無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，包括試驗槽、加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和試驗配件；試驗配件包括被測管段，在被測管段內(nèi)設(shè)有兩塊沿其長度方向?qū)ΨQ設(shè)置的連接板；試驗時，被測管段沿試驗槽的長度方向設(shè)置；傳力系統(tǒng)包括兩根豎直設(shè)置的傳力桿和一塊水平設(shè)置的推板，兩根傳力桿的上端通過水平橫梁連接，水平橫梁與被測管段平行，兩根傳力桿的下端與連接板的中部垂直固接，傳力桿與推板通過水平設(shè)置的滑塊Ⅰ連接，傳力桿與相應(yīng)的滑塊Ⅰ形成滾動直線導(dǎo)軌副。本實用新型能夠還原實際情況下管線往復(fù)運動時管段與土體的相互作用關(guān)系，為分析管線在軸向位移時的管土作用規(guī)律以及土體提供的抗力大小提供試驗依據(jù)。
【專利說明】
無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及模型試驗技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來人類對油氣能源的需求量日益增長，石油開采由于資源限制也在向海洋、深海方向發(fā)展。從上世紀墨西哥灣鋪下第一條海底管道開始，目前油田開發(fā)的作業(yè)水深已達到3000米;鋪設(shè)海底管道的水深已達到2150米，深海油氣管道技術(shù)有了長足的發(fā)展。如今深海管道的應(yīng)用面臨著更復(fù)雜的外部環(huán)境，也面對更多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中一項十分重要的挑戰(zhàn)就是深海管道的軸向運動問題。深海海床上的油氣管道升溫時會出現(xiàn)軸向的膨脹，同時受到海床的抗力約束其膨脹行為，冷卻時收縮受到海床反向的抗力，但由于多種原因?qū)е鹿艿朗艿娇沽Σ痪?，升溫冷卻后管線端部沒有回到初始的位置，出現(xiàn)整體軸向位移。在服役過程中管線會進行多次開啟和關(guān)閉的循環(huán)，在高溫高壓和海床抗力的聯(lián)合作用下，經(jīng)過一次開啟和關(guān)閉，管道會出現(xiàn)在軸向方向上由高溫端向低溫端的運動，即管道靠近油井端向遠離油井端方向的軸向位移。這種發(fā)生在管道整體上的軸向運動會隨著管線啟閉循環(huán)不斷累積。累積的軸向位移會導(dǎo)致管道末端的過度位移和失效，對管道連接處和抬升處造成巨大的荷載引發(fā)破壞。其可能造成的潛在危害是不容忽視的。因此針對深海管道在溫壓循環(huán)荷載作用下軸向運動的研究是十分必要且有意義的。因此，需要一種模型試驗系統(tǒng)，來模擬海底管線在高溫高壓環(huán)境下輸送油氣過程中多次開關(guān)所造成軸向整體往復(fù)位移時管線與土體的相互作用和管線往復(fù)運動過程中土體抗力變化，通過模型模擬管段的軸向往復(fù)運動過程，分析研究管段往復(fù)運動過程中所受到的土體所提供的軸向抗力的變化，從而分析研究管線在發(fā)生整體軸向變形時，管線的有效軸力與土體抗力的關(guān)系，進一步分析判斷管線軸向延展行為整體位移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠還原實際情況下管線往復(fù)運動時管段與土體的相互作用關(guān)系，為分析管線在軸向位移時的管土作用規(guī)律以及土體提供的抗力大小提供試驗依據(jù)。
[0004]本實用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，包括試驗槽、加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和試驗配件；所述試驗配件包括被測管段，在所述被測管段內(nèi)設(shè)有與其垂直固接的兩塊連接板，兩塊所述連接板沿所述被測管段的長度方向?qū)ΨQ設(shè)置;試驗時，所述被測管段沿所述試驗槽的長度方向設(shè)置;在所述試驗槽的頂面上固定有兩根沿其長度方向設(shè)置的水平縱向?qū)к?所述傳力系統(tǒng)包括兩根豎直設(shè)置的傳力桿和一塊水平設(shè)置的推板，兩根所述傳力桿的上端通過水平橫梁連接，所述水平橫梁與所述被測管段平行，兩根所述傳力桿的下端穿過所述推板和所述被測管段的側(cè)壁與所述連接板的中部垂直固接，所述傳力桿與所述被測管段的側(cè)壁固接，所述傳力桿與所述推板通過水平設(shè)置的滑塊I連接，所述滑塊I固定在所述推板上，所述傳力桿與相應(yīng)的所述滑塊I形成滾動直線導(dǎo)軌副；在所述推板的下方左右兩側(cè)分別設(shè)有與其固接的滑塊Π，所述滑塊Π裝配在所述水平縱向?qū)к壣?