海洋工程管道腐蚀实验设备的制作方法

本发明涉及一种可以模拟海洋工程管道在复杂载荷条件下腐蚀过程的实验设备。

背景技术：

腐蚀是浅海边际油田海洋工程管道失效的主要诱因，新的管线的设计和已经服役多年的管道的校核都需要对其腐蚀情况进行充分的评估和预测。在油价低迷的情况下，对于深海油气田的开发需要投入大量的人力、物力和财力，相比较而言，浅海边际油田的开发则具有更高的经济价值和战略意义。导致海洋工程管道腐蚀的影响因素众多，其中应力腐蚀(scc)是最主要的诱因之一，约占腐蚀失效事件的40％～60％；此外，管道所处海洋环境的温度、ph值、含氧量等等因素，也会对管道的腐蚀造成严重的影响。海洋工程管道产生应力腐蚀的原因主要是海底地形变化引起的管道悬跨、弯曲，海流冲刷以及输送介质的温度变化引起的管道膨胀等等。温度、ph值、含氧量的变化多是海洋环境和管内运输介质共同作用导致的。目前国内外关于海洋工程管道的腐蚀实验装置多为实验室内进行的缩尺比加速实验装置，并且可施加的载荷种类比较单一，很少有能够同时施加拉压应力、扭转应力和弯矩等复杂载荷，尤其缺少弯矩载荷的施加功能，管道在海底经常会处于悬跨状态，弯矩的实验设备就显得至关重要，并且是针对全尺寸海洋工程管道的装置。在施加载荷的同时，能进行温度、ph值、含氧量变化的全尺寸仿真实验的设备更少。因此，有必要设计一套针对全尺寸海洋工程管道的腐蚀实验装置，以模拟载荷情况变化，海洋溶液参数变化对于管道性能影响的实验装置。目前已有的管道腐蚀研究相关实验装置不足之处主要有：

1.大部分是缩尺比的实验设备，缺乏针对全尺寸海洋工程管道应力腐蚀的实验设备及工艺流程设计，如申请号为cn101226135a、cn105136596a等等，都是通过缩尺比的管道试件或者材料研究腐蚀特性。

2.可以施加的载荷类型较局限，尤其是弯矩载荷的施加功能欠缺，如申请号为cn105136596a只能模拟恒位移载荷的裂尖应力腐蚀开裂状态，申请号cn201610030544.1、cn201510296350.1的实验装置，加载的应力比较单一等等。

技术实现要素：
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本发明的目的就是在充分考虑海底管道的实际环境基础上，提供海洋工程管道的实验装置。该装置需要采集真实的海水，并通过控制海水不同的温度、ph值、含氧量等参数尽量模拟真实的海洋环境，可以同时进行实验组和对照组实验。在外加载荷方面，该装置增加了弯矩载荷的施加模块，可以实现拉压应力、扭转应力和弯矩的单独作用和联合作用，通过选择恒载荷法和恒位移法的不同加载方式，研究海洋工程管道在海洋环境中受复杂载荷作用下的腐蚀变化情况，此外，还可以制成全尺寸模拟设备，弥补实验室缩比尺加速腐蚀实验的不足，实验结果更接近实际情况。本发明的技术方案如下：

一种海洋工程管道腐蚀实验设备，用于对实验管道(8)进行腐蚀模拟实验，包括：轴向载荷加载装置，扭转载荷加载装置，弯曲载荷加载装置，两个腐蚀实验水箱(10,13)和管道固定装置和外壁(18)，其中，

两个腐蚀实验水箱(10,13)与实验管道(8)的不同部位分别密封连接，并分别连通有氧气柔性管(9,12)，用来控制腐蚀溶液的氧气浓度；

实验管道(8)的一端为加载端，另一端为固定端，轴向载荷加载装置用于对实验管道8的加载端施加轴向载荷，包括固定台(1)，置于固定台(1)上的液压油缸(2)，其活塞(5)与实验管道(8)的加载端固定连接；

扭转载荷加载装置包括向实验管道(8)的加载端的同一个横截面上施加扭转弯矩的两个液压油缸(6，7)；

管道固定装置用于固定实验管道(8)的固定端；

弯曲载荷加载装置加载在两个腐蚀实验水箱(10，13)之间的实验管道(8)的外部，所述的弯曲载荷加载装置包括套环(16)和两个液压油缸(11，14)，套环(16)固定在两个腐蚀实验水箱(10，13)之间的实验管道(8)的外部，两个液压油缸(11，14)通过套环(16)同时向实验管道(8)施加垂直向下的载荷。

