加压装置、管壁裂纹扩展速度测试装置及加压和测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及加压装置、管壁裂纹扩展速度测试装置及加压和测试方法，属于气体液体高压管道输送工程的技术与安全领域。
【背景技术】
[0002]高压输气管道在运行过程中，因管内压力变化、管道材料疲劳或受损，以及外部作用等原因，导致管道在某处产生管壁裂纹进而出现长距离扩展，不仅会造成严重经济损失和环境污染，还将形成地面人员伤亡、建筑物及设施破坏受损等灾难性事故。因此，为尽量减小损失、加快事故发生后的抢修进程，国内外广泛开展了大口径高压金属管道的裂缝形成及扩展的力学行为研究。研究表明，结构性止裂控制是输气金属管道延性止裂的有效控制方法，而高压金属管爆破试验是研究结构性止裂控制的重要手段。
[0003]输气金属管内加压至目标值是实施高压金属输气管气压爆破试验的前提和重要环节之一。裂纹在高压气体作用下沿管壁扩展，同时裂口泄压也导致减压波在高压管中传播。通过测试裂纹在管壁上的扩展速度和气体减压波在管内的传播速度、观察裂纹的止裂位置，可对比分析确定金属管的止裂韧性。因此，设计合理的气金属管内加压装置和金属管裂纹扩展速度测试方法，是全尺寸爆破试验的关键问题之一。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种加压装置、管壁裂纹扩展速度测试装置及加压和测试方法，通过三类空气压缩装置可将输气管内的压力加压到目标值，然后进行管壁裂纹扩展速度测试，安全高效。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种加压装置，包括将高压气体输送到金属管的高压气体输送管、A类空气压缩装置、B类空气压缩装置和C类空气压缩装置，所述高压气体输送管通过一级阀与金属管连通，所述A类空气压缩装置安装在高压气体输送管上，所述高压气体输送管末端设有三通转换器，三通转换器分别与B类空气压缩装置和C类空气压缩装置连接。
[0006]作为优选，所述A类空气压缩装置包括第一二级阀、第一转换接头和第一输气管，所述第一输气管通过第一转换接头与第一二级阀连接，第一二级阀将第一输气管与高压气体输送管连通。
[0007]作为优选，所述B类空气压缩装置包括第二二级阀、第二转换接头和第二输气管，所述第二输气管通过第二转换接头与第二二级阀连接，第二二级阀将第二输气管与三通转换器连通。
[0008]作为优选，所述C类空气压缩装置包括第三二级阀、第三转换接头和第三输气管，所述第三输气管通过第三转换接头与第三二级阀连接，第三二级阀将第三输气管与三通转换器连通。
[0009]一种上述加压装置的加压方法，包括以下步骤:
[0010](I)按照要求连接好A类空气压缩装置、B类空气压缩装置、C类空气压缩装置和高压气体输送管；
[0011](2)采用A类空气压缩装置加压，当管内压力小于等于2MPa时，按IMPa作为台阶值、暂停加压15分钟，再加压至2MPa ;当管内压力大于2MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到4MPa ；
[0012]2)采用B和C类空气压缩装置加压，当管内压力小于等于8MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，再加压至8MPa ;当管内压力大于8MPa时，按0.25MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到目标压力值。
[0013]—种管壁裂纹扩展速度测试装置，包括上述的加压装置、与加压装置连通的高压输气金属管、若干个时间探针单元和动态信号采集系统，在金属管中心管壁上安装有起线型聚能切割器，所述时间探针单元缠绕在金属管上，每个时间探针单元和一个电阻元件串联成一个并联支路，稳压电源给每个并联支路供电，动态信号采集系统各通道分别采集每个并联支路中电阻元件的电压，动态信号采集系统输出端与计算机连接。
[0014]作为优选，所述时间探针单元为直径0.2mm?0.8mm、长度为金属管外壁面周长的漆包铜线。
[0015]作为优选，所述时间探针单元在管壁上的布置间距为0.25m?1.0m,时间探针单元中心位于初始裂纹所在的管壁母线上，时间探针单元绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。
[0016]一种上述的管壁裂纹扩展速度测试方法，包括以下步骤:
[0017](I)用打磨机将安装时间探针单元处的金属管外壁面进行表面抛光除锈，将线型聚能切割器安装在金属管中心上，与金属管母线平行，将时间探针单元沿管壁安装位置缠绕金属管，然后用502胶固定，再用环氧树脂粘贴胶将时间探针单元覆盖，使其与管壁紧密粘连，将加压装置与金属管连通；
[0018](2)每个时间探针单元的一端通过电阻元件与稳压电源的正极连接，另一端与稳压电源负极连接；动态信号采集系统各通道信号输入端分别与各电阻元件正极连接，接地端与各电阻元件负极连接；动态信号采集系统的数据输出端与计算机连接；
[0019](3)采用A类空气压缩装置加压，当管内压力小于等于2MPa时，按IMPa作为台阶值、暂停加压15分钟，再加压至2MPa ;当管内压力大于2MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到4MPa ；
