一种水下采油树模拟坠物撞击变形测量方法与流程

1.本发明涉及水下生产设备结构损伤分析领域，具体而言，涉及一种水下采油树模拟坠物撞击变形测量方法。


背景技术：

2.水下采油树作为水下生产系统的重要设备，其结构安全可靠是保证整个设备正常工作运行的基础。由于长期置于水下，工作环境复杂，一旦遭受第三方荷载，造成结构破坏，会带来不可估量的环境污染与经济损失。因此，对于水下采油树受坠物撞击所造成的结构损伤进行分析十分必要。
3.目前，对于水下采油树的研究还集中在对采油树内部结构和阀门的研究，对于水下采油树受意外撞击造成结构损伤，国内外暂无有效的测试及分析方法。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种模拟坠物对水下采油树的进行撞击时，采油树被撞部位变形量的的测量方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下采油树模拟坠物撞击变形测量方法，包括以下步骤：
6.s1：将坠物放置在叉车上，并在采油树模型的被测部位贴设连接应变片，应变片、动态应变仪、示波器和电脑依次电性连接；
7.s2：启动上述测试装置，并将所述示波器调至待测状态；
8.s3：调整所述叉车的高度和角度，并释放坠物，使坠物下落撞击到采油树模型的被测部位；
9.s4：通过测试装置读取测试结果。
10.根据本发明优选的一个实施例，所述步骤s1中，采油树模型的被测部位为防坠物帽、工字钢、树本体和控制面板，所述防坠物帽和工字钢应分别贴设连接三轴应变片，所述树本体和控制面板应分别贴设连接双轴应变片。
11.根据本发明优选的一个实施例，所述步骤s1中，所述采油树模型的被测部位表面应打磨处理。
12.根据本发明优选的一个实施例，在所述步骤s1中，应变片通过电桥连接在动态应变仪上，动态应变仪通过传输线连接在示波器上，示波器通过数据线连接在电脑上。
13.根据本发明优选的一个实施例，所述步骤s2中，启动测试仪器后还应按压所述采油树被测部位，观察示波器上的波形是否变化，检测应变片是否贴坏或连接不严密，并进行修正。
14.根据本发明优选的一个实施例，在所述步骤s3中，应将坠物从叉车的顶端自由释放。
15.根据本发明优选的一个实施例，在所述步骤s3中，应多次调整所述叉车的高度和
角度进行测试。
16.根据本发明优选的一个实施例，在所述步骤s4中，读取测试结果之后，记录测试结果取每次采油树模型受撞击过程中测到的电压值达到波峰时的电压值以及峰值两侧的电压变化值。
17.根据本发明优选的一个实施例，在所述步骤s1中，所述叉车设有升降装置和多个角度调节装置，所述升降装置滑动连接于所述叉车的一侧，所述角度调节装置均匀的分布在所述升降装置竖直方向上。
18.根据本发明优选的一个实施例，所述叉车还设有v型导轨，所述v型导轨一端放置于所述升降装置水平方向的边缘，另一端放置于所述角度调节装置上。
19.本发明的技术效果在于：
20.1、本发明利用铁球模拟现实生活中的坠物，利用采油树模型模拟水下采油树，在采油树模型被测部位的表面贴上应变片，应变片在模拟撞击过程中产生的应变，使用测量装置测量出被测部位产生的应变，从而推测分析出水下采油树在收到坠物撞击时的变形量。
21.2、本发明提供的实验方法可以简便、高效评估水下采油树受坠物撞击时造成的结构损伤。对于水下采油树结构损伤分析提供了一种实验方案和分析方法，该实验方案和分析方法也适用于其他水下设备。
22.3、本发明本发明提供的测量方式不仅步骤简单、便于操作，而且坠物可重复使用，能够有效地测试在0.02s内，20kg、30kg、50kg的坠物沿不同高度及角度撞击采油树模型时，对采油树防坠物帽、工字钢、树本体和控制面板造成的应变和应力，从而分析出相应的危害结果。
