压力膨胀式管道断裂模拟实验装置及实验方法与流程

本发明属于管道设计制造领域，具体地，涉及一种压力膨胀式管道断裂模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

管道断裂实验在确定管道断裂特性方面有重要的应用，现阶段的管道断裂实验可分为小型的实验室实验、大型的实验室实验和实际的结构实验。小型的实验室实验包括：三点弯曲试验、紧凑拉伸试验和落锤试验等，小型的实验室实验采用小试件研究断裂特性，管材试件与实际管道存在尺寸误差、约束误差等，影响对管道断裂特性的判断认识；大型的实验室实验如宽板试验，对实验机的加载能力要求极高，所需成本较高；实际的结构实验如全尺寸爆破试验，全尺寸爆破试验耗费极大的人力、物力，且实验过程有极大的危险性。为解决上述问题，亟需设计一种专用的在管道上进行管道断裂实验的实验装置。

技术实现要素：

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种直接在管段上进行断裂模拟实验的装置和实验方法，运用该装置可以实现在管段上安全的进行断裂实验，并且可以实时观测裂纹扩展情况，以解决常规管道断裂实验试件制备困难、误差较大、成本过高、危险性较大等难题，且结构简单，使用方便。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

压力膨胀式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统、管道扩撑系统、动力系统、dic测试系统；管道支撑系统对实验管段的两端进行支撑；实验管段的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹，预制裂纹关于实验管段的轴向中面对称；管道扩撑系统位于实验管段的中部，对实验管段施加膨胀压力，导致预制裂纹扩展；动力系统为管道扩撑系统提供压力动力；dic测试系统对实验管段的断裂过程进行实时观测。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)、实验试样采用全尺寸管道试样，直接从管道上截取，减小尺寸误差、约束误差等，保证数据的可靠性。

(2)、实验采用压力驱动装置，降低工作风险，减少成本。

(3)、实验过程中，通过控制气囊的膨胀速度，可以控制裂纹的扩展速度，保证所得数据的精确性。

(4)、气囊拥有足够长的长度，膨胀过程中与管壁均匀接触，保证实验过程裂纹稳定扩展。

(5)、运用dic测试装置实时观测裂纹扩展情况，方便获取所需数据。

附图说明

图1是水压力膨胀式管道断裂模拟实验装置正视示意图。

图2是水压力膨胀式管道断裂模拟实验装置实验过程中正视示意图。

图3是图1的径向的半剖示意图。

图4是图2的径向的半剖示意图。

图5是气压力膨胀式管道断裂实验装置正视示意图。

图6是气压力膨胀式管道断裂模拟实验装置实验过程中正视示意图。

图7是图5的径向半剖示意图。

图8是图6的径向半剖示意图。

其中：1、实验管段，2、气囊，3a、左上橡胶圈，3b、右上橡胶圈，4、dic(数字图像相关方法)测试系统，5、输出管，6a、左上金属圈，6b、右上金属圈，7a、左下橡胶圈，7b、右下橡胶圈，8a、第一动力系统，8b、第二动力系统，9a、第一阀门，9b、第二阀门，10、充水机，11、充气机，12、抽气机，13、抽水机，14、预制裂纹，15、光源，16、图像采集器，17、计算机，18、管道支撑系统，19、管道扩撑系统，20a、左下金属圈，20b、右下金属圈，21、输入管，22a、左上卡圈，22b、右上卡圈，23a、左下卡圈，23b、右下卡圈，24a、第一橡胶卡圈，24b、第二橡胶卡圈。

具体实施方式

实施例一

如图1至图4所示，水压力膨胀式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统18、管道扩撑系统19、第一动力系统8a、dic测试系统4；管道支撑系统18对实验管段1的两端进行支撑；实验管段1的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹14，预制裂纹14关于实验管段1的轴向中面对称；管道扩撑系统19位于实验管段1的中部，对实验管段1施加膨胀水压力，导致预制裂纹14扩展；第一动力系统8a为管道扩撑系统19提供水压动力；dic测试系统4对实验管段1的断裂过程进行实时观测。