优选地，外壁(18)由保温材料制成，整个海洋工程管道腐蚀实验设备置于外壁(18)围成的仓室空间内，仓室空间内设有控温装置；仓室空间内设有加湿装置。

本发明适用于于全尺寸海洋工程管道在复杂载荷作用下的应力腐蚀实验，具有以下优点：

1.针对全尺寸海洋工程管道进行实验，采用海水配置的腐蚀溶液，尽可能模拟海洋工程管道在真实情况下的应力腐蚀情况；

2.相比于类似专利，增加了弯矩加载实验的功能，能够模拟海洋油气管道在海底出现悬跨时，复杂载荷条件下的腐蚀实验情况；

3.实现轴向载荷恒位移、恒载荷加载，扭转载荷加载，弯曲载荷加载等复杂载荷加载的情况。可以通过不同载荷的组合，从而实现拉扭、压扭、压力弯矩组合等等复杂加载情况。

4.本装置在实验中设置了两个腐蚀水箱，可以同时进行实验组和对照组实验，控制其他条件相同，研究单一变量变化对于管道的应力腐蚀影响规律，能够提高实验效率。

附图说明

图1整体布置图

图中标号说明：1—固定台；2—液压油缸；3—法兰；4—法兰；5—活塞；6—液压油缸；7—液压油缸；8—实验管道；9—氧气柔性管；10—腐蚀实验水箱；11—液压油缸；12—氧气柔性管；13—腐蚀实验水箱；14—液压油缸；15—套环连接孔；16—半圆形套环；17—导轨；18—外壁；19—法兰；20—导轨；21—销；22—三角形规定框架；23—法兰；24—导轨。

图2轴向加载装置图，(a)为立体图，(b)为正视图

图中标号说明：1—固定台；2—液压油缸；3—法兰；5—活塞；

固定台1和液压油缸2固定在地面上，法兰3和液压油缸的活塞5以及液压油缸2都是一体的。实验过程中，活塞5通过法兰3将轴向载荷传递给实验管道8。

图3扭转载荷加载装置

图中标号说明：3—法兰；6—液压油缸；7—液压油缸；

液压油缸6、7都固定在地面，通过螺栓和法兰3连接。实验过程中，液压油缸6施加垂直向上的载荷，液压油缸7施加相同大小的垂直向下的载荷，两个载荷形成了扭转力矩。

图4弯曲载荷加载装置

图5弯曲载荷加载装置

图中标号说明：图4中14—液压油缸；15—套环连接孔；图5中11—液压油缸；12—氧气柔性管；16—半圆形套环；

上下两个半圆形套环16通过图4中的连接孔15相连，液压油缸11、14的轴承上有螺纹，轴承穿过连接孔，用螺栓紧固即可。实验过程中，液压油缸11、14同时施加相同的垂直向下的载荷，由于实验管道8两端固定，相当于对实验管道8施加了弯曲载荷。

图6管道固定装置

图中标号说明：20—导轨；21—销；22—三角形固定框架；23—法兰；24—导轨；

根据实验管道8的长度将三角形固定框架22通过三个销21分别固定在导轨17、导轨20和导轨24上，导轨24固定在外壁的顶上，导轨17、导轨20固定在地面上，将与实验管道8焊接的法兰19和三角形固定框架22上的法兰23通过八个螺栓固定连接。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述：

如图1所示，全尺寸海洋工程管道腐蚀实验设备，主要用于测量全尺寸实验管道8在施加复杂载荷的条件下，在海水腐蚀溶液中的状态变化，其中包括：轴向载荷加载装置1、2、5，扭转载荷加载装置6、7，弯曲载荷加载装置11、14、15、16，腐蚀实验水箱9、10、12、13，管道固定装置17、19、20、21、22、23、24，实验设备固定保温外壁18。其中，腐蚀实验水箱10、腐蚀实验水箱13通过防腐蚀的橡胶垫圈与实验管道8密封连接，实验管道8和轴向载荷、扭转载荷加载装置通过法兰3和法兰4连接，实验管道8和弯曲载荷加载装置通过钢制套环16连接，实验管道8和固定装置通过法兰19和法兰23连接。

轴向载荷加载装置包括固定台1，固定在固定台1上的液压油缸2和活塞5。连接装置包括两个相同规格的法兰3和法兰4，其中法兰3和活塞5是一体的，法兰4焊接固定在实验管道8上，法兰3和法兰4通过8个螺栓连接，确保不会出现相对位移。液压油缸2缸体内可以双向加入液压油，因此可以提供双向的轴向载荷，液压油缸2的油压推动活塞5进行轴向的双向移动，活塞5和法兰3固定连接，活塞5的轴向力通过法兰3和法兰4传递到实验管道8的一端截面。由于法兰4和实验管道8截面均匀接触，轴向载荷会均匀施加在实验管道8上。通过电子数控设备可以调节恒位移加载、恒载荷加载，并且调控加载速度加载不同情况的轴向载荷。

