缩比尺海洋管道轴向疲劳载荷下的流动腐蚀试验装置的制作方法

本发明涉及一种缩比尺海洋管道拉压疲劳载荷下的流动腐蚀试验装置，利用该装置可以实现缩比尺管道试件内部流场和轴向循环拉压载荷的联合作用，近似模拟服役期间立管和海底管道在管内流场和轴向拉压疲劳载荷下的受力情况，探究轴向拉压疲劳载荷与不同流场条件下的立管和海底管道的内腐蚀机理和疲劳可靠性，预测管道服役期间的疲劳和腐蚀的危险点。

背景技术：

随着世界各国对能源的需求日渐增大和陆上石油的日益枯竭，人们将焦点投向了海洋。从上个世纪四十年代的第一条海底管道的铺设至今，海洋油气资源的勘探和开发技术已经从浅海走向深海，并在诸多海域都建设了海洋平台和水下生产系统。但是海洋在带给人类巨大福利的同时也蕴藏着危险，复杂的海况条件和腐蚀流动介质等无不在损耗着海洋结构物。每年因疲劳和腐蚀失效的海洋结构物都不在少数，其中尤以海底管道和立管居多。一旦海洋管道失效，将造成难以弥补的经济和环境损失。因此，针对海底管道和立管的腐蚀机理和疲劳可靠性的研究具有重要意义。

海底管道和立管是海洋油气资源开发系统的生命线，因其过于细长的结构特点，所以也是该系统的薄弱环节。相较于陆上的输送管道，海底管道除了内部有高速的油气混合流体通过外，还在管道外部受到复杂的波流载荷、地震、轴向力等的作用。海洋立管是连接海底井口和海上结构物并进行油气开发和输送的唯一途径，在运营期间始终受到外压、海洋波面和立管上部浮体的升沉运动引起的轴向循环拉压载荷的作用。轴向循环载荷和内部流动介质是深水管道腐蚀和疲劳失效的重要来源，在海底管道和立管设计中都是不可忽略的因素。

缩尺比管道疲劳和腐蚀试验是探究这类问题的有效途径，国内外的大量研究成果都表明，缩尺比管道和实际管道在满足几何尺寸相似、动力相似和流动模型相似的条件下，缩尺比的试验结果可以应用到实际结构的设计中。本发明的试验装置可以用于各种形式的深水缩尺比管道，如变截面管道、带阀门的管道、直管和弯管等，以此来研究不同管道位置的内腐蚀和疲劳情况。该装置能够模拟不同的管道内部流场情况，研究流速、温度、输送介质等对试验结果的影响。在管内输送流体的同时，装置可以施加轴向循环拉压载荷，来分析管内流场和轴向疲劳载荷耦合作用下的管道内腐蚀和疲劳情况。该装置还允许同时进行两根管道试件的试验，形成对比试验。

已有的疲劳和腐蚀试验装置大多是针对单一的应力场或者流场，不能对多场耦合作用下的海洋管道的疲劳和腐蚀行为展开研究。而一些循环应力下的流动腐蚀装置，虽然能在流场中给试件施加循环载荷，但只是针对金属试片。金属试片不同表面的腐蚀情况会相互影响，无法适用于内外表面隔绝开来的管道，其流场条件也无法模拟海洋管道的输送介质。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可模拟不同的管道内部流动情况、管道形式和轴向循环拉压载荷下的海洋管道疲劳和腐蚀情况的缩尺比海洋管道轴向拉压疲劳载荷下的流动腐蚀试验装置。本发明的技术方案如下：

一种缩比尺海洋管道轴向疲劳载荷下的流动腐蚀试验装置，包括水箱1、调速水泵2、流体输入管段3、固支法兰5、荷载试验管件6、对照试验管件7、承力法兰9、轴向拉压载荷施加装置10、流体输出管段11，其中，

