用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置及方法，属于 气体液体高压管道输送工程的技术与安全领域。
【背景技术】
[0002] 高压输气管道在运行过程中，因管内压力变化、管道材料疲劳或受损，以及外部作 用等原因，导致管道在某处产生管壁裂纹进而出现长距离扩展，不仅会造成严重经济损失 和环境污染，还将形成地面人员伤亡、建筑物及设施破坏受损等灾难性事故。因此，为尽量 减小损失、加快事故发生后的抢修进程，国内外广泛开展了大口径高压金属管道的裂缝形 成及扩展的力学行为研究。研究表明，结构性止裂控制是输气金属管道延性止裂的有效控 制方法，而高压金属管爆破试验是研究结构性止裂控制的重要手段。
[0003] 高压输气管道气压爆破全尺寸原型试验需耗费大量的人力、物力和财力，且对试 验环境和场地的要求非常严格和苛刻，试验一旦失误将造成重大损失。为确保全尺寸原型 试验的成功、降低试验成本，应开展基于原型试验的小规模模型试验。本发明提出模型试验 的方法和流程，针对相关动态参数进行试验测试，获得的管内减压波、裂纹起裂与扩展，以 及管外冲击波压力场、管外地震波振动场等参量测试和形成的测试方法与步骤，对于模型 试验设计提供一种重要方法，对原型试验设计和结果分析也具有参考作用。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种用于高压输气金属 管气压爆破试验的模型试验装置及方法，通过小模型测试金属管气压爆破各种力学性能， 对全尺寸的原型进行指导，节约人力物力，也提高了安全性。
[0005] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种用于高压输气金属管气压爆破试 验的模型试验装置，包括金属管、时间探针单元和将动态信号采集系统，所述金属管的两端 安装有封闭金属管的堵头，在金属管管壁上安装有若干个时间探针单元，在金属管的中心 安装有初始裂缝引入装置，在金属管一端安装有压力传感器，在金属管另一端安装有温度 传感器，金属管还与加压系统连接;在地面上设有若干个自由场压力传感器和地面振动传 感器，在垂直金属管轴线方向上安装有高速摄影机，若干个时间探针单元、温度传感器、压 力传感器和地面振动传感器分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接，若干个自由 场压力传感器通过低噪声同轴电缆与动态信号采集系统连接，动态信号采集系统输出端与 计算机连接。
[0006] 作为优选，所述金属管位于地面上的管槽内，管槽通过两端的钢筋混泥土锚固器 将金属管固定，在管槽两侧地面上设有两组摩擦粧，柔性索缠绕金属管，柔性索的两端分别 固定在金属管两侧的摩擦粧上。
[0007] 作为优选，在安装压力传感器的金属管截面外壁布置8个应变片，8个应变片分别 通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接。
[0008] 作为优选，所述8个应变片沿金属管截面的22.5°、45°、90°、135°、225°、270°、 315°、337.5°分布，其中正对金属管顶部为0°，顺时针增大。
[0009] 作为优选，所述自由场压力传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45° 夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置。
[0010] 作为优选，所述地面振动传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹 角的方向，距离起裂点l〇m、20m、30m位置布置。
[0011] 作为优选，所述温度传感器位于金属管长度1/3处，压力传感器位于金属管长度1/ 4处，压力传感器安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置。
[0012] 作为优选，所述初始裂缝引入装置引入的初始裂纹长度必须大于2c，其中：
[0013]
[0014]
