加壓裝置、管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置及加壓和測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及加壓裝置、管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置及加壓和測試方法，屬于氣體液體高壓管道輸送工程的技術(shù)與安全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓輸氣管道在運(yùn)行過程中，因管內(nèi)壓力變化、管道材料疲勞或受損，以及外部作用等原因，導(dǎo)致管道在某處產(chǎn)生管壁裂紋進(jìn)而出現(xiàn)長距離擴(kuò)展，不僅會造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，還將形成地面人員傷亡、建筑物及設(shè)施破壞受損等災(zāi)難性事故。因此，為盡量減小損失、加快事故發(fā)生后的搶修進(jìn)程，國內(nèi)外廣泛開展了大口徑高壓金屬管道的裂縫形成及擴(kuò)展的力學(xué)行為研究。研究表明，結(jié)構(gòu)性止裂控制是輸氣金屬管道延性止裂的有效控制方法，而高壓金屬管爆破試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)性止裂控制的重要手段。
[0003]輸氣金屬管內(nèi)加壓至目標(biāo)值是實(shí)施高壓金屬輸氣管氣壓爆破試驗(yàn)的前提和重要環(huán)節(jié)之一。裂紋在高壓氣體作用下沿管壁擴(kuò)展，同時裂口泄壓也導(dǎo)致減壓波在高壓管中傳播。通過測試裂紋在管壁上的擴(kuò)展速度和氣體減壓波在管內(nèi)的傳播速度、觀察裂紋的止裂位置，可對比分析確定金屬管的止裂韌性。因此，設(shè)計合理的氣金屬管內(nèi)加壓裝置和金屬管裂紋擴(kuò)展速度測試方法，是全尺寸爆破試驗(yàn)的關(guān)鍵問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種加壓裝置、管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置及加壓和測試方法，通過三類空氣壓縮裝置可將輸氣管內(nèi)的壓力加壓到目標(biāo)值，然后進(jìn)行管壁裂紋擴(kuò)展速度測試，安全高效。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種加壓裝置，包括將高壓氣體輸送到金屬管的高壓氣體輸送管、A類空氣壓縮裝置、B類空氣壓縮裝置和C類空氣壓縮裝置，所述高壓氣體輸送管通過一級閥與金屬管連通，所述A類空氣壓縮裝置安裝在高壓氣體輸送管上，所述高壓氣體輸送管末端設(shè)有三通轉(zhuǎn)換器，三通轉(zhuǎn)換器分別與B類空氣壓縮裝置和C類空氣壓縮裝置連接。
[0006]作為優(yōu)選，所述A類空氣壓縮裝置包括第一二級閥、第一轉(zhuǎn)換接頭和第一輸氣管，所述第一輸氣管通過第一轉(zhuǎn)換接頭與第一二級閥連接，第一二級閥將第一輸氣管與高壓氣體輸送管連通。
[0007]作為優(yōu)選，所述B類空氣壓縮裝置包括第二二級閥、第二轉(zhuǎn)換接頭和第二輸氣管，所述第二輸氣管通過第二轉(zhuǎn)換接頭與第二二級閥連接，第二二級閥將第二輸氣管與三通轉(zhuǎn)換器連通。
[0008]作為優(yōu)選，所述C類空氣壓縮裝置包括第三二級閥、第三轉(zhuǎn)換接頭和第三輸氣管，所述第三輸氣管通過第三轉(zhuǎn)換接頭與第三二級閥連接，第三二級閥將第三輸氣管與三通轉(zhuǎn)換器連通。
[0009]一種上述加壓裝置的加壓方法，包括以下步驟:
[0010](I)按照要求連接好A類空氣壓縮裝置、B類空氣壓縮裝置、C類空氣壓縮裝置和高壓氣體輸送管；
[0011](2)采用A類空氣壓縮裝置加壓，當(dāng)管內(nèi)壓力小于等于2MPa時，按IMPa作為臺階值、暫停加壓15分鐘，再加壓至2MPa ;當(dāng)管內(nèi)壓力大于2MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到4MPa ；
[0012]2)采用B和C類空氣壓縮裝置加壓，當(dāng)管內(nèi)壓力小于等于8MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，再加壓至8MPa ;當(dāng)管內(nèi)壓力大于8MPa時，按0.25MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到目標(biāo)壓力值。