流体输入管段3通过第一三通接头实现对通过调速水泵2抽吸的水箱1里的流体的分流，流体输出管段11通过第二三通接头实现对流通到荷载试验管件6和对照试验管件7的流体的汇流，荷载试验管件6的一端通过固支法兰5与流体输入管段3相连，另一端通过承力法兰9与流体输出管段11相连；

轴向拉压载荷施加装置10包含传力框架25、拉压弹簧27、曲轴连杆机构和伺服电机23，曲轴连杆机构包括圆柱形滑块28、连杆24、飞轮22、滑块销26和曲轴29，圆柱形滑块28一端实心，与拉压弹簧27固定连接；另一端空心，内部设置一根中间截面较小的变截面滑块销26，与两端带有圆环的连杆24相接；曲轴29的一端与连杆相连，另一端与受伺服电机23驱动的飞轮22相连；圆柱形滑块28的外部设有固定滑筒21，用以限制滑块只能做直线运动；U型传力框架25一端与承力法兰9固定连接，另一端与拉压弹簧27固定连接；通过此装置施加轴向疲劳拉压载荷，并且载荷的大小和频率都可调。

作为另一种实施方式，对照试验管件7的一端通过固支法兰与流体输入管段3相连，另一端通过承力法兰与流体输出管段11相连，承力法兰与另一套轴向拉压载荷施加装置相连。

流体输出管段11最好采用带软管接头20的PVC软管19和PVC直管12相结合的方式；流体输入管段3最好采用PVC直管。

本发明针对海洋管道，提供了一种缩比尺海洋管道拉压疲劳载荷下的流动腐蚀试验装置，其优点和有益效果如下：

(1)实现缩比尺管道在管内流场和轴向拉压疲劳载荷的联合作用下的疲劳和内腐蚀试验，真实模拟海底管道和立管在服役期间的作业环境，为海洋管道的设计和检测提供参考数据。

(2)实现了对管内流场情况的控制，研究不同输送介质、流速等对管道内腐蚀的影响。

(3)实现对不同管道形式的模拟，如变截面管、带阀门的管道、直管和弯管等，预测海洋管道疲劳和腐蚀的危险点，指定更有针对性的检测计划。

(4)可以同时进行两组缩比尺管道试验，满足试验对比要求。

(5)装置简单，适用于多种管道流动腐蚀和疲劳试验。

附图说明

图1整体布置图

图中标号说明：1—水箱；2—调速水泵；3—流体输入管段；4—法兰；5—固支法兰；6—荷载试验管件；7—对照试验管件；8—管托；9—承力法兰；10—轴向拉压载荷施加装置；11—流体输出管段

