一种海洋工程柔顺性管缆拉弯组合实验装置及实验方法与流程

本发明涉及海洋工程柔顺性管缆实验领域，具体地说是一种海洋工程柔顺性管缆拉弯组合实验装置及实验方法。

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开或缺的装备。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。海洋柔性管缆在安装或者在位工况时，通常会受到拉伸弯曲组合荷载。由于柔顺性管缆自身为复杂的螺旋缠绕结构，弯曲荷载下构件间的相互摩擦行为将明显受到拉力大小的影响，其管缆表征的力学行为将非常复杂。同时，由于风浪流的作用，以及平台在复杂海洋环境下的往复运动，连接于浮体的管缆将呈现反复弯曲的行为，进而产生疲劳损伤，导致疲劳破坏。疲劳直接关乎到管缆的使用寿命，在海洋结构的疲劳寿命计算时通常采用是基于材料S-N曲线的Miner疲劳损伤累积方法。而且，管缆的使用寿命是各大生产厂家和设计机构最关心的性能参数之一，因此，管缆疲劳问题的研究是管缆设计流程中不可忽视的重要环节。

针对上述问题，理论和数值方法往往难以准确描述该组合荷载下管缆实际行为。因此，为了详细研究管缆拉伸弯曲组合行为，以及疲劳失效机理和失效后结构的响应，需要通过试验方法来对海洋柔性管缆危险段进行拉弯组合模拟实验。从而通过实验结果提取设计规律，降低管缆使用过程中破坏的概率以及及时监控管缆保证整个管缆使用寿命。柔性管缆的拉弯组合测试是对其实际应用情况的最重要考验，由于国内柔性管缆的研究尚处于起步状态，无相关实验经验，亟需一套完备的实验装置来进行管缆测试和验证。进而研究管缆力学行为特征和疲劳失效机理，从而掌握动态立管/缆的拉弯或疲劳试验关键技术，同时验证管缆的相关性能参数(刚度，强度和疲劳)设计。

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拉弯组合实验装置及实验方法。根据实际工况，采用荷载等效的方法，对海洋柔性管缆在一定弯曲半径范围内进行拉伸和反复弯曲。因此反复弯曲试验设备需要包含拉伸设备和施加弯矩使其发生往复周期弯曲变形的设备。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)。管缆拉弯组合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，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。

本发明采用的技术手段如下：

一种海洋工程柔顺性管缆拉弯组合实验装置，包括固定转动接头、四点弯曲桁架装置和轴向拉伸装置，

所述四点弯曲桁架装置包括作动器Ⅰ、连接架、四边形框架Ⅰ和四边形框架Ⅱ，所述连接架呈四棱锥状且所述连接架的底面呈矩形，所述连接架的顶点在所述连接架的底面上的正投影与所述连接架的底面的中心重合，所述连接架的底面的四个顶点分别设有与所述连接架的轴线所在直线平行的螺纹杆，所述四边形框架Ⅰ的顶点分别通过所述螺纹杆与所述连接架固定连接，所述四边形框架Ⅱ的顶点分别通过所述螺纹杆与所述连接架可滑动连接，所述四边形框架Ⅱ的远离所述四边形框架Ⅰ的一侧设有与所述螺纹杆相匹配的螺母，所述连接架的顶点设有所述作动器Ⅰ的输出端，且所述作动器Ⅰ的输出方向与所述连接架的轴线位于同一直线上，

所述轴向拉伸装置包括与所述固定转动接头相对设置的可移动转动接头，固定轨道板和作动器Ⅱ，所述固定转动接头与所述可移动转动接头的连线垂直于所述连接架的轴线所在直线，

所述四边形框架Ⅰ和所述四边形框架Ⅱ沿所述连线方向排列的支杆上均设有凹面辊，

所述四边形框架Ⅰ和所述四边形框架Ⅱ均与所述连接架的底面平行，

所述固定转动接头和所述可移动转动接头的接头旋转平面位于同一平面内，且所述连接架的轴线所在直线位于所述平面内，

所述固定轨道板设有两个使所述可移动转动接头沿所述连线方向滑动的导向孔，所述可移动转动接头通过连接柱与所述导向孔连接，所述可移动转动接头远离所述固定转动接头的一侧与所述作动器Ⅱ的输出端连接。

