速。待流量计4读数与压力表11读数稳定后，便可开始实验；

(3)人员撤离到安全范围，启动动态信号测试系统电源，仪器调平衡，启动压缩试验机14；

(4)通过动态信号测试系统7进行数据采集，当观测到所有传感器在较低数值并维持较长时间不发生变化时，测试过程结束；

(5)关闭JM5930动态信号测试系统7和压缩试验机14电源，关离心泵3和止回阀2。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型的外载荷下的埋地管道失稳测试装置至少具有以下有益效果：

1、本实用新型完全模拟了真实工况下埋地管道失稳情况。在考虑内部介质压力与流速影响的同时，可附加多种形式的外载荷从而满足不同工况下的测试，试验设备应用范围广。设备结构简单，原理体现明了，操作简便，可进行重复实验。对载荷附加较为精确，不同部位架设的多种传感器，实现了管道在土体中耦合界面的受力、应变、加速度与压力准确测试。整套测试装置具有高度一体化的特点，且灵活性很高。

2、本实用新型在已有管道结构与土体接触模型基础上，结合多种形式外载荷作用，充分考虑管内流体性质、流动状态与管道结构和土体耦合界面的压力、位移、应变与加速度传递，建立了内部流体与管道和土体的多相耦合动力学实验测试装置。实现管道结构外载荷下的准确表征，探讨耦合界面位移、压力、加速度等多物理量参数的相互作用规律，以及管道结构瞬态冲击作用下的应力分布规律和响应形式，为埋地管道结构设计与数值模拟分析提供理论依据。是现有研究的充分结合与补充。

3、本实用新型一方面解决了现有研究未综合考虑管道内流体对管道失稳的影响这一问题，另一方面揭示埋地管道受外载荷响应、失效与埋地管道设计提供计算依据。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，包括：送液系统、集液系统、实验管道、组合支架以及压缩试验机；

所述送液系统与所述实验管道的一端连接，用于向所述实验管道输送实验液；所述集液系统与所述实验管道的另一端连接，用于接收从所述实验管道排出的实验液；

所述组合支架包括：沙箱、管道支架以及紧固螺栓；所述沙箱为无顶面的容器，所述实验管道穿过所述沙箱的底面；所述实验管道设置在所述管道支架上，所述紧固螺栓用于将所述实验管道固定在所述管道支架上；

所述沙箱中设置有土体，所述压缩试验机的载荷施加部伸入所述沙箱中向所述土体施加载荷；

所述实验管道的底部连接有多个动态位移传感器。

2.根据权利要求1所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，还包括：动态位移传感器支架；所述动态位移传感器支架的底端与所述组合支架连接，所述动态位移传感器设置在所述动态位移传感器支架上。

3.根据权利要求1所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，所述送液系统包括：与储液槽连通的止回阀、与所述止回阀连通的离心泵以及与所述离心泵连通的流量计，所述流量计的一端与所述实验管道连通。

4.根据权利要求1所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，所述集液系统包括：导管以及设置在所述导管上的压力表，所述导管的一端与所述实验管道连通，另一端与储液槽连通。

5.根据权利要求2所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，所述组合支架上设置有滑道，所述动态位移传感器支架的底部设置在所述滑道中，以使所述动态位移传感器支架可以沿着所述滑道移动。

6.根据权利要求2所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，所述动态位移传感器可移动的设置在所述动态位移传感器支架上。

7.根据权利要求1所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，还包括：多个动态应变传感器；所述多个动态应变传感器均匀的设置在所述实验管道的底部。

8.根据权利要求1所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，还包括：多个动态压力传感器；所述多个动态压力传感器均匀的设置在所述实验管道的底部。

9.根据权利要求1所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，还包括：多个动态加速度传感器；所述多个动态加速度传感器均匀的设置在所述实验管道的底部。

10.根据权利要求1所述的外载荷下的埋地管道失稳测试装置，其特征在于，所述管道支架为Y形管道支架。

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