一种新型的海洋柔性管道拉弯及压弯组合实验装置的制作方法

本发明涉及一种新型的能够对大型细长海洋柔性管道实现拉弯及压弯组合加载的力学性能实验装置。

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。柔性管道等是深海油气开采中不可或缺的装备之一，其主要负责装备之间的油气输送。连接于海底井口与管汇之间管道称作为海底管道；连接于管汇与海上储存装置之间且呈现垂直形式的称作为立管。柔性管道结构通常由多层加强构件螺旋缠绕而成。海洋柔性管道在在位运行工况时，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，连接于浮体的管道将受到拉弯组合荷载。由于柔性管道自身为复杂的螺旋缠绕结构，拉弯组合作用各层构件应力呈现高水平往复循环，进而产生疲劳损伤甚至磨损，最终发生疲劳破坏。因此，柔性管道的使用寿命是结构设计的关键性能参数。此外，由于管道结构复杂，理论与数值方法难以准确描述疲劳失效机理，需要借助实验模拟研究其失效机理与疲劳寿命估计。另一方面，存储运输和在位运行的柔性管道在触地点处由于偶然性环境荷载将承受明显的压弯组合荷载，严重时容易发生铠装屈曲失效，给修复工作带来了较大的困难。

综上所述，理论和数值方法往往难以准确描述该组合荷载下管道实际力学行为。因此，为了详细研究管道在拉弯和压弯荷载下的力学行为、结构响应以及失效机理，需要通过试验方法来对海洋柔性管道危险段进行组合荷载模拟实验。发现并总结管道失效规律，降低管道使用过程中破坏的概率保证整个管道使用寿命。柔性管道的组合荷载测试是对管道应用情况的重要考验，由于国内柔性管道的研发尚处于起步状态，组合荷载下的实验测试经验尚有不足，亟需一套针对性的实验装置对柔性管道进行测试和验证。研究管道的力学行为特征和失效机理，从而全面掌握动态立管/缆的试验关键技术。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种新型的海洋柔性管道拉弯及压弯组合实验装置。

根据实际工况，采用荷载等效的方法，对海洋柔性管道进行拉弯和压弯组合荷载模拟。因此试验设备需要包含拉伸、压缩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道变形过程相关参数指标(中间或直接物理量)。柔性管道组合加载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道样品进行选取，然后将待测试的管道固定于试验架上，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：

一种新型的海洋柔性管道拉弯及压弯组合实验装置，包括底座以及沿直线排列在所述底座上的可调固定小车、移动小车和第一定滑轮；

所述可调固定小车的下端通过齿形轨道与所述底座连接，所述齿形轨道的锯齿延伸方向垂直于所述直线，所述可调固定小车的下端具有与所述齿形轨道相匹配的齿面，所述可调固定小车上设有第二定滑轮、第一液压缸和两个互相平行的第一支撑板，两个所述第一支撑板的上端之间设有第一圆柱形弯曲装置，所述第一圆柱形弯曲装置靠近所述移动小车的一端具有第一连接法兰面，所述第一圆柱形弯曲装置的两侧侧壁通过第一转动轴与所述第一支撑板旋转连接，所述第一圆柱形弯曲装置设有第一通孔，所述第一通孔的轴线与所述第一圆柱形弯曲装置的轴线重合；