图2流体输入管道段

图中标号说明：4—法兰；12—PVC直管；13—管道弯头；14—水阀；15—流量计；16—三通接头；17—螺母；18—螺栓

图3流体输出管道段

图中标号说明：12—PVC直管；13—管道弯头；14—水阀；15—流量计；16—三通接头；19—PVC软管；20—软管接头

图4轴向拉压载荷施加装置

图中标号说明：21—固定滑筒；22—飞轮；23—伺服电机；24—连杆；25—传力框架；29—曲轴

图5去除固定滑筒的轴向拉压载荷施加装置

图中标号说明：22—飞轮；23—伺服电机；24—连杆；25—传力框架；26—滑块销；27—拉压弹簧；28—滑块；29—曲轴

具体实施方式

如图1所示，缩比尺海洋管道轴向拉压疲劳载荷下的流动腐蚀试验装置主要包括：水箱1、调速水泵2、流体输入管段3、法兰4、固支法兰5、荷载试验管件6、对照试验管件7、管托8、承力法兰9、轴向拉压载荷施加装置10、流体输出管段11。流体输入管段3和流体输出管段11一端与水箱1连通，另一端采用法兰与试验管件连接，构成管内流体通道。水箱1中的试验流体根据试验要求进行调换。调速水泵2控制由水泵进入流体输入管段3的流体流速，试验流体经流体输入管段3进入试验管件6、7，并由流体输出管段11流入水箱，构成循环。整个管内流场流速、输送介质可控。而且，当流体输出管段11和流体输入管道3上的水阀14依次关闭时，可使试验管件内充满静止流体，研究静止流场下的管道疲劳和内腐蚀试验。固支法兰5由法兰和法兰固定座焊接而成，使试验管件在来流端保持固定。带柄的承力法兰9与轴向拉压载荷施加装置10焊接，保证在管内流场下能够对试验管道施加轴向拉压载荷。装置高出地面的管段和试验管件6、7下方安放管托8，使整个装置足够稳定，保持管内流场不受影响，避免重力因素对试验结果的干扰。

如图2所示，流体输入管段3包含两个管道弯头13和一个三通16，在PVC直管12上设置了开孔，用来安装水阀14和流量计15。流体输入管段3上的水阀14进一步控制流入试验管件6、7的试验流体的流速，流速大小由流量计15的读值获取。流体输入管段3设置三通16，实现对输入流场的分流，可以进行各种对比试验，探究不同流速对管道内腐蚀的影响，轴向拉压载荷下管内流场对管道疲劳损伤的耦合作用等。

如图3所示，流体输出管段11包含两个管道弯头13和一个三通16，在PVC直管12上开孔安装水阀14和流量计15，PVC软管19端头带有软管接头20。PVC软管19允许位移，避免对轴向拉压载荷的影响，软管长度可根据试验管件的长度和试验的其它需要进行调整。

如图4和图5所示，轴向拉压载荷施加装置10由伺服电机23、拉压弹簧27、传力框架25和曲轴连杆机构组成。曲轴连杆机构由圆柱形滑块28、连杆24、飞轮22、滑块销26和曲轴29组成。圆柱形滑块28一端实心，与拉压弹簧27焊接；另一端空心，内部设置一根中间截面较小的圆柱形变截面滑块销26，与带拉环的连杆24相接。曲轴29焊在飞轮22上，连杆24的另一端通过拉环与曲轴29连接，连接方式同滑块销26相同，由此限制连杆的左右位移。拉压弹簧27的另一端与传力框架25焊接。滑块28外部设有一固定在地面的固定滑筒21，使滑块只能在滑筒内做直线运动。伺服电机23接收特定的电流信号开始工作，带动飞轮22的转动，通过曲轴29和连杆24使滑块28在固定滑筒21内做直线往复运动，进而使拉压弹簧27拉伸或压缩，并借由刚性的传力框架25传到承力法兰9和试验管件上，实现试验管件轴向疲劳拉压载荷的施加。轴向拉压载荷施加装置10可以根据试验需要添加到试验管件7上，安装方式和试验管件6相同，以实现不同载荷幅值和频率等的对比试验。轴向载荷的频率由伺服电机23控制，载荷的幅值由拉压弹簧的刚度控制。

在进行具体试验时，先打开流体输入管段3和流体输出管段11上的水阀，接通调速水泵2，使试验流体进入循环管道通道，待流量计15读数稳定后，关闭调速水泵2和所有水阀14。检查好装置的密封性后，根据具体试验方案决定是否重新接通调速水泵2和打开特定管段上水阀。需要施加轴向疲劳载荷的试验接通伺服电机23，经由曲轴连杆机构和拉压弹簧27对试验管件6或7进行特定载荷形式的施加。试验管件与实际管件满足几何相似，轴向拉压载荷根据管道在海洋中的实际受力情况进行计算，管内流场与实际流场的流动形式相同(层流或者紊流)。试验结束时，关闭调速水泵2和伺服电机，待管内流体流出后卸下试验管件，剖开试验管件，观察管件内外表面的疲劳情况和内表面的腐蚀情况，量取疲劳裂纹长度和腐蚀深度等试验数据。