本发明涉及一种复杂载荷试验装置，特别涉及一种水压提供轴力加载的复杂载荷试验装置。
背景技术
石油能源加快了世界工业变革的步伐，迅速成为全世界范围内的最主要能源，在过去的100多年里，石油能源在国际格局中扮演着重要的角色。能源安全及保障成为世界各国当前首要的战略目标，能源的持续供给是各国经济可持续发展的重要保障。对我国来说，随着我国经济的持续发展，我国油气资源的消费量持续增加。在1993年成为石油净进口国之后，我国油气资源对外依存度不断攀升。陆上化石能源经历了掠夺式的开采，在经济高速发展的今天，全世界范围内对化石能源的需求也越来越大，于是全世界将目光投向海洋，海洋油气资源开发迅速成为各国大力发展的核心产业，将海洋油气资源开发纳入中长期发展战略当中，相比开发接近饱和的陆地及近海油气资源，我国的深海油气资源储量可观，深海油气的开发将支持经济的可持续快速发展。
然而我国的深海采油技术还处于初级开发阶段，各种关键技术还有待进一步突破。管道作为油气资源的主要运输方式，在海洋石油开采中得到了广泛的应用，担负着重要的使命。但是由于深海管道所处环境复杂，不确定因素多，管道在制造、运输过程中产生的缺陷都将成为导致管道破坏失效的重要因素。海底管道在极端复杂载荷的作用下极易发生局部破坏，对经济和环境带来严重损失，于是必须建立一套完整的计算海底管道极限承载力的评价标准，采用模型试验的方法研究海底管线屈曲失效机理，为我国海洋工程领域结构物的校核和安装提供试验支撑和技术积累，使国内海底管线相关试验装备和研究成果具有国际领先水平，将科研成果转化为我国海底管线设计的实际工程，服务于我国海洋工程建设。现今国内外在深海压力舱设计方面存在的不足之处主要有：
①试验装置功能单一，只能实现外部水压载荷的加载，不能满足现在实际工况中不同载荷的联合加载，工程应用价值已不足；
②在目前设计研发中，深海压力舱为实现复杂载荷对试验管件的联合作用，必须配备大型液压泵站来实现，依托液压泵站与液压缸的共同作用来完成复杂载荷尤其是轴力的施加，液压泵站价格昂贵，轴力的加载需要多个配套设备协调配合完成，对试验场地也有要求，此外液压缸与试验管件的连接装置装卸复杂，耗时费力。
国内已有试验装置，如专利申请号为cn201110008538.3，名称为一种深水海底管道屈曲试验装置，该装置设计完成了海底管道轴力的加载，但该试验装置需要配备大型的液压装置，花费较大且需要多组设备协调配合完成，操作难度较大，容错率低。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作流程简单方便的水压提供轴力加载的复杂载荷试验装置，该装置依托一套水压加载装置完成水压载荷和轴力载荷的联合加载，克服必须依靠液压缸等配套设备完成轴力加载的技术壁垒，降低复杂载荷联合加载时的成本，为复杂载荷深海试验舱的设计提供新思路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种水压加载轴力的复杂载荷试验装置，其特征在于：该装置包括压力舱体、舱盖和环状径向密封装置；所述压力舱体通过舱壁分隔为主舱体和尾端舱体，所述主舱体上设有第一加压阀、水密接头、第一注水排气一体阀以及第一排水阀，所述尾端舱体上设有第二加压阀、第二注水排气一体阀以及第二排水阀；所述舱盖通过卡箍组件密封连接在所述主舱体的前端，且所述舱盖的端部伸入所述主舱体内，所述环状径向密封装置套置于所述尾端舱体的内部，所述舱壁和环状径向密封装置上依次开设有供试验管件穿过的通孔，所述试验管件依次穿过所述舱壁和环状径向密封装置上的通孔并伸出所述尾端舱体，所述试验管件的前端固定在所述舱盖的端部，所述试验管件的末端螺纹连接大螺母，且所述大螺母与所述环状径向密封装置的端面紧密贴合。
所述舱盖伸入所述主舱体的端部上设有第一法兰，所述试验管件的前端设置与所述第一法兰配合的第二法兰，所述试验管件末端设有带有螺纹的堵块。
所述环状径向密封装置为叠加套置于所述尾端舱体内的两个塑胶材质的环状密封圈。
所述压力舱体通过鞍座及鞍座调节块支撑设置在地面上，所述舱盖通过基座支撑设置在地面上，且所述舱盖的重心落在所述基座上，使所述舱盖与压力舱体两者的中心轴线重合。