所述加載系統(tǒng)包括與所述推板連接的加力板和絲杠，所述絲杠通過支架支撐在所述試驗槽的頂面上，在所述加力板上固接有螺母，所述螺母通過螺紋連接在所述絲杠上，所述絲杠由伺服電機減速器驅(qū)動，所述伺服電機減速器由控制器控制;所述加力板通過設(shè)置在其兩側(cè)的滑塊m連接在所述水平縱向?qū)к壣?，所述加力板與所述推板通過拉壓力傳感器連接;所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括所述拉壓力傳感器、一臺動靜態(tài)應(yīng)變采集儀、一臺計算機和一個攝像頭，所述拉壓力傳感器與所述動靜態(tài)應(yīng)變采集儀連接，所述動靜態(tài)應(yīng)變采集儀和所述攝像頭分別與所述計算機連接;所述攝像頭用于獲取所述被測管段與其周圍土體的影像。
[0005]所述推板采用工字型結(jié)構(gòu)。
[0006]在所述試驗槽的四周設(shè)置有鋼化玻璃。
[0007]在所述試驗槽的鋼化玻璃上沿高度方向設(shè)有刻度。
[0008]本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是:
[0009]—)還原了管線在實際使用中豎向完全無約束的運動狀態(tài)，推板與被測管段之間通過傳力桿和滑塊I相互作用，傳力桿與滑塊I的摩擦為滾動摩擦，最大限度地減小了被測管段在豎直方向上受到的阻力。與此同時，兩根傳力桿與水平橫梁相連，保證了傳力桿的豎直狀態(tài)，能夠確保被測管段在軸向上不發(fā)生扭轉(zhuǎn)與偏移。加載系統(tǒng)與被測管段在管內(nèi)連接，完全不與土體接觸，避免了對周圍土體的擾動，更為真實地還原了管線軸向延展時與土體相互作用過程。
[0010]二)通過加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、試驗槽、試驗配件四個組成部分之間的相互配合，逼真地模擬了管線在海床土體中的軸向循環(huán)運動過程，在試驗的整個過程中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集被測管段的軸向位移、豎向位移、土體破壞模式的圖片和軸向抗力的變化，通過采集得到的數(shù)據(jù)，可以進行以下試驗研究:I)研究管線入土深度、土體物理力學(xué)性質(zhì)、管線材質(zhì)、管線自重及管線運動速率、曲率等多種因素條件下土體抗力的大小；2)管線外徑、單位長度管線重量、管線軸向的移動速率、管線的初始埋置深度、管線單向運動的距離、管線循環(huán)往復(fù)運動的次數(shù)以及土體物理性質(zhì)對于管線運動軌跡以及管線所受軸向抗力的變化情況。
[0011]三)通過加載系統(tǒng)不僅可以設(shè)置被測管段運動距離的大小，還可以確保被測管段運動速率按照試驗要求變化，可以定速移動，也可以在試驗過程中分段變速運動，大大增大了試驗的可控性，能夠使分析研究過程細化。與此同時，鋼制的加力板、絲杠以及水平縱向?qū)к壞軌虼_保整個傳力系統(tǒng)沿著軸向移動，保證了試驗過程的穩(wěn)定性，增強了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。加載系統(tǒng)起到了循環(huán)加載的作用。
[0012]四)在試驗過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠記錄下每一時刻被測管段軸向位移、豎直向位移以及受到的軸向抗力的變化情況，并通過計算機將每一時刻的數(shù)據(jù)變化情況及時而又直觀地顯示在試驗操作人員面前，方便及時調(diào)整試驗過程。同時，影像采集系統(tǒng)記錄下了被測管段與土體的作用過程，能夠用于研究不同試驗條件下的土阻力以及被測管段的運動。四周密封的試驗槽內(nèi)也可以加水，模擬海底管線的水下工作狀態(tài)。
[0013]綜上所述，本實用新型能夠測定被測管段在豎直無約束、在循環(huán)荷載下發(fā)生軸向大位移往復(fù)運動時的軌跡變化，同時測定被測管段移動過程中的受力變化情況，從而間接測得被測管段與土體間等效莫測系數(shù)大小。用于進一步分析循環(huán)往復(fù)運動和單次單向運動的區(qū)別，分析土體的抗力變化規(guī)律，研究管線材質(zhì)、管線初始入土深度、土體物理力學(xué)性質(zhì)、管線自重、管線的外部直徑及管線運動速率、曲率等多種因素對土體軸向抗力的影響。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0015]圖2為圖1的側(cè)視圖；