所述移动小车的下端两侧分别设有多个轮，所述轮通过水平滑槽与所述底座滑动连接，所述水平滑槽的延伸方向与所述直线平行，所述水平滑槽内设有用于所述移动小车调整位置后固定的小车止滑块组，所述移动小车上设有两个互相平行的第二支撑板和滑道，所述滑道位于两个所述第二支撑板之间，所述滑道沿所述直线延伸，所述滑道上设有齿条，所述移动小车上还设有推动所述齿条沿所述滑道滑动的第二液压缸，两个所述第二支撑板的上端之间设有第二圆柱形弯曲装置，所述第二圆柱形弯曲装置上设有第二通孔，所述第二通孔的轴线与所述第二圆柱形弯曲装置的轴线重合，所述第二通孔内设有可沿所述第二通孔滑动的圆柱形连接装置，所述圆柱形连接装置的轴长大于所述第二通孔的孔深，所述圆柱形连接装置的两端分别设有第二连接法兰面，靠近所述可调固定小车一侧的所述第二连接法兰面的中部设有钢丝绳连接部，远离所述可调固定小车一侧的所述第二连接法兰面的中部设有沿所述圆柱形连接装置的轴线延伸至所述钢丝绳连接部的第三通孔，所述第二通孔的内壁设有多条沿平行于所述第二通孔轴线方向延伸的凹槽，所述圆柱形连接装置的外壁设有与所述凹槽相匹配的凸条，所述第二圆柱形弯曲装置的两侧侧壁通过第二转动轴与所述第二支撑板旋转连接，所述第二圆柱形弯曲装置的下侧侧壁固定有扇形齿轮，所述扇形齿轮的锯齿与所述齿条的锯齿啮合；

所述第二定滑轮、两个互相平行的所述第一支撑板、两个互相平行的所述第二支撑板和所述第一定滑轮沿所述直线依次排列；

所述第一圆柱形弯曲装置的轴线垂直于所述第一转动轴的轴线；

所述第二圆柱形弯曲装置的轴线垂直于所述第二转动轴的轴线；

所述第一圆柱形弯曲装置的轴线与所述第一转动轴的轴线的交点和所述第二圆柱形弯曲装置的轴线与所述第二转动轴的轴线的交点位于同一水平面内，即高度一致，使得柔性管道连接后，能处于水平；

所述底座上还设有第三液压缸；

所述一种新型的海洋柔性管道拉弯及压弯组合实验装置还包括第一可拉伸钢丝绳和第二可拉伸钢丝绳；

工作状态下，所述第一连接法兰面和靠近所述可调固定小车一侧的所述第二连接法兰面分别与柔性管道的两端连接，柔性管道的管腔内设有多个沿柔性管道的轴线排列的支撑架，所述支撑架的中部设有中心孔，所述中心孔的轴线位于柔性管道的轴线上；

所述第一可拉伸钢丝绳的一端与所述第一液压缸连接，所述第一可拉伸钢丝绳的另一端绕过所述第二定滑轮的下沿并从所述第二定滑轮远离所述可调固定小车的一侧绕出，并依次穿过所述第一通孔和所述中心孔与所述钢丝绳连接部连接，所述第一液压缸拉紧所述第一可拉伸钢丝绳从而带动所述圆柱形连接装置压缩柔性管道，上述过程，所述第二可拉伸钢丝绳处于松弛状态；

所述第二可拉伸钢丝绳的一端与所述第三液压缸连接，所述第二可拉伸钢丝绳的另一端绕过所述第一定滑轮的下沿并从所述第一定滑轮远离所述移动小车的一侧绕出，并穿过所述第三通孔与所述钢丝绳连接部连接，所述第三液压缸拉紧所述第二可拉伸钢丝绳从而带动所述圆柱形连接装置拉伸柔性管道，上述过程，所述第一可拉伸钢丝绳处于松弛状态；

所述第二液压缸通过所述齿条带动所述扇形齿轮转动，从而通过所述第二圆柱形弯曲装置对柔性管道施加弯矩，上述过程，所述第一可拉伸钢丝绳和所述第二可拉伸钢丝绳均处于松弛状态，此时，柔性管道两端竖直位移为零。

所述第一通孔的孔径较小，允许所述第一可拉伸钢丝绳通过即可。

所述小车止滑块组至少包括两个小车止滑块且分别位于所对应的所述移动小车的下端一侧上的多个轮的两侧。

所述第二定滑轮、两个互相平行的所述第一支撑板、两个互相平行的所述第二支撑板和所述第一定滑轮沿所述直线依次排列，保证了所述第一可拉伸钢丝绳和所述第二可拉伸钢丝绳上的各个受力方向位于同一竖直平面内。

