一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置及方法与流程

本发明涉及管缆测试领域，具体地说是一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置及方法。

背景技术：

我国海洋油气资源储量丰富，且大多数分布于南海等深水海域。而海缆、脐带缆以及柔性管道等是深海油气开采中不可或缺的装备之一。这类装备可统称为海洋柔顺性管缆，其结构通常由相应的功能构件及加强构件如铠装钢丝等组成。针对不同的工程需求，应选用相应功能的管缆；海缆主要负责为海底采油设备提供电能，脐带缆主要提供水上浮体与海底装备之间电力、信号传输等相关功能，柔性管道主要负责装备之间的油气输送。海洋柔顺性管缆在存储运输、安装铺设和在位运行等工况时，由于受到工作荷载、浮体运动和复杂海洋环境等因素影响，容易造成多种力学行为失效。其中，当管缆长期受到弯曲荷载影响时，管缆的内部功能及承力构件将发生破坏，即疲劳破坏，影响管缆功能的正常运行。同时，长期弯曲荷载作用下的柔性管缆在水压和轴向压缩的作用下容易导致铠装钢丝的侧向屈曲。为了确定管缆是否失效，以及失效后结构的响应，从而降低使用过程中破坏的概率以及及时监控管缆，保证管缆使用寿命内正常运行。需用试验方法来对海洋柔性管缆在反复弯曲荷载下的状态进行校核和研究。测定柔性管缆在反复弯曲作用下铠装钢丝的应变累积变化状态，对后期钢丝抗屈曲设计以及疲劳寿命分析都有重要意义。

目前管缆反复弯曲试验往往依托真实海洋环境，但该种方法极其昂贵。所以国外一些实验室、生产厂家、石油公司采用室内模拟方法进行反复弯曲实验，这样可以大幅度减少成本。虽然国外已有反复弯曲实验机，但设计繁琐且不经济，往往操作不便。

依据实际工程需求，反复弯曲实验常用于模拟海洋工程柔顺性管缆在位工况下的真实弯曲状态。采用等效力的方法，对海洋柔性管缆在大于最小弯曲半径范围内进行反复弯曲。因此反复弯曲试验设备需要包含确定弯曲半径的砧板以及施加弯矩使其发生往复周期弯曲变形的设备。为了保证整体的稳定性，还应有使管缆沿着一定方向运动的轨道。除此之外，实验过程需要配置测量设备，如应变片或传感器等以便提取管缆反复弯曲过程相关参数指标(中间或直接物理量)。管缆反复弯曲实验流程通常按如下步骤：取样、固定、布片、加载、测量和后处理模式展开。实验开始前要制定相应测试方案并对管缆样品进行选取,然后将待测试的管缆固定于试验架上，选择、安装合适的轨道，根据实验要求在测试位置进行应变片布置，并将其连接于数据采集设备。确保上述操作无误后启动加载设备，同时实时采集相关数据。最后，对所得数据进行分析处理并形成完善的实验报告。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置及方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置，包括砧座，所述砧座包括管缆弯曲支撑板和位于所述管缆弯曲支撑板上的两个弧板，两个所述弧板的弧面之间相对设置，所述管缆弯曲支撑板上设有连接管缆的固定接头Ⅰ，所述固定接头Ⅰ位于两个所述弧板的弧面之间，所述固定接头Ⅰ的轴线位于两个所述弧板的轴线所在平面内，所述测试装置还包括驱动管缆在所述平面内绕着所述固定接头Ⅰ反复弯曲的驱动装置和固定所述管缆弯曲支撑板的支撑台。

