外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置及方法
【專利摘要】一種外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置及其試驗方法，裝置包括油缸、拉力繩、拉力繩支撐、兩個壓頭和兩個在測試鋼管的軸線方向上設置的兩個測試鋼管支撐；所述油缸的固定端固定設置，所述油缸的活動端的端面均勻的壓在兩個所述測試鋼管支撐上，并且所述油缸的加壓中心線也位于兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上；所述測試鋼管的一端固定，另一端連接所述拉力繩；所述拉力繩的另一端通過所述拉力繩支撐后連接到拉力加載裝置。本發明裝置結構簡單，可應用于海底管道鋪設過程的模擬受力分析，方法易于實現，且易于操作；得到的時間結果相對更為準確真實；通過應變片可以測量出鋼管受載時的應變情況。
【專利說明】外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及海底管道測試【技術領域】，尤其是涉及一種外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]海底管道是海洋油氣資源開發的生命線，對海底石油和天然氣的生產和外輸起著關鍵性的作用。目前國際上使用最多的管道鋪設方法是鋪管船法，這種方法適用于長距離管段遠離岸邊的鋪管作業，而且經濟指標也較好。
[0003]結合國內外的鋪管實際工程經驗，鋪管船法主要有三種:S型鋪管法、J型鋪管法和卷管式鋪管法。其中，S型鋪管法由于工程應用最早，其技術相對成熟，成為目前海底管道鋪設最為常用的方法，典型S型鋪管如圖1所示。這種管道鋪設方法一般需要安排一艘或者多艘起拋錨拖輪來支持鋪管作業。在開始作業前，需要將一個錨定位在海床上，然后將錨纜引過托管架并系到第一根管子的端部，管道在托管架的支撐下，自然地彎曲成S型曲線，一般可分成兩個區域:一為拱彎區，從駁船甲板上的張緊裝置開始，沿托管架向下延伸到管道開始脫離托管架支撐的抬升點為止的一段區域(抬升點一般就是管道彎曲狀態時的拐點)；另一段為垂彎區，是從拐點到海床著地點的一段區域，管道在垂彎區的曲率通過沿生產線放置的張緊器產生的后拖力來控制，管道在拱彎區的曲率和彎曲應力則一般依靠合適的滑道支撐和托管架的曲率來控制。
[0004]綜上所述，海底管道在鋪設時同時受到彎曲、軸向拉力和徑向壓力及海水拖曳力(扭曲)的共同作用，其安全性受到很大的挑戰，因此海底管道鋪管狀態下力學特性研究顯得尤為重要。
[0005]從圖1可以看出海底管道受重力和海水浮力的作用，呈S形彎曲，最大變形和最大彎曲應力出現在管道與托管架分離處。這樣，我們就可以用四點彎曲試驗來評價復合鋼管彎曲時的變化，以確定鋪時的最大彎曲半徑。
[0006]四點彎曲試驗法是將試樣(鋼管)放在有一定距離的兩個支撐點上，在離兩個支撐點的中點相同距離上對試樣施加向下的載荷，試樣在4個接觸點的作用下發生四點彎曲，且在中點處的彎曲半徑最大。四點彎曲試驗主要用來測試試樣的彎曲半徑，同時還可以測試兩種材料的結合力(如雙金屬復合管襯管與基管的結合力)，常規全尺寸鋼管四點彎曲試驗裝置的示意圖如圖2所示。
[0007]對于雙金屬復合管，根據試驗目的要求與四點彎曲試驗法的特點，結合雙金屬復合管特殊的結構，選用四點彎曲試驗法，既可測試雙金屬復合管的最小彈性彎曲半徑，又可以測試雙金屬復合管基襯分離的最小彎曲半徑及雙金屬復合管的其它彎曲性能。
[0008]由圖1可知，在海管鋪設時管道在托管架處或觸底點附近不僅僅是彎曲，同時還受到軸向拉力和徑向壓力及海水拖曳力(扭曲)的共同作用，由圖2可知，常規的全尺寸鋼管四點彎曲試驗僅僅是測試鋼管鋪設彎曲變化時的最大彎曲半徑，而忽略了鋼管軸向拉力因素，且不能測試鋼管彎曲半徑最大處的應力變化情況。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于設計一種新型的外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置及方法，解決上述問題。
[0010]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
[0011]一種外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置，包括油缸、拉力繩、拉力繩支撐、兩個壓頭和兩個在測試鋼管的軸線方向上設置的兩個測試鋼管支撐；
[0012]所述測試鋼管放置于測試鋼管支撐上，并且所述測試鋼管的長度中心在兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上；
[0013]兩個所述壓頭放置于所述測試鋼管上，并且兩個所述壓頭的間距中心也在兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上；