为适应不同长度的柔性管道，所述可调固定小车通过所述齿形轨道实现位置调节；所述可调固定小车的下端齿面与所述齿形轨道之间可以涂抹黄油，防止接触面生锈；

所述滑道和所述齿条之间可涂抹黄油，保证滑动顺畅，实现力的有效传递，进而减少实验误差。

所述钢丝绳连接部包括与所述第三通孔连通的圆孔，所述圆孔上设有钢丝绳连接柱，所述钢丝绳连接柱沿所述圆孔的径向延伸。

所述底座包括设有所述齿形轨道、所述水平滑槽、所述第三液压缸和所述第一定滑轮的上面板以及下面板，所述上面板和所述下面板之间设有桁架。

所述支撑架包括三个由所述中心孔向外延伸且以所述中心孔为圆心均匀分布的支杆，所述支杆的自由端设有与柔性管道的管腔相匹配的弧形板。

使用该实验装置进行压弯测试方法如下：

1.根据待测柔性管道的长度，将可调固定小车固定在齿形轨道上的合适位置，通过移动小车细微移动将管道布置到合适位置，之后固定移动小车；

2.连接第二液压缸与齿形，保证两者在运动时不能发生相对位移；

3.固定柔性管道，保证柔性管道水平，且无预加载；

4.根据实验要求，可在柔性管道表面适当位置粘贴应变片。同时用胶带将连接于应变片的排线一端固定于第二圆柱形弯曲装置外侧，防止测试过程中由于排线晃动引起测试数据的波动，另一端连接于采集系统，实现应变数据实时传输；

5.将第二液压缸连接于控制器上，可通过控制器使第二液压缸施载，使试件受到预期弯曲作用；

6.整个实验装置搭建完成后，先对整个测试系统进行初步的调试。通过各液压缸驱动对管道进行小幅度加载，分析采集的应变随时间变化的曲线。待达到测试要求后，可分组开展实验；

7.控制各液压缸，实现分步、同步等多种加载方式，通过调节第一液压缸和第二液压缸可设置不同比例的压弯组合加载；

8.进行压缩实验时，通过控制第一液压缸，实现柔性管道的压缩实验；当进行弯曲实验时，通过控制第二液压缸，实现柔性管道的反复弯曲实验；当进行压弯组合实验时，通过控制第一液压缸及第二液压缸，实现柔性管道的压弯组合实验；

9.记录第二液压缸所施加的力，测量扇形齿轮半径，可得施加于柔性管道上的弯矩；同时，记录第一液压缸所施加的水平拉力；

10.多次测试并对采集到的数据进行统计及误差分析，给出合理的测试结果并最终形成完整实验报告。

使用该实验装置进行拉弯测试方法如下：

1.根据待测柔性管道的长度，将可调固定小车固定在齿形轨道上的合适位置，通过移动小车细微移动将管道布置到合适位置，之后固定移动小车；

2.连接第二液压缸与齿形，保证两者在运动时不能发生相对位移；

3.固定柔性管道，保证柔性管道水平，且无预加载；

4.根据实验要求，可在柔性管道表面适当位置粘贴应变片。同时用胶带将连接于应变片的排线一端固定于第二圆柱形弯曲装置外侧，防止测试过程中由于排线晃动引起测试数据的波动，另一端连接于采集系统，实现应变数据实时传输；

5.将第二液压缸连接于控制器上，可通过控制器使第二液压缸施载，使试件受到预期弯曲作用；

6.整个实验装置搭建完成后，先对整个测试系统进行初步的调试。通过各液压缸驱动对管道进行小幅度加载，分析采集的应变随时间变化的曲线。待达到测试要求后，可分组开展实验；

7.控制各液压缸，实现分步、同步等多种加载方式，通过调节第二液压缸和第三液压缸可设置不同比例的拉弯组合加载；

8.进行拉伸实验时，通过控制第三液压缸，实现柔性管道的拉伸实验；当进行弯曲实验时，通过控制第二液压缸，实现柔性管道的反复弯曲实验；当进行拉弯组合实验时，通过控制第三液压缸及第二液压缸，实现柔性管道的拉弯组合实验；