环向扭转载荷加载装置包括液压油缸6以及对称位置放置的同样规格的液压油缸7，法兰3和法兰4。液压油缸6、液压油缸7固定在地面上，法兰3和法兰4之间、法兰4和实验管道8的连接方式和上文描述相同，施加扭矩的液压油缸6和液压油缸7通过螺栓固定在法兰3侧面中间位置的螺栓上，如图1所示。在施加扭转载荷时，对称放置的液压油缸6和液压油缸7分别提供垂直于地面的相反方向的载荷，例如，液压油缸6提供垂直地面向上的载荷，液压油缸7提供垂直地面向下的载荷，两个载荷共同作用会形成扭转弯矩。如果需要提供相反方向的扭转弯矩，可以改变液压油缸6和液压油缸7的载荷方向。

弯曲载荷加载装置包括两个半圆形套环16，液压油缸14以及对称放置在管道另一侧同样规格的液压油缸11。液压油缸11和液压油缸14固定在地面上，半圆形套环16的内径和实验管道8的外径相同，确保半圆形套环16能够无缝贴合在实验管道8上。半圆形套环16在实验管道8侧面通过螺母和液压油缸11和液压油缸14的轴承固定连接，液压油缸11和液压油缸14的轴承穿过套环的连接孔，在连接孔的下面和上面分别加一个螺母，螺母通过轴承上的螺纹紧固，从而将实验管道8、半圆形套环16以及液压油缸11、14连接成为一体。施加弯曲载荷时，液压油缸11、14同时对半圆形套环16施加垂直于地面向下的力f，套环将力传导给实验管道8，半圆形套环16位置与实验管道8固定端位置之间的距离为l，弯矩m＝f*l。

腐蚀实验水箱10、13分布在半圆形套环16的两侧，距半圆形套环16的距离相同，以确保腐蚀实验管段受到相同的弯曲载荷作用。腐蚀实验水箱10、13和实验管道8的连接部分通过防腐蚀的橡胶垫圈密封连接。腐蚀实验水箱10、13内有防腐蚀的氧气柔性管9和氧气柔性管12，可以控制腐蚀溶液的氧气浓度。实验过程中，腐蚀实验水箱10是实验组，腐蚀实验水箱13是对照组，通过控制变量的方法研究单一变量对于实验管道8的影响。

管道的固定端是由三角形固定框架22、法兰23、导轨17、导轨20和导轨24，以及每个导轨中相同位置放置的销21组成。外壁18是由建筑保温材料制成，可以起到固定以及保温的作用，整个实验装置都置于外壁18围成的仓室空间内，为了便于理解，图中只展示了小部分的外壁18。三角形固定框架22上焊接固定了法兰23，可以在导轨上滑动，实验过程中，实验管道8和法兰19焊接连接成为一体，根据实验管道8的长度调整三角形固定框架22在导轨上的位置，确定位置后用八个螺栓将法兰19和法兰23固定连接，再用三个销21将三角形固定框架22固定在导轨17、导轨20和导轨24上。

实验进行前，先将实验管道8穿过两个腐蚀水箱10、13，将防腐蚀的橡胶垫圈套在实验管道8上，但并不进行密封。然后将法兰4和法兰19分别焊接在实验管道8的两端，并根据实验管道8的长度将三角形固定框架22固定在导轨17、20、24上。如图2所示，三角形固定框架22固定后将管道一端的法兰4和轴向载荷加载装置的法兰3固定连接，并且通过螺栓将施加扭转载荷的液压油缸6、7和法兰3、4一并固定在一起。如图6所示，管道另一端的法兰19和三角形固定框架22上的法兰23固定连接。如图4、5所示，将两个半圆形套环16通过螺母和施加弯曲载荷的液压油缸11、14的轴承固定连接，组成弯曲载荷加载模块。

施加载荷的过程中，可以通过数控系统控制轴向位移加载装置的模式，调节恒载荷、恒位移轴向载荷加载，通过如图2中的加载模块施加。扭转载荷的大小、方向通过数控加载装置进行施加，通过如图3中的加载模块施加。弯曲载荷加载时，要先根据公式m＝f*l，其中l为弯曲载荷加载模块距离管道固定端的距离，计算出f的大小，再通过弯曲载荷加载模块，如图4、5中的装置施加。通过调控不同载荷类型的组合，实现恒载荷拉伸压缩、恒位移拉伸压缩、扭转、弯曲等不同加载模式。

实验管道8载荷加载情况确定后，实验管道8状态已经固定，之后用防腐蚀的橡胶垫圈将实验管道8和腐蚀实验水箱10、13密封连接。

实验过程中，可采集海水试样，根据需要调配海水试样的ph值、溶液浓度等参数，并控制腐蚀溶液的温度。如图1所示，设置实验组腐蚀实验水箱10，对照组腐蚀实验水箱13，通过控制变量的实验方法，研究参数变化对于实验管道8性能的影响规律。

实验过程中，实验仓室内有控温装置，同时，外壁18是由建筑保温材料构成，保温效果良好。此外，仓室内还有加湿装置，能够控制仓室内的湿度。