所述驱动装置包括作动器，所述一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置还包括棘轮，

所述作动器一端通过连接杆Ⅰ与转动接头Ⅰ连接，所述作动器可绕所述转动接头Ⅰ在所述平面内旋转，

所述作动器的另一端通过连接杆Ⅱ与转动接头Ⅱ连接，所述作动器可绕所述转动接头Ⅱ在所述平面内旋转，

所述连接杆Ⅰ和所述连接杆Ⅱ的轴线均位于所述平面内，

所述棘轮通过棘轮座与所述支撑台连接，所述棘轮座上设有防止所述棘轮沿锁死方向旋转的止挡块，所述棘轮的旋转中心固定连接有曲柄，所述曲柄的另一端设有可沿所述连接杆Ⅱ滑动的滑套，所述滑套的轴线平行于所述棘轮的旋转平面，所述棘轮想要旋转时，使所述止挡块与所述棘轮分离，待旋转完成后，所述止挡块与所述棘轮接触，并防止所述棘轮旋转。

所述转动接头Ⅰ的另一端设有与管缆连接的固定接头Ⅱ，

所述转动接头Ⅱ的另一端与所述支撑台固定连接，

工作状态下，所述作动器伸缩，驱动所述滑套沿所述连接杆Ⅱ滑动，从而改变所述作动器摆动的方向，进而驱动管缆反复弯曲。

所述弧板的水平截面的外沿上曲率半径为3米，大于绝大多数管缆的最小弯曲半径。

所述弧板的内沿设有与所述管缆弯曲支撑板连接的支撑桁架结构。

所述平面均为两个所述弧板的轴线所在平面。

所述支撑台上还设有垂直轨道装置，所述垂直轨道装置具有垂直导槽，所述垂直导槽内设有环，所述环的两侧具有与所述垂直导槽的槽壁连接的连接柱，所述连接杆Ⅰ一端与所述作动器连接，另一端穿过所述环与所述转动接头Ⅰ连接，

工作状态下，所述环可通过所述连接柱沿所述垂直导槽滑动和相对旋转。

本发明还公开了一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试方法，具有如下步骤：

S1、设计如上述所述的测试装置；

S2、将管缆的一端通过管缆接头与所述固定接头Ⅰ垂直连接，管缆的另一端通过管缆接头与所述固定接头Ⅱ连接；

S3、在距离所述弧板最近的管缆的母线上开取多个密集排列的、能将管缆内部的铠装钢丝漏出、并能容纳应变片的开口，通过胶水将所述应变片粘结于所述铠装钢丝上，同时用胶带将连接于所述应变片的排线一端固定于管缆上，所述排线另一端与采集系统连接，实现应力应变数据实时传输；

S4、在管缆轴向三等分一处开取约直径三分之一的矩形视窗口，方便观察反复弯曲过程中铠装钢丝的位移累积状态变化；

S5、调整所述滑套的位置，进而改变所述作动器摆动的最大幅度，使其能够在管缆最小弯曲半径内工作，并且不破坏管缆；

S6、通过所述作动器驱动对管缆进行小幅度加载，分析采集的应变随时间变化的曲线，完成对整个测试系统进行初步的调试，待达到测试要求后，分组开展实验；

S7、设定所述作动器的推进速度，随着荷载的不断增大，管缆逐渐向所述弧板弯曲，记录各应变片的数据变化情况以及拍照记录铠装钢丝的变形状态，直到达到规定的反复弯曲次数。

本发明具有以下优点：

1、相比单边弯曲装置，本发明可以使管缆以轴线为对称轴进行两侧反复弯曲，因此，两侧弯曲的最大挠度相等，能够更加全面地测试管缆的弯曲行为，真实再现管缆实际运行状态。

2、调节滑套位置，便可改变作动器的最大摆幅，从而适应不同管缆的弯曲挠度要求。

3、本实验装置简洁，仅依靠作动器为动力来源，而棘轮能够有效实现管缆的两侧反复弯曲，棘轮的旋转周期和管缆的弯曲周期同步。

基于上述理由本发明可在管缆测试等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的具体实施方式中一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置的结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中驱动装置的结构示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是图2的右视图。