所述舱盖采用自动化液压装置控制启闭，所述舱盖和主体舱的横向贴合面之间通过定位销连接。
该装置还包括能够导向运输所述试验管件的可移动圆环盘，所述可移动圆环盘滑动设置于所述主舱体内，其外轮廓与所述主舱体的内轮廓相契合，所述可移动圆环盘上开设的圆孔与所述舱壁以及环状径向密封装置上的通孔三者的轴线相互重合。
所述舱盖和主舱体的纵向贴合面之间设置有密封圈，所述环状径向密封装置的外壁和所述尾端舱体的内壁之间设有密封圈，所述试验管件与所述舱壁以及环状径向密封装置上的通孔之间分别设有密封圈。
所述卡箍组件包括卡箍和卡箍紧固件，所述卡箍为呈凹字形结构的卡紧块，用于将所述舱盖和主舱体之间的对接处卡紧，所述卡箍紧固件用于固定所述卡箍。
所述压力舱体是由高强度钢板层层捆扎而成。
本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：1、本发明的压力舱体通过舱壁隔为主舱体和尾端舱体，主舱体前端密封连接舱盖，试验管件依次穿过主舱体和尾端舱体并伸出尾端舱体，试验管件的前端固定在舱盖上，其末端通过大螺母固定，且大螺母与环状径向密封装置端面紧密贴合，通过向尾端舱体进行高压注水完成水压载荷向轴力载荷，向主舱体和尾端舱体进行高压注水实现不同载荷的加载，实现依托一套水压加载装置完成水压载荷和轴力载荷的联合加载，且不需依靠大型液压设备，降低复杂载荷联合加载时的成本，为复杂载荷深海试验舱的设计提供新思路。2、本发明的装置能够实现水压和轴力载荷的联合加载，得到海底管道在该种工况下的极限承载力，为海底管道在安装和服役阶段的受力状态的校核计算提供参考，为海底管道在水压-轴力联合作用下的研究提供试验支撑。3、本发明依托原有的水压加载系统完成海底管道轴力的加载，在降低试验装置成本的基础上，简化了原来依托液压缸加载的操作试验流程，利用新设计的舱内空间提供轴力，完成对试验件轴向拉力的施加，不需要再增加额外的设备。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明尾端大螺母的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明提供了一种水压加载轴力的复杂载荷试验装置，该装置包括压力舱体1、舱盖2和环状径向密封装置3，压力舱体1通过舱壁13分隔为主舱体11和尾端舱体12，主舱体11上设有加压阀4、水密接头5、注水排气一体阀6以及排水阀7，尾端舱体12上设有加压阀8、注水排气一体阀9以及排水阀10；舱盖2通过卡箍组件24密封连接在主舱体11的前端，且舱盖2伸入主舱体11内的端部固定设有法兰14a；环状径向密封装置3套置于尾端舱体12的内部，主舱体11和尾端舱体12之间的舱壁13以及环状径向密封装置3上依次开设有供试验管件23穿过的通孔(图中未示出)，试验管件23的一端焊接有法兰14b，其与舱盖2上的法兰14a相匹配，另一端焊接有带螺纹的堵块(图中未示出)，安装时，试验管件23带有法兰14b的一端固定连接在舱盖2上，试验管件23的带有堵块的另一端依次穿过舱壁13和环状径向密封装置3上的通孔并伸出尾端舱体12外，通过大螺母16拧紧，且大螺母16与环状径向密封装置3的端面紧密贴合。
进一步地，环状径向密封装置3为塑胶材质的大型环状密封圈，其依托现有成熟的径向密封技术，在预设位置安装两道塑胶材质的大型环状密封圈来达到径向密封的目的。
进一步地，压力舱体1通过鞍座及鞍座调节块15支撑设置在地面上，舱盖2通过基座16支撑设置在地面上，且舱盖2的重心落在基座16上，使舱盖2与压力舱体1两者的中心轴线重合，保证舱盖2和压力舱体1的稳定平衡，舱盖2采用自动化液压装置控制启闭，为提高舱盖2与压力舱体1对接时的同轴度，舱盖2和主体舱11的横向贴合面之间通过定位销17连接。
进一步地，该装置还包括能够导向运输试验管件23的可移动圆环盘18，可移动圆环盘18滑动设置于主舱体11内，其外轮廓与主舱体11的内轮廓相契合，其上开设的圆孔与舱壁13以及环状径向密封装置3上的通孔三者的轴线相互重合，试验管件23的一端与舱盖2法兰连接，另一端伸入主舱体11内并穿过可移动圆环盘18的圆孔，随着试验管件23不断深入主舱体11内，可移动圆环盘18沿主舱体11的轴线方向滑动，使试验管件23定向依次穿过舱壁13以及环状径向密封装置3上的通孔，保证试验管件23顺利穿设于压力舱体1内。
