单向液压扩径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技术领域，具体地，涉及一种单向液压扩径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：

单向液压扩径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、进油管、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；管道扩撑系统的内端面与实验管段的轴向中面重合；进油管进油为管道扩撑系统提供液压动力；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)、实验采用液压驱动装置，降低工作风险，减少成本。

(3)、实验过程中，通过控制伸缩杆的运动速度，可以控制扇形块的张开速度，同时控制裂纹的扩展速度，保证所得数据的精确性。

(4)、扇形块拥有足够长的长度，扩展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是单向液压扩径式管道断裂模拟实验装置正视示意图。

图2是单向液压扩径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是图3的a-a向的剖视示意图。

其中：1、实验管段，2a、左下橡胶圈，2b、右下橡胶圈，3、计算机，4a、左上金属圈，4b、右上金属圈，5、图像采集器，6、第二级伸缩杆，7、扇形块，8、进油管，9a、左上橡胶圈，9b、右上橡胶圈，10a、左下金属圈，10b、右下金属圈，11、管道支撑系统、12、管道扩撑系统，13a、左上卡圈，13b、右上卡圈，14a、左下卡圈，14b、右下卡圈，15、第一级伸缩杆，16、液压缸主体，17、dic(数字图像相关方法)测试系统，18、预制裂纹，19、光源。

具体实施方式

如图1至图5所示，单向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统11、管道扩撑系统12、进油管8、dic测试系统17；管道支撑系统11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18，预制裂纹18关于实验管段1的轴向中面对称；管道扩撑系统12的内端面与实验管段1的轴向中面重合；进油管8进油为管道扩撑系统12提供液压动力；dic测试系统17对实验管段1的断裂过程进行实时观测。

管道支撑系统11，包括：左上卡圈13a、左下卡圈14a、右上卡圈13b、右下卡圈14b；左上卡圈13a、左下卡圈14a位于实验管段1的左端，左上卡圈13a由内向外依次为左上橡胶圈9a、左上金属圈4a，左下卡圈14a由内向外依次为左下橡胶圈2a、左下金属圈10a；左上卡圈13a、左下卡圈14a通过螺栓将实验管段1的左端固定；右上卡圈13b、右下卡圈14b位于实验管段1的右端，右上卡圈13b由内向外依次为右上橡胶圈9b、右上金属圈4b，右下卡圈14b由内向外依次为右下橡胶圈2b、右下金属圈10b；右上卡圈13b、右下卡圈14b通过螺栓将实验管段1的右端固定；左上卡圈13a、左下卡圈14a与右上卡圈13b、右下卡圈14b相对于实验管段1径向中面完全对称。

管道扩撑系统12，包括：四块扇形块7、第一级伸缩杆15、第二级伸缩杆6、液压缸主体16；四块扇形块7结构完全相同，四块扇形块7组合形成圆柱壳，圆柱壳的外壁与实验管段1内壁面接触，圆柱壳的内端面与实验管段1的轴向中面重合；四块扇形块7的内壁中心均与四根第一级伸缩杆15外端连接；第一级伸缩杆15、第二级伸缩杆6、液压缸主体16沿轴向依次相互配合；第一级伸缩杆15、第二级伸缩杆6沿周向均布。

液压缸主体16连接进油管8，通过进油管8进油为管道扩撑系统12提供液压动力。

dic测试系统17包括：计算机3、光源19、图像采集器5。光源19对称放置在实验管段1预制裂纹18的上下两侧，图像采集器5安置在预制裂纹18正前侧，图像采集器5可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器5与计算机3相连，通过图像采集器5采集的信息可以传输到计算机3中，并做下一步的分析计算。

管道断裂模拟实验的实验方法，如图1至图5所示，采用上述单向液压扩径式管道断裂模拟实验装置，包括下述步骤：

1、将含有预制裂纹18的实验管段1放置在左下卡圈14a、右下卡圈14b上，实验管段1的左右两端分别与左下卡圈14a的左端，右下卡圈14b的右端对齐；将左上卡圈13a、右上卡圈13b分别对齐左下卡圈14a、右下卡圈14b放置在实验管段1上，同时用螺母、螺钉固定；将管道扩撑系统12放置于实验管段1中，调整管道扩撑系统12的左端面与实验管段1的轴向中面重合。

2、将光源19对称放置在实验管段1预制裂纹18的上下两侧，保证光源19的照射范围能够覆盖预制裂纹18，然后将图像采集器5安置在预制裂纹18的正前侧，使图像采集器5可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器5与计算机3相连，完成dic测试系统17的安装。

3、实验过程中，进油管8进油，为管道扩撑系统12提供液压动力；进入液压缸主体16的油推动第二级伸缩杆6沿径向向外运动；然后进入第二级伸缩杆6的油推动第一级伸缩杆15沿径向向外运动；扇形块7因为第一级伸缩杆15的挤压沿径向同时向外缓慢扩展，预制裂纹18因为扇形块的扩张运动也开始缓慢扩展。通过控制进油速度，可控制伸缩杆的的运动速度，进而可控制预制裂纹18的扩展速度。图像采集器5记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机3上，计算机3进行相应的后处理。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种单向液压扩径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、进油管、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；管道扩撑系统的内端面与实验管段的轴向中面重合；进油管进油为管道扩撑系统提供液压动力；DIC测试系统对实验管段的断裂过程进行实时观测。本发明的实验采用液压驱动装置，降低工作风险，减少成本；实验过程中，通过控制伸缩杆的运动速度，可以控制扇形块的张开速度，同时控制裂纹的扩展速度，保证所得数据的精确性；扇形块拥有足够长的长度，扩展过程中与管壁均匀接触，保证实验过程裂纹稳定扩展。

技术研发人员：曹宇光;衣海娇;甄莹;史勇晋;李森;李勇
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2017.03.29
技术公布日：2017.07.28