[0020](4)采用B和C类空气压缩装置加压，当管内压力小于等于8MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，再加压至8MPa ;当管内压力大于8MPa时，按0.25MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到金属管的目标压力值；
[0021](5)设初始裂缝尖端位置L。为0，初始裂缝位置时间探针单元形成电压阶跃信号的时刻t。为O ;其余时间探针单元从初始裂缝开始依次标记为L !,L2^L3……L1，与其对应的计算机上形成电压阶跃信号的时间依次记为h、t2、t3……h，其中L1表示第i个时间探针单元到初始裂缝尖端的距离，h表示裂纹传播到第i个时间探针单元的时间；则裂纹经过相邻时间探针单元的平均速度V1= (L -L1 O/(U-U i)，其中i = 1、2、3……η ;然后以位移[(L1-L1 D/2+LJ为乂轴和速度V1SY轴绘出距离-速度曲线，即可得到裂纹扩展到相应位置时所对应的裂纹扩展区间速度。
[0022]在本发明中，将时间探针单元、电阻元件和稳压电源连接成闭合回路，使用动态信号采集系统采集电阻元件的电压，利用时间探针单元通断状态的改变形成电压阶跃信号，以获得裂纹尖端的到达时间，由两个阶跃信号产生的时间差间接得到裂纹扩展区间速度。
[0023]在本发明中，综合考虑材料的力学、电学性能等因素，选择直径为0.2mm?0.8mm的漆包铜线作为时间探针单元，使其既有一定的动抗拉强度，以承受爆破冲击荷载作用，又能随管壁的裂开而同步断开；时间探针单元(时间线)的长度应等于金属管外壁面的周长，以确保可靠获得断裂信号，同时便于与测试装置的连接和自身的防护。根据高压高韧性金属管裂纹传播特性，试验时金属管裂纹从初始裂纹两端开始，沿金属管轴向扩展，当达到止裂条件时，扩展方向会发生偏转。为准确测试金属管裂纹各阶段的扩展速度，时间探针单元中心应位于初始裂纹所在的管壁母线上，对称中心点绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。由于高压高韧性金属管裂纹预估传播速度为100m/s?350m/s，为准确捕捉到裂纹速度的变化，时间探针单元布置的间隔宜取0.25m?1.0m。
[0024]在本发明中，管体进气孔设置在金属管管体顶部，距离端部1.8米，采用A类空气压缩装置加压，其高压输送管以螺纹连接方式与相对应的二级阀连接，并通过一级阀将高压气体传输至管内。当管内压力小于等于2MPa时，按IMPa作为台阶值、暂停加压15分钟，再加压至2MPa ;暂停期间抵近检查、查看空气压缩装置压力指示计等方式，检查测试金属管管体及测试单元安装部位、焊接部位的密封情况。当管内压力大于2MPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到4MPa ;暂停期间采用同样方式检查密封情况。
[0025]管内压力达到4MPa后，关闭A类空气压缩装置对应的二级阀；采用B和C类空气压缩装置加压。当管内压力小于等于SMPa时，按0.5MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，再加压至8MPa ;当管内压力大于8MPa时，按0.25MPa作为台阶值、暂停加压10分钟，直至加压到12MPa，此时关闭一级阀，等待试验。暂停期间空气压缩装置压力指示计、远程视频监控以及不同位置压力传感器的实时传输数据监测等多种手段，对加压系统各单元的状态进行监控。
[0026]有益效果:本发明的加压方法，采用的台阶式间隔停顿加压流程，以及转换灵活的加压泄压方式和全过程的多手段监控，可实现金属管的管内压力渐进达到目标值，方法安全、可靠，能满足试验要求；本发明的金属管气压爆破试验的管壁裂纹扩展速度测试装置，时间探针单元与金属管壁紧密粘连，可确保管壁张开与时间探针的断开同步进行，提高试验数据的准确度；本发明的测试方法，通过利用断裂信号在电阻上呈现电压阶跃信号，测试方法安全可靠。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的加压系统详细结构示意图。
[0028]图2为本发明的加压系统组成示意图。
[0029]图3是本发明测试装置连接示意图。
[0030]图4是本发明图3的电路设计示意图。
[0031]图5是本发明时间探针单元安装位置示意图。
[0032]图6是本发明时间探针单元安装间距示意图。
[0033]图7是本发明的动态信号采集系统上显示波形图。
[0034]图8是本发明的裂纹速度-距离曲线图。
【具体实施方式】
[0035]如图1和图2所示，本发明的一种加压装置，包括将高压气体输送到金属管I的高压气体输送管、A类空气压缩装置21、B类空气压缩装置22和C类空气压缩装置23，所述高压气体输送管通过一级阀19与金属管I连通，所述A类空气压缩装置21安装在高压气体输送管上，所述高压气体输送管末端设有三通转换器12，三通转换器12分别与B类空气压缩装置22和C类空气压缩装置23连接。其中，A类空气压缩装置21包括第一二级阀11、第一转换接头17和第一输气管18，所述第一输气管18通过第一转换接头17与第一二级阀11连接，第一二级阀11将第一输气管18与高压气体输送管连通。所述B类空气压缩装置22包括第二二级阀、第二转换接头13和第二输气管14，所述第二输气管14通过第二转换接头13与第二二级阀连接，第二二级阀将第二输气管14与三通转换器12连通。所述C类空气压缩装置23包括第三二级阀、第三转换接头15和第三输气管16，所述第