[0014]所述油缸的固定端固定設置，所述油缸的活動端的端面均勻的壓在兩個所述測試鋼管支撐上，并且所述油缸的加壓中心線也位于兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上；
[0015]所述測試鋼管的一端固定，另一端連接所述拉力繩；所述拉力繩的另一端通過所述拉力繩支撐后連接到拉力加載裝置。
[0016]所述拉力繩支撐高度要保證鋼管達到預期變形程度時軸向載荷與鋼管同軸。
[0017]設:
[0018]h為測試鋼管的彎曲壓下量，由測試鋼管在托管處的彎曲受力程度確定；
[0019]H1為所述測試鋼管支撐的高度；
[0020]H2為所述拉力繩支撐高度；
[0021]L1為所述油缸的中心距所述測試鋼管支撐的中心的距離；
[0022]L2為所述測試鋼管支撐的中心與拉力繩支撐的中心的距離；
[0023]則:
【權利要求】
1.一種外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置，其特征在于:包括油缸、拉力繩、拉力繩支撐、兩個壓頭和兩個在測試鋼管的軸線方向上設置的兩個測試鋼管支撐； 所述測試鋼管放置于測試鋼管支撐上，并且所述測試鋼管的長度中心在兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上； 兩個所述壓頭放置于所述測試鋼管上，并且兩個所述壓頭的間距中心也在兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上； 所述油缸的固定端固定設置，所述油缸的活動端的端面均勻的壓在兩個所述測試鋼管支撐上，并且所述油缸的加壓中心線也位于兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上； 所述測試鋼管的一端固定，另一端連接所述拉力繩；所述拉力繩的另一端通過所述拉力繩支撐后連接到拉力加載裝置。
2.根據權利要求1所述的外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置，其特征在于:所述拉力繩支撐高度要保證鋼管達到預期變形程度時軸向載荷與鋼管同軸。
3.根據權利要求2所述的外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置，其特征在于，設: h為測試鋼管的彎曲壓下量，由測試鋼管在托管處的彎曲受力程度確定； H1為所述測試鋼管支撐的高度； H2為所述拉力繩支撐高度； L1為所述油缸的中心距所述測試鋼管支撐的中心的距離； L2為所述測試鋼管支撐的中心與拉力繩支撐的中心的距離； 則:
4.根據權利要求1所述的外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置，其特征在于:位于兩個所述測試鋼管支撐的間距中心上上的所述測試鋼管上設有與應力測試系統相連接的應變片。
5.根據權利要求1所述的外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置，其特征在于:所述拉力繩為鋼絲繩。
6.根據權利要求1所述的外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置，其特征在于:所述拉力加載裝置為外在油缸或卷揚機。
7.一種外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置的試驗方法，其特征在于，包括步驟如下: 首先，將測試鋼管放置于測試鋼管支撐上，保證所述測試鋼管的長度中心在所述測試鋼管支撐的間距中心處； 其次，啟動油缸與拉力加載裝置，在所述油缸的作用下壓頭下壓并確保測試鋼管的彎曲壓下量h，通過拉力繩確保測試鋼管軸向應力為F，同時，與應力測試系統相連接的應變片監控與記錄所述測試鋼管在受載狀態下的實時應變情況；其中設: H1為所述測試鋼管支撐的高度；H2為所述拉力繩支撐高度； L1為所述油缸的中心距所述測試鋼管支撐的中心的距離； L2為所述測試鋼管支撐的中心與拉力繩支撐的中心的距離； 則:
8.根據權利要求7所述的外加軸向載荷的鋼管全尺寸四點彎曲試驗裝置的試驗方法，其特征在于:最后，對于雙金屬復合管，在試驗完成后用內窺鏡觀察內襯是否存在開裂、褶皺以及剝離情況。
【文檔編號】G01N3/20GK103983523SQ201410238717
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】聶向暉, 王高峰, 王耀光, 趙金蘭, 劉迎來, 李記科, 王長安 申請人:北京隆盛泰科石油管科技有限公司
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