[0016]圖3為本實用新型的傳力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為本實用新型的被測管段結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中:1、試驗槽;2、攝像頭;3、計算機;4、動靜態(tài)應(yīng)變采集儀;5、伺服電機變速器；
6、控制器;7、拉壓力傳感器;8、推板;9、傳力桿；10、待測管段；11、絲杠；12、水平縱向?qū)к墸?3、滑塊Π ; 14、滑塊I; 15、水平橫梁，16、滑塊ΙΠ; 17、連接板;18、加力板。
【具體實施方式】
[0019]為能進一步了解本實用新型的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0020]請參閱圖1?圖4，一種無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，包括試驗槽1、加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和試驗配件。
[0021]所述試驗配件包括被測管段10，在所述被測管段10內(nèi)設(shè)有與其垂直固接的兩塊連接板17，兩塊所述連接板17沿所述被測管段10的長度方向?qū)ΨQ設(shè)置;試驗時，所述被測管段10沿所述試驗槽I的長度方向設(shè)置。在本實施例中，所述試驗配件主要由不同材質(zhì)的被測管段和用來增加管段重量的鋼筋所組成。為了防止試驗過程中管段重心的偏移，選用鋼筋長度均為80cm，被測管段由材質(zhì)不同的空心管組成，空心管總長度均81.5cm，其中包括厚度為2cm的堵頭和管內(nèi)連接板17，其中空心管側(cè)壁與連接板17對應(yīng)開孔，用于連接傳力桿9，以施加軸向位移。
[0022]在所述試驗槽I的頂面上固定有兩根沿其長度方向設(shè)置的水平縱向?qū)к?2。
[0023]所述傳力系統(tǒng)包括兩根豎直設(shè)置的傳力桿9和一塊水平設(shè)置的推板8，兩根所述傳力桿9的上端通過水平橫梁15連接，所述水平橫梁15與所述被測管段10平行，兩根所述傳力桿9的下端穿過所述推板8和所述被測管段10的側(cè)壁與所述連接板17的中部垂直固接，所述傳力桿9與所述被測管段10的側(cè)壁固接，所述傳力桿9與所述推板8通過水平設(shè)置的滑塊114連接，所述滑塊114固定在所述推板8上，所述傳力桿9與相應(yīng)的所述滑塊114形成滾動直線導(dǎo)軌副;在所述推板8的下方左右兩側(cè)分別設(shè)有與其固接的滑塊Π 13，所述滑塊Π 13裝配在所述水平縱向?qū)к?2上。
[0024]所述加載系統(tǒng)包括與所述推板8連接的加力板18和絲杠11，所述絲杠11通過支架支撐在所述試驗槽I的頂面上，在所述加力板18上固接有螺母，所述螺母通過螺紋連接在所述絲杠11上，所述絲杠11由伺服電機減速器5驅(qū)動，所述伺服電機減速器5由控制器6控制；所述加力板18通過設(shè)置在其兩側(cè)的滑塊ΙΠ16連接在所述水平縱向?qū)к?2上，所述加力板18與所述推板8通過拉壓力傳感器7連接。所述加載系統(tǒng)通過在控制界面中設(shè)定伺服電機的運動速率與位移為被測管段10在土體中的運動提供動力。
[0025]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括所述拉壓力傳感器7、一臺動靜態(tài)應(yīng)變采集儀4、一臺計算機3和一個攝像頭2，所述拉壓力傳感器7與所述動靜態(tài)應(yīng)變采集儀4連接，所述動靜態(tài)應(yīng)變采集儀4和所述攝像頭2分別與所述計算機3連接;所述攝像頭2用于獲取所述被測管段10與其周圍土體的影像。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以根據(jù)不同的試驗要求記錄被測管段軸向運動過程中的軌跡變化、所受軸向抗力的大小。
[0026]在本實施例中，所述推板8采用工字型結(jié)構(gòu)。所述試驗槽為長、寬、高分別為3m、1.1m、Im的鋼槽，為了方便對試驗過程進行觀察分析，在所述試驗槽I的四周設(shè)置有鋼化玻璃。在所述試驗槽I的鋼化玻璃上沿高度方向設(shè)有刻度。