[0015] 式中A。为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8Xl(T5m2;Cv为管材夏比冲击吸收功， 单位J;c为初始裂缝长度的一半，单位mm;E为管材杨氏模量，单位Pa; 〇。为金属管的流变应 力、金属管屈服应力〇s和拉伸强度的平均值，单位Pa; 〇h为金属管的环向应力，单位Pa;Mt 为膨胀因子;R为金属管半径，单位mm; t为金属管壁厚，单位mm。
[0016] 作为优选，所述时间探针单元为直径0.2mm~0.8mm、长度为金属管外壁面周长的 漆包铜线，时间探针单元中心位于初始裂纹所在的管壁母线上，时间探针单元绕金属管截 面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线，时间探针单元在管壁上的布置间距为D/3 ~D，D为金属管直径，所述时间探针单元沿管壁用502胶固定，再用环氧树脂粘贴胶将时间 探针单元覆盖。
[0017] -种如上述的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验方法，包括以下步 骤；
[0018] (1)选择合适的金属管韧性：金属管的韧性值范围可通过下式计算：Cv = kX 〇h2 (Rt)V3,式中Cv为金属管夏比冲击吸收功，单位J;〇h为金属管环向应力，单位MPa;R为金属管 半径，单位mm;t为金属管壁厚，单位mm;k为常数，3.57ΧΠΓ 5。为实现裂纹长距离扩展，试验 金属管的韧性应小于Cv;
[0019] (2)确定金属管的管内目标压力：管内目标压力可根据下式进行核算确定：
，式中P为管内目标压力，单位MPa; 〇s为金属管屈服应力，单位MPa; 1为管 内压力设计系数，取0.68~0.8; t为金属管壁厚，单位m; R为金属管半径，单位m;
[0020] (3)确定金属管初始裂纹长度:初始裂缝的长度通过以下公式得出：
[0021]
[0022]
[0023] 式中A。为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8Xl(T5m2;Cv为管材夏比冲击吸收功， 单位J;c为初始裂缝长度的一半，单位mm;E为管材杨氏模量，单位Pa; 〇。为金属管的流变应 力、金属管屈服应力〇s和拉伸强度的平均值，单位Pa; 〇h为金属管的环向应力，单位Pa;Mt 为膨胀因子;R为金属管半径，单位mm;t为金属管壁厚，单位mm，为实现裂纹的扩展，引入初 始裂缝的长度必须大于2c;
[0024] (4)安装试验系统:将应变片、压力传感器、温度传感器、时间探测单元安装在金属 管上，金属管两端焊接上堵头，将金属管放置在管槽内固定，合理布置自由场压力传感器和 地面振动传感器，连接动态信号采集系统和计算机；
[0025] (5)选择试验内容，进行相应的试验。
[0026] 在本发明中，金属管气压爆破试验具有产生强冲击与振动荷载等特性，为防止金 属管出现脆性断裂现象，试验金属管需具有一定强度和韧性。因此，试验金属管应选择含碳 量适中，强度、塑性和焊接等综合性能较好的无缝钢管。为便于模型试验的实施，同时考虑 相关动态参数获取所需的条件，试验选用金属管的管径宜为〇. 3~0.6m，长度宜为3~10m， 壁厚宜为8~12_。试验温度对管材的止裂韧性有较大影响，随着温度的升高管材的韧性相 应增加。温度过高金属管易发生止裂，过低则出现脆断。根据材料韧脆转换特性，试验的温 度宜为10°C~30°C。
[0027] 在本发明中，所述堵头厚度为1~1.5倍所述金属管壁厚，并通过焊接方式与所述 金属管内壁连接;所述堵头外壁焊接井字型加强筋，同时与所述金属管内壁焊接。
[0028] 为测试相关动态参数需在金属管上设置时间探针单元、压力传感器、温度传感器、 应变片，以及管外的自由场空气压力、地面振动传感器和高速摄影仪等测试单元，并通过高 频信号传输电缆与动态信号采集系统进行连接，从而构建一个多通道高频动态信号测试系 统。
[0029] 在本发明中，加压系统包括空气压缩装置、加压与泄压状态转换装置、高压输气管 单元以及实时压力监控单元组成。加压与泄压状态转换装置安装在距金属管道端部0.3~ 0.5m位置处;空气压缩装置设置在距金属管100~150倍管径范围内；实时压力监控单元安 装在空气压缩装置上;空气压缩装置通过高压输气管单元与金属管连接。
[0030] 在本发明中，管槽在试验地域的岩土介质中开挖而成，主要用于设置和约束试验 管道，其尺寸由试验管道的直径、长度等确定;锚固器由钢筋混凝土浇筑而成，设置在金属 管两端，用于限制金属管在泄压过程的轴向运动;摩擦粧-柔性索由钢筋混凝土粧(金属管） 和柔