图5是本发明的具体实施方式中棘轮的连接示意图。

图6是图5的俯视图。

图7是图5的右视图。

图8是本发明的具体实施方式中砧座的侧视图。

图9是图8的右视图。

图10是本发明的具体实施方式中垂直轨道装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1-图10所示，一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置，包括砧座，所述砧座包括管缆弯曲支撑板1和位于所述管缆弯曲支撑板1上的两个弧板2，两个所述弧板2的弧面之间相对设置，所述管缆弯曲支撑板1上设有连接管缆3的固定接头Ⅰ4，所述固定接头Ⅰ4位于两个所述弧板2的弧面之间，所述固定接头Ⅰ4的轴线位于两个所述弧板2的轴线所在平面内，所述测试装置还包括驱动管缆3在所述平面内绕着所述固定接头Ⅰ4反复弯曲的驱动装置和固定所述管缆弯曲支撑板1的支撑台5。

所述驱动装置包括作动器6，所述一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试装置还包括棘轮7，

所述作动器6一端通过连接杆Ⅰ8与转动接头Ⅰ9连接，所述作动器6可绕所述转动接头Ⅰ9在所述平面内旋转，

所述作动器6的另一端通过连接杆Ⅱ10与转动接头Ⅱ11连接，所述作动器6可绕所述转动接头Ⅱ11在所述平面内旋转，

所述连接杆Ⅰ8和所述连接杆Ⅱ10的轴线均位于所述平面内，

所述棘轮7通过棘轮座12与所述支撑台5连接，所述棘轮座7上设有防止所述棘轮7沿锁死方向旋转的止挡块17，所述棘轮7的旋转中心固定连接有曲柄13，所述曲柄13的另一端设有可沿所述连接杆Ⅱ10滑动的滑套14，所述滑套14的轴线平行于所述棘轮7的旋转平面，

所述转动接头Ⅰ9的另一端设有与管缆3连接的固定接头Ⅱ15，

所述转动接头Ⅱ11的另一端与所述支撑台5固定连接，

工作状态下，所述作动器6伸缩，驱动所述滑套14沿所述连接杆Ⅱ10滑动，从而改变所述作动器6摆动的方向，进而驱动管缆3反复弯曲。

所述弧板2的水平截面的外沿上曲率半径为3米，大于绝大多数管缆的最小弯曲半径。

所述弧板2的内沿设有与所述管缆弯曲支撑板1连接的支撑桁架结构16。

所述支撑台5上还设有垂直轨道装置18，所述垂直轨道装置18具有垂直导槽，所述垂直导槽内设有环19，所述环19的两侧具有与所述垂直导槽的槽壁连接的连接柱，所述连接杆Ⅰ8一端与所述作动器6连接，另一端穿过所述环19与所述转动接头Ⅰ9连接，

工作状态下，所述环19可通过所述连接柱沿所述垂直导槽滑动和相对旋转。

实施例2

一种海洋工程柔顺性管缆反复弯曲测试方法，具有如下步骤：

S1、设计如实施例1所述的测试装置；

S2、将管缆3的一端通过管缆接头与所述固定接头Ⅰ4垂直连接，管缆3的另一端通过管缆接头与所述固定接头Ⅱ15连接；

S3、在距离所述弧板2最近的管缆3的母线上开取多个密集排列的、能将管缆3内部的铠装钢丝漏出、并能容纳应变片的开口，通过胶水将所述应变片粘结于所述铠装钢丝上，同时用胶带将连接于所述应变片的排线一端固定于管缆3上，所述排线另一端与采集系统连接，实现应力应变数据实时传输；

S4、在管缆3轴向三等分一处开取约直径三分之一的矩形视窗口，方便观察反复弯曲过程中铠装钢丝的位移累积状态变化；

S5、调整所述滑套14的位置，进而改变所述作动器6摆动的最大幅度，使其能够在管缆3最小弯曲半径内工作，并且不破坏管缆3；

S6、通过所述作动器6驱动对管缆3进行小幅度加载，分析采集的应变随时间变化的曲线，完成对整个测试系统进行初步的调试，待达到测试要求后，分组开展实验；

S7、设定所述作动器6的推进速度，随着荷载的不断增大，管缆3逐渐向所述弧板2弯曲，记录各应变片的数据变化情况以及拍照记录铠装钢丝的变形状态，直到达到规定的反复弯曲次数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。