[0013]—種管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置，包括上述的加壓裝置、與加壓裝置連通的高壓輸氣金屬管、若干個時間探針單元和動態(tài)信號采集系統(tǒng)，在金屬管中心管壁上安裝有起線型聚能切割器，所述時間探針單元纏繞在金屬管上，每個時間探針單元和一個電阻元件串聯(lián)成一個并聯(lián)支路，穩(wěn)壓電源給每個并聯(lián)支路供電，動態(tài)信號采集系統(tǒng)各通道分別采集每個并聯(lián)支路中電阻元件的電壓，動態(tài)信號采集系統(tǒng)輸出端與計算機(jī)連接。
[0014]作為優(yōu)選，所述時間探針單元為直徑0.2mm?0.8mm、長度為金屬管外壁面周長的漆包銅線。
[0015]作為優(yōu)選，所述時間探針單元在管壁上的布置間距為0.25m?1.0m,時間探針單元中心位于初始裂紋所在的管壁母線上，時間探針單元繞金屬管截面180°安裝在金屬管外壁面上，垂直于管壁母線。
[0016]一種上述的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試方法，包括以下步驟:
[0017](I)用打磨機(jī)將安裝時間探針單元處的金屬管外壁面進(jìn)行表面拋光除銹，將線型聚能切割器安裝在金屬管中心上，與金屬管母線平行，將時間探針單元沿管壁安裝位置纏繞金屬管，然后用502膠固定，再用環(huán)氧樹脂粘貼膠將時間探針單元覆蓋，使其與管壁緊密粘連，將加壓裝置與金屬管連通；
[0018](2)每個時間探針單元的一端通過電阻元件與穩(wěn)壓電源的正極連接，另一端與穩(wěn)壓電源負(fù)極連接；動態(tài)信號采集系統(tǒng)各通道信號輸入端分別與各電阻元件正極連接，接地端與各電阻元件負(fù)極連接；動態(tài)信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出端與計算機(jī)連接；
[0019](3)采用A類空氣壓縮裝置加壓，當(dāng)管內(nèi)壓力小于等于2MPa時，按IMPa作為臺階值、暫停加壓15分鐘，再加壓至2MPa ;當(dāng)管內(nèi)壓力大于2MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到4MPa ；
[0020](4)采用B和C類空氣壓縮裝置加壓，當(dāng)管內(nèi)壓力小于等于8MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，再加壓至8MPa ;當(dāng)管內(nèi)壓力大于8MPa時，按0.25MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到金屬管的目標(biāo)壓力值；
[0021](5)設(shè)初始裂縫尖端位置L。為0，初始裂縫位置時間探針單元形成電壓階躍信號的時刻t。為O ;其余時間探針單元從初始裂縫開始依次標(biāo)記為L !,L2^L3……L1，與其對應(yīng)的計算機(jī)上形成電壓階躍信號的時間依次記為h、t2、t3……h(huán)，其中L1表示第i個時間探針單元到初始裂縫尖端的距離，h表示裂紋傳播到第i個時間探針單元的時間；則裂紋經(jīng)過相鄰時間探針單元的平均速度V1= (L -L1 O/(U-U i)，其中i = 1、2、3……η ;然后以位移[(L1-L1 D/2+LJ為乂軸和速度V1SY軸繪出距離-速度曲線，即可得到裂紋擴(kuò)展到相應(yīng)位置時所對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展區(qū)間速度。
[0022]在本發(fā)明中，將時間探針單元、電阻元件和穩(wěn)壓電源連接成閉合回路，使用動態(tài)信號采集系統(tǒng)采集電阻元件的電壓，利用時間探針單元通斷狀態(tài)的改變形成電壓階躍信號，以獲得裂紋尖端的到達(dá)時間，由兩個階躍信號產(chǎn)生的時間差間接得到裂紋擴(kuò)展區(qū)間速度。
[0023]在本發(fā)明中，綜合考慮材料的力學(xué)、電學(xué)性能等因素，選擇直徑為0.2mm?0.8mm的漆包銅線作為時間探針單元，使其既有一定的動抗拉強(qiáng)度，以承受爆破沖擊荷載作用，又能隨管壁的裂開而同步斷開；時間探針單元(時間線)的長度應(yīng)等于金屬管外壁面的周長，以確?？煽揩@得斷裂信號，同時便于與測試裝置的連接和自身的防護(hù)。根據(jù)高壓高韌性金屬管裂紋傳播特性，試驗(yàn)時金屬管裂紋從初始裂紋兩端開始，沿金屬管軸向擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到止裂條件時，擴(kuò)展方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為準(zhǔn)確測試金屬管裂紋各階段的擴(kuò)展速度，時間探針單元中心應(yīng)位于初始裂紋所在的管壁母線上，對稱中心點(diǎn)繞金屬管截面180°安裝在金屬管外壁面上，垂直于管壁母線。由于高壓高韌性金屬管裂紋預(yù)估傳播速度為100m/s?350m/s，為準(zhǔn)確捕捉到裂紋速度的變化，時間探針單元布置的間隔宜取0.25m?1.0m。