管道支撑系统18，包括：左上卡圈22a、左下卡圈23a、右上卡圈22b、右下卡圈23b、第一橡胶卡圈24a、第二橡胶卡圈24b；左上卡圈22a、左下卡圈23a位于实验管段1的左端，左上卡圈22a由内向外依次为左上橡胶圈3a、左上金属圈6a，左下卡圈23a由内向外依次为左下橡胶圈7a、左下金属圈20a；左上卡圈22a、左下卡圈23a通过螺栓将实验管段1的左端固定；右上卡圈22b、右下卡圈23b位于实验管段1的右端，右上卡圈22b由内向外依次为右上橡胶圈3b、右上金属圈6b，右下卡圈23b由内向外依次为右下橡胶圈7b、右下金属圈20b；右上卡圈22b、右下卡圈23b通过螺栓将实验管段1的右端固定；左上卡圈22a、左下卡圈23a与右上卡圈22b、右下卡圈23b相对于实验管段1径向中面完全对称；第一橡胶卡圈24a、第二橡胶卡圈24b分别安装于管道扩撑系统19的左右两端，通过螺钉固定于实验管段1的内壁上。

管道扩撑系统19，包括：气囊2、输出管5、输入管21、第一阀门9a、第二阀门9b；气囊2关于实验管段1的轴向中面左右对称，气囊2的左端安装输入管21，气囊2的右端安装输出管5，在气囊2与输入管21和输出管5之间分别安装有第一阀门9a、第二阀门9b；第一橡胶卡圈24a、第二橡胶卡圈24b分别安装于气囊2的左右两端，通过螺钉固定于实验管段1的内壁上。

第一动力系统8a，包括：充水机10、抽水机13；充水机10通过输入管21与气囊2相连提供水压；抽水机13通过输出管21与气囊相连排出液体。

dic测试系统4，包括：计算机17、光源15、图像采集器16；光源15对称放置在实验管段1预制裂纹14的上下两侧，图像采集器16安置在预制裂纹14正前侧，图像采集器16可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器16与计算机17相连，通过图像采集器16采集的信息可以传输到计算机17中，并做分析计算。

管道断裂模拟实验的实验方法，采用上述水压力膨胀式管道断裂模拟实验装置，包括下述步骤：

1、将实验管段1放置在左下卡圈23a、右下卡圈23b上，实验管段1的左右两端与分别与左下卡圈23a的左端、右下卡圈23b右端对齐；将左上卡圈22a、右上卡圈22b分别对齐左下卡圈23a、右下卡圈23b放置在实验管段1上，同时用螺母、螺钉固定；然后将管道扩撑系统19放入含有预制裂纹14的实验管段1中，调整气囊2的左右对称面与实验管段1的轴向中面重合；

2、将光源15对称放置在实验管段1预制裂纹14的上下两侧，保证光源15的照射范围能够覆盖预制裂纹14，然后将图像采集器16安置在预制裂纹14的正前侧，使图像采集器16可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器16与计算机17相连，完成dic测试系统4的安装；

3、打开第一阀门9a，关闭第二阀门9b，分别将充水机10、抽水机13与输入管21、输出管5相连，实验过程中，打开充水机10，气囊2中缓慢充水，预制裂纹14的左右两端因为气囊2的扩张开始缓慢扩展，通过控制进水速度，可控制气囊2的扩张速度，进而可控制预制裂纹14的扩展速度；图像采集器16记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机17中；计算机17进行相应的后处理；实验结束后，关闭第一阀门9a，打开第二阀门9b，打开抽水机13，利用抽水机13将气囊2中的水排出。

实施例二

如图5至图8所示，气压力膨胀式管道断裂模拟实验装置与实施例一的不同之处在于，采用第二动力系统8b替代第一动力系统8a；第二动力系统8b，包括：充气机11、抽气机12；充气机11通过输入管21与气囊2相连提供气压；抽气机12通过输出管21与气囊2相连排出气体。

管道断裂模拟实验的实验方法，采用上述气压力膨胀式管道断裂模拟实验装置，与实施例一的不同之处在于：打开第一阀门9a，关闭第二阀门9b，分别将充气机11、抽气机12与输入管21、输出管5相连，实验过程中，打开充气机11，气囊2中缓慢充气，预制裂纹14的左右两端因为气囊2的扩张开始缓慢扩展，通过控制进气速度，可控制气囊2的扩张速度，进而可控制预制裂纹14的扩展速度。图像采集器16记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机17中；计算机17进行相应的后处理；实验结束后，关闭第一阀门9a，打开第二阀门9b，打开抽气机12，利用抽气机12将气囊2中的水排出。