所述凹面辊的凹面呈圆弧形，且曲率半径为500mm。

本发明还公开了一种海洋工程柔顺性管缆拉弯组合实验方法，具有如下步骤：

S1、设计如上述所述的实验装置；

S2、将管缆的一端通过管缆接头与所述固定转动接头连接，管缆的另一端从所述四边形框架Ⅰ和所述四边形框架Ⅱ穿过，并通过管缆接头与所述可移动转动接头连接；

S3、调整所述可移动转动接头的位置，使得管缆的轴线与所述连线重合，调整四点弯曲桁架装置位于管缆的中间段，根据管缆的直径调整所述螺母位置，保证所述作动器Ⅰ能够稳定加载；

S4、在管缆的纯弯曲段的圆周方向均匀开设八个容纳应变片的开口Ⅰ，在所述纯弯曲段的中间位置向两侧沿管缆母线方向开设多个容纳应变片的开口Ⅱ，且越靠近中间位置所述开口Ⅱ越密集，通过胶水将应变片粘结于管缆内部的铠装钢丝上，同时用胶带将连接于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；

S5、在管缆的纯弯曲段上方中点以及靠近两端处(三点之间的距离相等)布置位移计，并通过水准仪的校核使位移计的顶针垂直于管缆的轴线方向。从而能够准确测量弯曲变形后随一时刻管/缆的垂向位移，方便后期换算求得曲率变化值；

S6、布置完上述测量装置后，首先通过所述作动器Ⅱ驱动对管缆沿轴向方向加载到预定拉伸张力并维持该力大小不发生变化，随后驱动所述作动器Ⅰ沿垂直管缆轴线方向进行弯曲变形小幅度加载，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Ⅰ往复运行速度，随着荷载的不断增大，管缆可明显同时承受拉伸和弯曲作用，记录各位移计和应变片的数据变化情况，方便后期研究管缆拉弯组合荷载下的力学行为。

S8、如果该装置用于测试管缆在拉伸状态下的反复弯曲疲劳行为，那么实验往复循环直到规定的反复弯曲次数。

本发明具有以下优点：

1)本发明的实验装置充分结合了四点弯曲和轴向拉伸实验装备的各自优点，使管缆在中间段仅受纯弯曲荷载和拉伸荷载，实现理想状态下的拉弯组合荷载；

2)对于不同长度、直径的管缆，可通过螺母来调节四边形框架Ⅰ和四边形框架Ⅱ之间的距离，具有优越的灵活性；

3)本实验装置简洁，仅依靠作动器为动力来源，实现拉伸和反复弯曲共同作用。而且，两者相互独立能够有效的控制各自荷载的施加。同时，可以根据工程和设计要求实现加载顺序的任意变换；

4)四点弯曲采用桁架结构，简单轻便，节省材料，在保证整体刚度和强度的前提下有效地减少整体结构重量；

5)管缆弯曲过程中，凹面辊可转动，因而与管缆之间的滚动摩擦对实验产生的影响可忽略不计；

6)管缆上下均有凹面辊，可实现管缆的上下反复弯曲，相比之前的装置只能单方向弯曲，更能模拟出实际工况，测试出管缆的拉弯力学行为特征和疲劳性能；

7)在整个弯曲的过程中，四点弯曲桁架装置能够保证不发生变形，因此，施加于管缆试样上的弯矩能够始终保证不变，方便后期数据处理；

8)凹面辊的凹面呈圆弧形，且曲率半径为500mm，能够覆盖目前绝大多数管缆的横截面半径。因此，凹面辊的凹面对管缆截面有着很好的适应能力。

9)本实验装置兼具多功能性和可拆卸性，能分别进行四点弯曲实验和轴向拉伸实验而互不影响，使得“一机三用”。基于上述理由本发明可在海洋工程柔顺性管缆实验等领域广泛推广。

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拉弯组合实验装置的结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中四点弯曲桁架装置的主视图。