[0024]在本發(fā)明中，管體進(jìn)氣孔設(shè)置在金屬管管體頂部，距離端部1.8米，采用A類空氣壓縮裝置加壓，其高壓輸送管以螺紋連接方式與相對應(yīng)的二級閥連接，并通過一級閥將高壓氣體傳輸至管內(nèi)。當(dāng)管內(nèi)壓力小于等于2MPa時，按IMPa作為臺階值、暫停加壓15分鐘，再加壓至2MPa ;暫停期間抵近檢查、查看空氣壓縮裝置壓力指示計等方式，檢查測試金屬管管體及測試單元安裝部位、焊接部位的密封情況。當(dāng)管內(nèi)壓力大于2MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到4MPa ;暫停期間采用同樣方式檢查密封情況。
[0025]管內(nèi)壓力達(dá)到4MPa后，關(guān)閉A類空氣壓縮裝置對應(yīng)的二級閥；采用B和C類空氣壓縮裝置加壓。當(dāng)管內(nèi)壓力小于等于SMPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，再加壓至8MPa ;當(dāng)管內(nèi)壓力大于8MPa時，按0.25MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到12MPa，此時關(guān)閉一級閥，等待試驗(yàn)。暫停期間空氣壓縮裝置壓力指示計、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控以及不同位置壓力傳感器的實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)監(jiān)測等多種手段，對加壓系統(tǒng)各單元的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
[0026]有益效果:本發(fā)明的加壓方法，采用的臺階式間隔停頓加壓流程，以及轉(zhuǎn)換靈活的加壓泄壓方式和全過程的多手段監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)金屬管的管內(nèi)壓力漸進(jìn)達(dá)到目標(biāo)值，方法安全、可靠，能滿足試驗(yàn)要求；本發(fā)明的金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置，時間探針單元與金屬管壁緊密粘連，可確保管壁張開與時間探針的斷開同步進(jìn)行，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；本發(fā)明的測試方法，通過利用斷裂信號在電阻上呈現(xiàn)電壓階躍信號，測試方法安全可靠。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的加壓系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明的加壓系統(tǒng)組成示意圖。
[0029]圖3是本發(fā)明測試裝置連接示意圖。
[0030]圖4是本發(fā)明圖3的電路設(shè)計示意圖。
[0031]圖5是本發(fā)明時間探針單元安裝位置示意圖。
[0032]圖6是本發(fā)明時間探針單元安裝間距示意圖。
[0033]圖7是本發(fā)明的動態(tài)信號采集系統(tǒng)上顯示波形圖。
[0034]圖8是本發(fā)明的裂紋速度-距離曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種加壓裝置，包括將高壓氣體輸送到金屬管I的高壓氣體輸送管、A類空氣壓縮裝置21、B類空氣壓縮裝置22和C類空氣壓縮裝置23，所述高壓氣體輸送管通過一級閥19與金屬管I連通，所述A類空氣壓縮裝置21安裝在高壓氣體輸送管上，所述高壓氣體輸送管末端設(shè)有三通轉(zhuǎn)換器12，三通轉(zhuǎn)換器12分別與B類空氣壓縮裝置22和C類空氣壓縮裝置23連接。其中，A類空氣壓縮裝置21包括第一二級閥11、第一轉(zhuǎn)換接頭17和第一輸氣管18，所述第一輸氣管18通過第一轉(zhuǎn)換接頭17與第一二級閥11連接，第一二級閥11將第一輸氣管18與高壓氣體輸送管連通。所述B類空氣壓縮裝置22包括第二二級閥、第二轉(zhuǎn)換接頭13和第二輸氣管14，所述第二輸氣管14通過第二轉(zhuǎn)換接頭13與第二二級閥連接，第二二級閥將第二輸氣管14與三通轉(zhuǎn)換器12連通。所述C類空氣壓縮裝置23包括第三二級閥、第三轉(zhuǎn)換接頭15和第三輸氣管16，所述第