23.4、本发明采用的动态应变仪体积小且重量轻，便于携带和搬运，具有自动平衡功能，通道数量可以2、4、6、8自由组合，能够满足不同应变片粘贴方案。采用直流供桥，电桥采用六线制，有长导线补偿功能，可以有效消除干扰，减小实验误差。
附图说明
24.图1是本发明一种水下采油树模拟坠物撞击变形测量方法的整体结构示意图；
25.图2是本发明一种水下采油树模拟坠物撞击变形测量方法的三轴应变片应变计算示意图；
26.图3是本发明一种水下采油树模拟坠物撞击变形测量方法的水下采油树防坠物帽受坠物撞击应变变化图。
27.附图标记：1-升降装置；2-v型导轨；3-坠物；4-角度调节装置；5-采油树模型；6-防坠物帽；7-控制面板；8-工字钢；9-动态应变仪；10-示波器；11-电脑；12-叉车。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对发明的限定。
29.如图1所示，本发明使用的水下采油树模拟撞击实验装置包括叉车12、v型导轨2、坠物3、采油树模型5、动态应变仪9、示波器10、电脑11、升降装置1和角度调节装置4，其中升
降装置1可调节坠物的撞击高度，角度调节装置4可调节坠物的撞击角度。坠物3为铁球，其质量分为20kg、30kg、50kg。
30.调整叉车12的升降装置1和采油树模型5的位置，将v型导轨2放在4角度调整装置4上，调整v型导轨4的角度为30
°
，调整升降装置1使坠物高度为2m，坠物3重量为20kg。
31.根据abaqus有限元分析结果来布置应变片的粘贴位置。在防坠物帽6、工字钢8处布置三轴应变片，控制面板7与树本体上布置双轴应变片。将被测部位表面打磨平整，将打磨位置涂抹酒精。将应变片背面涂抹502胶水，将应变片贴在被测件表面并用聚四氟乙烯膜按压2～3秒钟使应变片固定。
32.对动态应变仪9进行操作前的准备：仪器通电之前，先将桥盒接成全桥，把桥盒的航空插头插入通道的航空插座内，旋紧。使用220v 50hz市电供电，电源线一端插入仪器电源插座，另一端接入市电，然后将电源后面板的电源开关置“开”位置，电源即接通。这时将要使用的通道电源置于“开”，随即该通道的前面板的工作指示灯亮了，进入工作状态。
33.将贴好的应变片上的导线整理好，并且接在桥盒上。每个动态应变仪9有四个通道，对应四个桥盒，分别将应变片接在桥盒上，这样就完成了应变片与动态应变仪9的连接，其中动态应变仪9为超动态应变仪。
34.接下来，将动态应变仪9与示波器10相连。将动态应变仪9的输出接口按照信道编号一一对应地用bnc线缆与数字示波器10相连接。其中与入射杆上应变片相对应的信道作为触发信道，每当接入一个信道的导线，相应的信道被激活，通过单次按下接入入射杆上应变片信号的信道接口上方的旋钮，将入射杆上信号作为触发信号，按击“触发条件”的按钮，将触发条件设为“下降沿触发”。在示波器10中首先设置采样通道，通过按压对应通道数字按钮实现，之后设置触发通道，通过按压对应通道下“触发源”按钮实现，设置触发方式通过“菜单”栏下slope方式中选择上升沿或下降沿进行设置，设置触发时间通过旋转“位置”旋钮观察显示器上“t”的位置来进行触发时间的设置，设置触发基准通过旋转“电平”旋钮来调整电平高低实现触发基准的设置，设置采样率通过旋转“标度”旋钮来实现，设置采样长度通过按压“采集”按钮，按压显示器采集长度右侧按钮，通过旋转“通用”旋钮实现采样长度的设置，设置完成后，按下单次采集按钮准备试验。用连接线将示波器10与电脑11连接，在实验中通过相应软件进行试验数据的采集。