图3是图2的侧视图。

图4是图2的俯视图。

具体实施方式

实施例1

如图1-图4所示，一种海洋工程柔顺性管缆拉弯组合实验装置，包括固定转动接头1、四点弯曲桁架装置2和轴向拉伸装置3，

所述四点弯曲桁架装置2包括作动器Ⅰ4、连接架5、四边形框架Ⅰ6和四边形框架Ⅱ7，所述连接架5呈四棱锥状且所述连接架5的底面呈矩形，所述连接架5的顶点在所述连接架5的底面上的正投影与所述连接架5的底面的中心重合，所述连接架5的底面的四个顶点分别设有与所述连接架5的轴线所在直线平行的螺纹杆8，所述四边形框架Ⅰ6的顶点分别通过所述螺纹杆8与所述连接架5固定连接，所述四边形框架Ⅱ7的顶点分别通过所述螺纹杆8与所述连接架5可滑动连接，所述四边形框架Ⅱ7的远离所述四边形框架Ⅰ6的一侧设有与所述螺纹杆8相匹配的螺母9，所述连接架5的顶点设有所述作动器Ⅰ4的输出端，且所述作动器Ⅰ4的输出方向与所述连接架5的轴线位于同一直线上，

所述轴向拉伸装置3包括与所述固定转动接头1相对设置的可移动转动接头10，固定轨道板11和作动器Ⅱ12，所述固定转动接头1与所述可移动转动接头10的连线垂直于所述连接架5的轴线所在直线，

所述四边形框架Ⅰ6和所述四边形框架Ⅱ7沿所述连线方向排列的支杆上均设有凹面辊13，

所述四边形框架Ⅰ6和所述四边形框架Ⅱ7均与所述连接架5的底面平行，

所述固定转动接头1和所述可移动转动接头10的接头旋转平面位于同一平面内，且所述连接架5的轴线所在直线位于所述平面内，

所述固定轨道板11设有两个使所述可移动转动接头10沿所述连线方向滑动的导向孔14，所述可移动转动接头10通过连接柱15与所述导向孔14连接，所述可移动转动接头10远离所述固定转动接头1的一侧与所述作动器Ⅱ12的输出端连接。

所述凹面辊13的凹面呈圆弧形，且曲率半径为500mm。

实施例2

一种海洋工程柔顺性管缆拉弯组合实验方法，具有如下步骤：

S1、设计如实施例1所述的实验装置；

S2、将管缆16的一端通过管缆接头与所述固定转动接头1连接，管缆16的另一端从所述四边形框架Ⅰ6和所述四边形框架Ⅱ7穿过，并通过管缆接头与所述可移动转动接头10连接；

S3、调整所述可移动转动接头10的位置，使得管缆16的轴线与所述连线重合，调整四点弯曲桁架装置2位于管缆16的中间段，根据管缆16的直径调整所述螺母9位置，保证所述作动器Ⅰ4能够稳定加载；

S4、在管缆16的纯弯曲段的圆周方向均匀开设八个容纳应变片的开口Ⅰ，在所述纯弯曲段的中间位置向两侧沿管缆母线方向开设多个容纳应变片的开口Ⅱ，且越靠近中间位置所述开口Ⅱ越密集，通过胶水将应变片粘结于管缆16内部的铠装钢丝上，同时用胶带将连接于应变片的排线一端固定于管缆16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；

S5、在管缆16的纯弯曲段上方中点以及靠近两端处(三点之间的距离相等)布置位移计，并通过水准仪的校核使位移计的顶针垂直于管缆16的轴线方向。从而能够准确测量弯曲变形后随一时刻管缆体16的垂向位移，方便后期换算求得曲率变化值；

S6、布置完上述测量装置后，首先通过所述作动器Ⅱ12驱动对管缆16沿轴向方向加载到预定拉伸张力并维持该力大小不发生变化，随后驱动所述作动器Ⅰ4沿垂直管缆16轴线方向进行弯曲变形小幅度加载，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Ⅰ往复运行速度，随着荷载的不断增大，管缆16可明显同时承受拉伸和弯曲作用，记录各位移计和应变片的数据变化情况，方便后期研究管缆拉弯组合荷载下的力学行为。

S8、如果该装置用于测试管缆16在拉伸状态下的反复弯曲疲劳行为，那么实验往复循环直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。