金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測試裝置，具體涉及一種金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置及方法。
【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(huì)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的裂縫形成及擴(kuò)展的力學(xué)行為研究。
[0003]目前，BTC、HLP等計(jì)算模型是預(yù)測管道止裂韌性的常用方法。但這些計(jì)算模型對(duì)高等級(jí)鋼、超高壓力運(yùn)行管道的止裂韌性預(yù)測存在缺陷。為確保長距離輸氣管道運(yùn)行安全，需對(duì)所使用的金屬管進(jìn)行全尺寸爆破試驗(yàn)。研究表明，裂紋在高壓氣體作用下沿管壁擴(kuò)展，同時(shí)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(duì)比分析確定金屬管的止裂韌性。因此，設(shè)計(jì)合理的金屬管裂紋擴(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)明提出一種金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置及方法，能夠在管道氣壓爆破條件下準(zhǔn)確測試到管壁裂紋的擴(kuò)展速度。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置，包括用于高壓輸氣金屬管、若干個(gè)時(shí)間探針單元和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)，在金屬管中心管壁上安裝有聚能切割器，所述時(shí)間探針單元纏繞在金屬管上，每個(gè)時(shí)間探針單元和一個(gè)電阻元件串聯(lián)成一個(gè)并聯(lián)支路，穩(wěn)壓電源給每個(gè)并聯(lián)支路供電，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)各通道分別采集每個(gè)并聯(lián)支路中電阻元件的電壓，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)輸出端與計(jì)算機(jī)連接。
[0006]作為優(yōu)選，所述時(shí)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。
[0007]作為優(yōu)選，所述時(shí)間探針單元中心位于初始裂紋所在的管壁母線上，時(shí)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。
[0008]作為優(yōu)選，所述時(shí)間探針單元在管壁上的布置間距為0.25m?1.0m。
[0009]—種如所述的金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試方法，包括以下步驟:
[0010]1)打磨除銹:用打磨機(jī)將安裝時(shí)間探針單元處的金屬管外壁面進(jìn)行表面拋光除銹；
[0011]2)清洗:用酒精和紗布處理打磨過的管壁表面；
[0012]3)安裝: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(shí)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(shí)間探針單元覆蓋，使其與管壁緊密粘連；
[0013]4)時(shí)間探針單元的連接:每個(gè)時(shí)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(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)各通道信號(hào)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(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出端與計(jì)算機(jī)連接。
[0014]5)設(shè)初始裂縫尖端位置Lo為0，初始裂縫位置時(shí)間探針單元形成電壓階躍信號(hào)的時(shí)刻to為0;其余時(shí)間探針單元從初始裂縫開始依次標(biāo)記為U、L2、L3……U，與其對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)上形成電壓階躍信號(hào)的時(shí)間依次記為……U，其中U表示第i個(gè)時(shí)間探針單元到初始裂縫尖端的距離，ti表示裂紋傳播到第i個(gè)時(shí)間探針單元的時(shí)間；則裂紋經(jīng)過相鄰時(shí)間探針單元的平均速度Vi=(L1-Li—O/U1-ti—0，其中i = l、2、3……η;然后以位移[(L1-U—0/2+1^]為乂軸和速度1為￥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(shí)所對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展區(qū)間速度。
[0015]作為優(yōu)選，所述步驟(3)中環(huán)氧樹脂粘貼膠覆蓋的寬度不小于lcm，厚度不小于3mm ο
[0016]在本發(fā)明中，將時(shí)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(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)采集電阻元件的電壓，利用時(shí)間探針單元通斷狀態(tài)的改變形成電壓階躍信號(hào)，以獲得裂紋尖端的到達(dá)時(shí)間，由兩個(gè)階躍信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間差間接得到裂紋擴(kuò)展區(qū)間速度。
[0017]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(shí)間探針單元，使其既有一定的動(dòng)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(shí)間探針單元(時(shí)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(hào)，同時(shí)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(shí)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(shí)，擴(kuò)展方向會(huì)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(shí)間探針單元中心應(yīng)位于初始裂紋所在的管壁母線上，對(duì)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(shí)間探針單元布置的間隔宜取0.25m?1.0m。
[0018]有益效果: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(shí)間探針單元與金屬管壁緊密粘連，可確保管壁張開與時(shí)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(hào)在電阻上呈現(xiàn)電壓階躍信號(hào)，測試方法安全可靠。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明測試裝置連接示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明電路設(shè)計(jì)示意圖。
[0021 ]圖3是本發(fā)明時(shí)間探針單元安裝位置示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明時(shí)間探針單元安裝間距示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)上顯示波形圖。
[0024]圖6是本發(fā)明的裂紋速度-距離曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0026]如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的管壁裂紋擴(kuò)展速度測試裝置，包括用于高壓輸氣金屬管1、若干個(gè)時(shí)間探針單元2和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)5，在金屬管1中心管壁上安裝有聚能切割器7，所述時(shí)間探針單元2纏繞在金屬管1上，每個(gè)時(shí)間探針單元2和一個(gè)電阻元件4串聯(lián)成一個(gè)并聯(lián)支路，穩(wěn)壓電源8給每個(gè)并聯(lián)支路供電，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)5各通道分別采集每個(gè)并聯(lián)支路中電阻元件5的電壓，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)5輸出端與計(jì)算機(jī)6連接。
[0027]在本發(fā)明中，針對(duì)X90金屬管開展氣壓爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)金屬管1外徑為1219mm、壁厚為16.3mm、長度為10.4m、屈服強(qiáng)度為670MPa、夏比沖擊能量為294J、內(nèi)壓為12Mpa。試驗(yàn)步驟如下:
[0028]步驟一:時(shí)間探針單元2選擇。時(shí)間探針單元2選擇直徑0.4mm的漆包銅線；其長度取3.