35.实验前通过按压采油树防坠物帽6，观察示波器10上的波形变化。检测是否有应变片贴坏或连接不严密，及时进行修正。将50kg的坠物3置于高于地面2m处的v型导轨2顶端。自由释放坠物3，保证坠物3按指定角度撞击防坠物帽6，完成一次测量，记录数据；将控制面板7上的应变片导线卸下桥盒，将树本体上的双轴应变片接入桥盒，重新将坠物3置于v型导轨2的顶端，自由释放坠物3，完成第二次测量，记录数据。调整v型导轨2在角度调节装置4上的位置，使坠物3沿v型导轨2滑落时撞击角度为60度，自由释放坠物3，保证坠物3按指定角度撞击防坠物帽6，完成第三次次测量，记录数据。将树本体上的应变片导线卸下桥盒，将控制面板7上的双轴应变片接入桥盒，重新将坠物3置于v型导轨2的顶端，自由释放坠物3，完成第四次测量，记录数据。调整v型导轨2在角度调节装置4上的位置，使坠物3沿v型导轨2滑落时撞击角度为90度，自由释放坠物3，保证坠物3按指定角度撞击防坠物帽6，完成第五次测量，记录数据。将控制面板7上的应变片导线卸下桥盒，将树本体上的双轴应变片接入桥盒，重新将坠物3置于v型导轨2顶端，自由释放坠物3，完成第六次测量，记录数据。
36.在坠物3撞击采油树模型的过程中，由tbs2000示波器10收集到的数据为应变片发生应变所对应的电压变化。在每次撞击的0.02s内，示波器10会收集在触发点左右的电压值，最终会采集到2000个电压值。由于2000个数值并不都是有效数据，触发点左右两侧大部分数据是平稳态下测量到的电压值，因此我们只取每次采油树受撞击过程中测到的电压值达到波峰时的电压值以及峰值两侧的电压变化值。
37.如表1所示，为当坠物3铁球为50kg、坠落高度为2m、撞击角度为30度时，通道一至通道四在采油树模型5受撞击过程中测到的电压值达到波峰时的电压值以及峰值两侧的电压变化值。
38.表1
[0039][0040][0041]
如表2所示，为当坠物3铁球为50kg、坠落高度为2m、撞击角度为30度时，通道五至通道八在采油树模型5受撞击过程中测到的电压值达到波峰时的电压值以及峰值两侧的电压变化值。
[0042]
表2
[0043][0044]
动态应变仪9的桥盒为半桥2v桥压，放大倍数为100倍，1v电压所对应的应变片微应变为496με，根据转换比例，可将各个通道所测到的电压值转化为微应变。下面所示为通道一的转换。
[0045]
通道一：
[0046]
2.5
×
496＝1240με
[0047]
4.5
×
496＝2232με
[0048]
4.25
×
496＝2108με
[0049]3×
496＝1488με
[0050]2×
496＝992με
[0051]
1.25
×
496＝620με
[0052]
同理，可得到每个通道最大应变值两侧的100个应变值。
[0053]
在本试验中，我们使用了双轴应变片、三轴应变片两种应变片，在得到了防坠物帽6、工字钢8、控制面板7、树本体各个通道的应变值之后，还要根据应变片各个通道所测量到的应变值计算防坠物帽6、工字钢8、控制面板7、树本体各个部位上的应变值。
[0054]
如图2所示，为三轴应变片应力计算示意图。三轴应变片应变计算公式如下：
[0055]
1、εa→
εb→
εc旋转时为正方向
[0056]
2、角度θ
[0057]
εa＞εc时、表达为εa轴与最大应变的夹角
[0058]
εa＜εc时、表达为εc轴与最大应变的夹角
[0059]
εa与εc的大小比较含+、-符号
[0060]
主应变：
[0061]
[0062]
通过上述算式可分别得到采油树防坠物帽6、工字钢8、树本体、控制面板7处在坠物3撞击时0.02s内应变最大值左右两侧100个应变值，然后可将计算所得的应变值变化转化为图像，由图像我们可以清楚的看到水下采油树模型5在受到坠物3撞击时不同部位的应力变化情况，通过图像可以清晰分析出水下采油树模型5受坠物3撞击时的变形情况。如图3所示，为当坠物3铁球为50kg、坠落高度为2m、撞击角度为30度时，水下采油树模型5的防坠物帽6在受到坠物3撞击时的应变变化情况。
[0063]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。