[0027]試驗開始前，首先測定填土的物理力學(xué)特性，當(dāng)填土為無粘性土?xí)r，需測定的物理力學(xué)指標為土體容重、含水率、密實度及天然坡角。通過控制土體的密實度將其裝入試驗槽內(nèi)，根據(jù)有限元的計算結(jié)果可知，被測管段運動產(chǎn)生的土體塑性區(qū)域在深度方向小于I倍管徑，因此被測管段的下部土體厚度應(yīng)大于I倍管徑，然后安放試驗管段，根據(jù)不同的試驗要求埋設(shè)被測管段，被測管段可以在自身重量下沉入土體內(nèi)，也可以人為的進行預(yù)設(shè)深度處理；當(dāng)填土為粘性土?xí)r，需測定的物理力學(xué)指標為土體容重、含水率、塑限、液限及抗剪強度，通過控制土體的含水率和容重將其裝入試驗槽內(nèi)，且下部土體厚度大于I倍管徑，與無粘性土一樣，根據(jù)不同的試驗要求埋設(shè)被測管段，被測管段可以在自身重量下沉入土體內(nèi)，也可以人為地進行預(yù)設(shè)深度處理。填土及被測管段安放完成后，將加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1進行連接，如果需要分析被測管段重量的影響則可在以上步驟完成后將空心管的堵頭打開，將所需鋼筋加入管中，以達到預(yù)設(shè)的重量。
[0028]試驗開始后，依次啟動計算機3、攝像頭2、動靜態(tài)應(yīng)變儀4。首先對動靜態(tài)應(yīng)變儀4進行平衡、清零，而后打開伺服電機設(shè)定試驗加荷速率和被測管段軸向的運動距離以及被測管段的循環(huán)運動次數(shù)，加荷速度可以在可I?lOmm/s之間變化，軸向位移的最大值受試驗槽的長度限制。被測管段開始運動后，應(yīng)變儀采集被測管段的位移與受到的土體抗力，攝像機監(jiān)測被測管段運動全過程的運動軌跡及土體的變形規(guī)律。試驗結(jié)束后，依次關(guān)閉伺服電機、應(yīng)變儀及攝像機，整理試驗數(shù)據(jù)。
[0029]盡管上面結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，其特征在于，包括試驗槽、加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和試驗配件； 所述試驗配件包括被測管段，在所述被測管段內(nèi)設(shè)有與其垂直固接的兩塊連接板，兩塊所述連接板沿所述被測管段的長度方向?qū)ΨQ設(shè)置;試驗時，所述被測管段沿所述試驗槽的長度方向設(shè)置； 在所述試驗槽的頂面上固定有兩根沿其長度方向設(shè)置的水平縱向?qū)к墸?所述傳力系統(tǒng)包括兩根豎直設(shè)置的傳力桿和一塊水平設(shè)置的推板，兩根所述傳力桿的上端通過水平橫梁連接，所述水平橫梁與所述被測管段平行，兩根所述傳力桿的下端穿過所述推板和所述被測管段的側(cè)壁與所述連接板的中部垂直固接，所述傳力桿與所述被測管段的側(cè)壁固接，所述傳力桿與所述推板通過水平設(shè)置的滑塊I連接，所述滑塊I固定在所述推板上，所述傳力桿與相應(yīng)的所述滑塊I形成滾動直線導(dǎo)軌副;在所述推板的下方左右兩側(cè)分別設(shè)有與其固接的滑塊Π，所述滑塊Π裝配在所述水平縱向?qū)к壣希?所述加載系統(tǒng)包括與所述推板連接的加力板和絲杠，所述絲杠通過支架支撐在所述試驗槽的頂面上，在所述加力板上固接有螺母，所述螺母通過螺紋連接在所述絲杠上，所述絲杠由伺服電機減速器驅(qū)動，所述伺服電機減速器由控制器控制;所述加力板通過設(shè)置在其兩側(cè)的滑塊m連接在所述水平縱向?qū)к壣希黾恿Π迮c所述推板通過拉壓力傳感器連接； 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括所述拉壓力傳感器、一臺動靜態(tài)應(yīng)變采集儀、一臺計算機和一個攝像頭，所述拉壓力傳感器與所述動靜態(tài)應(yīng)變采集儀連接，所述動靜態(tài)應(yīng)變采集儀和所述攝像頭分別與所述計算機連接;所述攝像頭用于獲取所述被測管段與其周圍土體的影像。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，其特征在于，所述推板采用工字型結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，其特征在于，在所述試驗槽的四周設(shè)置有鋼化玻璃。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無約束管段軸向循環(huán)加載測試系統(tǒng)，其特征在于，在所述試驗槽的鋼化玻璃上沿高度方向設(shè)有刻度。
【文檔編號】G01N19/00GK205483967SQ201620201656
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】劉潤, 范奇, 王樂, 彭碧瑤
【申請人】天津大學(xué)