进一步地，为保证整个压力舱体1的密封性，舱盖2和主舱体11的纵向贴合面之间设置有密封圈19，环状径向密封装置3的外壁和尾端舱体12的内壁之间设有密封圈20，试验管件23与舱壁13以及环状径向密封装置3上的通孔之间分别设有密封圈21、22。
进一步地，卡箍组件24包括卡箍241和卡箍紧固件242，卡箍241为呈凹字形结构的卡紧块，卡箍241用于将舱盖2和主舱体11之间的对接处卡紧，限制舱盖2的轴向运动，卡箍紧固件242用于固定卡箍241。
进一步地，压力舱体1是由先进的捆扎工艺将高强度钢板层层捆扎而成，每捆扎一层进行一次x射线探伤，保证了压力舱体1具有极强的抗压能力和安全性能，能够承受7000米水深的压力。
本发明的使用过程如下：首先，将试验管件23切割至指定长度，试验管件23一端焊接法兰14b，试验管件23另一端焊接带螺纹的堵头；然后，将试验管件23的法兰端固定在舱盖2上，堵头端初步伸入主舱体11内并穿过可移动圆环盘18；再然后，控制试验管件23不断向主舱体11内送入，此时，可移动圆环盘18沿主舱体11的轴线方向滑动，由于可移动圆环盘18的定位导向作用，试验管件23的堵头端依次顺利穿过舱壁13、尾端舱体12和环状径向密封装置3后伸出，用大螺母16拧紧堵头端，且大螺母16端面与环状径向密封装置3的端面贴紧。
接下来进行主舱体11内的低压注水操作，关闭主舱体11上的加压阀4和排水阀7，打开注水排气一体阀6，通过注水排气一体阀6向主舱体11内注水，待注水排气一体阀6处有均匀的水流排出后，说明主舱体11内已注满水，依次关闭注水排气一体阀6。若试验方案中还涉及轴力的施加，则需要在尾端舱体12重复上述操作，将尾端舱体12内注满水；若不加载轴力，则可省去该操作。
试验管件端部轴力的施加是依靠尾端舱体12水压的升高而获得的，径向密封的特点是依靠密封圈与舱内壁的紧密贴合来起到密封作用的，这种紧密贴合的径向移动会具有一定的摩擦力，加载至试件端部的轴力要用水压产生的推力扣除掉各处径向的摩擦力，从而得到真实作用于试验管件上的轴力。
该试验装置共有五种不同的载荷加载选择：(1)水压试验。打开主舱体11的加压阀4，利用加压泵向舱内进行高压注水，通过水密接头5传输出的应变数据和水压值，观察管道的变形，完成管道压溃至屈曲传播的试验；(2)轴力加载试验。打开尾端舱体12位置处的加压阀8，利用加压泵向该部位进行高压注水，水压达到一定程度后会推动环状径向密封装置3向右移动，进而将轴向拉力加至试验管件23端部，通过应变数值判断管道轴向的拉伸和变形，完成管道轴力加载试验；(3)先加载水压后加载轴力试验(p→t加载路径)。先通过加压泵向主舱体11内加压注水，使主舱体11内达到预设的静水压力p1，然后关闭加压阀4，保持主舱体11内水压不变。利用加压泵对尾端舱体12进行加压操作，尾端舱体12内的水压将施加在环状径向密封装置3的推力转化为试验管件23端部的轴力，随着轴向拉力的增加，试验管件最终会发生局部压溃，通过应变采集装置记录试验管件变形的过程；(4)先加载轴力后加载水压试验(t→p加载路径)。先通过加压泵向尾端舱体12内加压注水，根据试验管件23端部所需的轴力，使尾端舱体12达到指定的水压p2后关闭加压阀，并保持水压恒定，然后利用加压泵对主舱体11内试验管件进行加压，直至试验管件发生压溃；(5)水压载荷和轴力载荷同步加载。将主舱体11与尾端舱体12的加压阀通过“三通”钢制导管连接，利用加压泵对两个舱体同时注水加压，在该种模式下主舱体11内试验管件23外部的静水压力逐渐升高，同时尾端舱体12的水压会推动环状径向密封装置3，将轴力加载至试验管件端部，外部静水压力和轴力会同时增大，通过试验管件外部的应变片，得到其变形过程，从而考察试验管件在水压和轴力同步增加情况下的失效特点。
整个试验装置依托一套水压加载系统完成水压与轴力两种不同载荷的加载，而且，不需任何大型辅助设备，大大降低复杂载荷联合加载时的成本，为复杂载荷深海试验舱的设计提供新思路。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。