9.记录第二液压缸所施加的力，测量扇形齿轮半径，可得施加于柔性管道上的弯矩；同时，记录第三液压缸所施加的水平拉力；

10.多次测试并对采集到的数据进行统计及误差分析，给出合理的测试结果并最终形成完整实验报告。

本发明具有以下优势：

1.本实验装置新颖实用，仅依靠液压缸为动力来源，即可实现多种实验方式。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。

2.对于不同长度管缆，可通过齿形轨道来实现可调固定小车的位置调节，通过移动小车细微移动将管道布置到合适位置，之后固定移动小车，实现管道的合理布置，本发明具有优越的灵活性。

3.该装置可以对各种柔性管道进行试验，例如橡胶管、漂浮管等各种粘接管道以及非粘接管道。

4.柔性管道弯曲过程中，柔性管道受纯弯矩荷载作用，可实现纯弯曲的实验要求，且通过第二液压缸施加于柔性管道上的弯矩较为稳定均匀，方便后期数据记录和处理。

5.本发明的底座使用桁架结构和钢板组成，承重大，且节省钢材，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。具有可设计性、经济性等特点。

6.本发明的三个液压缸动力来源，记录数据方便，且计算施加于柔性管道的弯矩计算公式简单，容易计算和操作。

7.柔性管道周围空间较大，方便添加相应仪器对试件变形测量记录。

8.当进行拉弯组合荷载测试时，端部承受拉力的同时，第二圆柱形弯曲装置施加弯曲荷载，该行为能够真实地模拟连接于平台段的柔性管道。

9.当进行压弯组合荷载测试时，通过拉紧所述第一可拉伸钢丝绳实现柔性管道的压缩，柔性管道的管腔内的支撑架使压缩荷载作用在中轴线上，实现纯压缩测试。而且，第一可拉伸钢丝绳拉伸状态不妨碍弯曲荷载的施加，充分实现压弯组合加载。

10.该实验装置避免了作动器直接对管道施加拉力或者压力，通过绳索传递荷载，避免直接作用对作动器产生较大的损伤。

基于上述理由本发明可在实验测试等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中一种新型的海洋柔性管道拉弯及压弯组合实验装置的空间结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中第二圆柱形弯曲装置与扇形齿轮的装配示意图。

图3是本发明的具体实施方式中圆柱形连接装置的结构示意图。

图4是本发明的具体实施方式中支撑架的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示，一种新型的海洋柔性管道拉弯及压弯组合实验装置，包括底座以及沿直线排列在所述底座上的可调固定小车1、移动小车2和第一定滑轮3；

所述可调固定小车1的下端通过齿形轨道4与所述底座连接，所述齿形轨道4的锯齿延伸方向垂直于所述直线，所述可调固定小车1的下端具有与所述齿形轨道4相匹配的齿面，所述可调固定小车1上设有第二定滑轮5、第一液压缸6和两个互相平行的第一支撑板7，两个所述第一支撑板7的上端之间设有第一圆柱形弯曲装置8，所述第一圆柱形弯曲装置8靠近所述移动小车2的一端具有第一连接法兰面，所述第一圆柱形弯曲装置8的两侧侧壁通过第一转动轴9与所述第一支撑板7旋转连接，所述第一圆柱形弯曲装置8设有第一通孔，所述第一通孔的轴线与所述第一圆柱形弯曲装置8的轴线重合；

所述移动小车2的下端两侧分别设有多个轮10，所述轮10通过水平滑槽11与所述底座滑动连接，所述水平滑槽11的延伸方向与所述直线平行，所述水平滑槽11内设有用于所述移动小车2调整位置后固定的小车止滑块组，所述移动小车2上设有两个互相平行的第二支撑板12和滑道13，所述滑道13位于两个所述第二支撑板12之间，所述滑道13沿所述直线延伸，所述滑道13上设有齿条14，所述移动小车2上还设有推动所述齿条14沿所述滑道13滑动的第二液压缸15，两个所述第二支撑板12的上端之间设有第二圆柱形弯曲装置16，所述第二圆柱形弯曲装置16上设有第二通孔17，所述第二通孔17的轴线与所述第二圆柱形弯曲装置16的轴线重合，所述第二通孔17内设有可沿所述第二通孔17滑动的圆柱形连接装置18，所述圆柱形连接装置18的轴长大于所述第二通孔17的孔深，所述圆柱形连接装置18的两端分别设有第二连接法兰面19，靠近所述可调固定小车1一侧的所述第二连接法兰面19的中部设有钢丝绳连接部20，远离所述可调固定小车1一侧的所述第二连接法兰面19的中部设有沿所述圆柱形连接装置18的轴线延伸至所述钢丝绳连接部20的第三通孔，所述第二通孔17的内壁设有多条沿平行于所述第二通孔17轴线方向延伸的凹槽21，所述圆柱形连接装置18的外壁设有与所述凹槽21相匹配的凸条22，所述第二圆柱形弯曲装置16的两侧侧壁通过第二转动轴23与所述第二支撑板12旋转连接，所述第二圆柱形弯曲装置16的下侧侧壁固定有扇形齿轮24，所述扇形齿轮24的锯齿与所述齿条14的锯齿啮合；

所述第二定滑轮5、两个互相平行的所述第一支撑板7、两个互相平行的所述第二支撑板12和所述第一定滑轮3沿所述直线依次排列；

所述第一圆柱形弯曲装置8的轴线垂直于所述第一转动轴9的轴线；

所述第二圆柱形弯曲装置16的轴线垂直于所述第二转动轴23的轴线；

所述第一圆柱形弯曲装置16的轴线与所述第一转动轴9的轴线的交点和所述第二圆柱形弯曲装置16的轴线与所述第二转动轴23的轴线的交点位于同一水平面内；

所述底座上还设有第三液压缸25；

所述一种新型的海洋柔性管道拉弯及压弯组合实验装置还包括第一可拉伸钢丝绳26和第二可拉伸钢丝绳27；

工作状态下，所述第一连接法兰面和靠近所述可调固定小车1一侧的所述第二连接法兰面19分别与柔性管道28的两端连接，柔性管道28的管腔内设有多个沿柔性管道28的轴线排列的支撑架，所述支撑架的中部设有中心孔29，所述中心孔29的轴线位于柔性管道28的轴线上；

所述第一可拉伸钢丝绳26的一端与所述第一液压缸6连接，所述第一可拉伸钢丝绳26的另一端绕过所述第二定滑轮5的下沿并从所述第二定滑轮5远离所述可调固定小车1的一侧绕出，并依次穿过所述第一通孔和所述中心孔29与所述钢丝绳连接部20连接，所述第一液压缸6拉紧所述第一可拉伸钢丝绳26从而带动所述圆柱形连接装置18压缩柔性管道28；

所述第二可拉伸钢丝绳27的一端与所述第三液压缸25连接，所述第二可拉伸钢丝绳27的另一端绕过所述第一定滑轮3的下沿并从所述第一定滑轮3远离所述移动小车2的一侧绕出，并穿过所述第三通孔与所述钢丝绳连接部连接，所述第三液压缸25拉紧所述第二可拉伸钢丝绳27从而带动所述圆柱形连接装置18拉伸柔性管道28；

所述第二液压缸15通过所述齿条14带动所述扇形齿轮24转动，从而通过所述第二圆柱形弯曲装置16对柔性管道28施加弯矩。

所述钢丝绳连接部20包括与所述第三通孔连通的圆孔，所述圆孔上设有钢丝绳连接柱，所述钢丝绳连接柱沿所述圆孔的径向延伸。

所述底座包括设有所述齿形轨道4、所述水平滑槽11、所述第三液压缸25和所述第一定滑轮3的上面板30以及下面板31，所述上面板30和所述下面板31之间设有桁架32。

所述支撑架包括三个由所述中心孔29向外延伸且以所述中心孔29为圆心均匀分布的支杆33，所述支杆33的自由端设有与柔性管道28的管腔相匹配的弧形板34。

所述小车止滑块组至少包括两个小车止滑块35且分别位于所对应的所述移动小车2的下端一侧上的多个轮10的两侧。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实例技术方案的范围。