專利名稱：一種可分離式深水海底管道屈曲試驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于深海石油開發(fā)開采及運輸技術領域，涉及一種海底管道屈曲試驗裝置。
背景技術：
海底管道特別是深海海底管道所處環(huán)境條件極為復雜，在工作過程中的受到多種載荷的作用，如作用于管道外壁的海水壓力，特別是深海管道，其水壓隨著水深增大，每增加1000米水深能使管道外部壓力增加到十兆帕；海浪波動或者海流涌動、海底地形崎嶇不平以及鋪管作業(yè)時會引起管道的彎曲，由于海底管道一般輸送的是加熱的石油，內(nèi)外溫差形成的熱膨脹力對管道影響也很大，深海管道在外部靜水壓、彎曲及內(nèi)部高溫油氣形成的熱膨脹力、內(nèi)部壓力聯(lián)合作用下極易發(fā)生屈曲。因此，國內(nèi)外眾多研究者對深水海底管道在靜水壓力與彎曲等多種載荷作用下的屈曲進行了研究。目前，深水管道的結(jié)構(gòu)屈曲理論的研究尚處于探索階段，需要對深水海底管道屈曲機理和條件進行試驗研究，以驗證和改進屈曲理論并未深水海底管道的設計提供參考。 而目前國內(nèi)外開發(fā)了多種用于研究管道在靜水壓力、彎曲及內(nèi)部壓力等多種載荷作用下的屈曲試驗裝置。在國外，如挪威科技大學的四點彎曲試驗裝置，該裝置由一個形成1.5米的液壓加載機構(gòu)，一個三角形載荷傳遞板、固定管件兩個端部的拉力支架、以及管件內(nèi)側(cè)對稱布置的兩個加力力臂組成。在試驗時，由液壓執(zhí)行結(jié)構(gòu)拉動載荷傳遞的三角板，帶動與板的兩個角相連的兩個加力力臂，兩個力臂在管件中段兩側(cè)施加拉力，而管件兩端部的拉力支架則固定住兩端部，提供了一個反向的作用力，這樣靠與管件接觸的四個點為其加載彎曲載荷。 類似的裝置還有荷蘭代爾夫特科技大學的四點彎曲加載裝置。美國人則設計了一種兩邊帶齒輪的彎曲加載裝置，兩邊的齒輪由中間帶液壓機構(gòu)的鏈條傳動。其加載機理為液壓機構(gòu)運行時，拉動兩邊的兩條，鏈條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，而管道試件兩個端部則安裝在齒輪盤上， 齒輪盤轉(zhuǎn)動帶動試件兩個端部向上翹起，從而將彎矩加載在試件中間部位。該機構(gòu)可放入一個直徑0.5米的密封壓力容器中，在其外部同時加載靜水壓力。但是該裝置只能用于小尺度試件的試驗，而且試件內(nèi)部無法充入介質(zhì)，進行管道實際運行狀態(tài)的模擬。在國內(nèi)，大連大學90年代設計了一種可同時加載彎曲和外部水壓的管道試驗裝置。該裝置試驗件長 3米，中間2米區(qū)域為一壓力艙，兩端伸出艙體的管件部分，各由一個千斤頂施加一個向上的推力，并各設置一個反力支架，通過這四個接觸點給管件中段加載彎矩。管件伸出艙體接口處采用活動橡膠裝置進行密封，由于采用橡膠密封，中段艙體的水壓不能加到深海靜水壓力值，一般最大IMpa，而且管件試驗長度受到了限制，管道試件上有效研究區(qū)域很小。目前，國內(nèi)還沒有模擬深海高壓力環(huán)境，適合于全比例管道在彎曲、內(nèi)壓等載荷作用下進行屈曲試驗的裝置
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種可以模擬深海高壓環(huán)境，進行彎曲、內(nèi)壓等多種載荷作用下管道屈曲試驗的裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種可分離式海底管道屈曲試驗系統(tǒng)，包括壓力艙、管道彎曲加載裝置、液壓加載機構(gòu)、管道附屬裝置，所述的壓力艙包括主艙體和連接在主艙體兩端的前端蓋和尾端蓋，在前端蓋和尾端蓋的內(nèi)側(cè)均設置有密封圈，在壓力艙上設置有加壓卸壓口，測試及控制線路連接孔、排水孔、排氣孔、注水孔；在壓力艙的底部上表面設置有導軌，在導軌上放置有管道彎曲加載裝置，所述的管道彎曲加載裝置包括托架和位于其下的滑輪；在托架上方的兩個端部設置的一對帶眼板的U型卡槽；兩個U型卡槽上方各設置一對可拆分的帶眼板與螺栓的蓋板；在托架上方靠內(nèi)側(cè)設置有一對液壓加載機構(gòu)；所述的管道附屬裝置包括用于密封管道兩端的密封金屬套，在密封金屬套上固定有進液管路或回液管路。作為優(yōu)選實施方式，在液壓加載機構(gòu)加載處固定有與U型卡槽相同弧度的厚墊板；所述的主艙體由多層鋼板捆扎制成。本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采取了分離式設計，在不考慮外部水壓時，可以利用彎曲加載裝置直接在管件上施加彎矩和模擬管件內(nèi)部介質(zhì)流動、施加內(nèi)壓進行管道屈曲試驗；在考慮外部水壓時，可將裝好試件的彎曲加載裝置放入壓力艙內(nèi)部，再施行相應的加載。根據(jù)試驗需要進行加載，這樣就使得深水海底管道屈曲試驗操作更具靈活性，提高了試驗效率。2、本發(fā)明裝置的主艙體部分由于采用先進的捆扎工藝將高強度鋼板層層捆扎，每捆扎一層都要用X射線探傷，捆扎工藝制造的主艙體總厚度可達數(shù)十厘米，保證了艙體具有極強的抗壓能力和極高的安全性能。本發(fā)明裝置可以模擬數(shù)千米水深的深海壓力環(huán)境，為深水海底管道屈曲試驗研究提供了穩(wěn)定的壓力環(huán)境。 3、本發(fā)明裝置涉及到的焊接、捆扎、鍛造等各種制造工藝在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展成熟，各種零部件如液壓加載機構(gòu)，高強度鋼板等在國內(nèi)常見，便于采購和訂制。因此，該套設備制造易于實現(xiàn)，極大地節(jié)約了成本。4、本發(fā)明試驗段總長10米，彎曲加載裝置總長8. 5米，艙體直徑 1.6米，可在其內(nèi)部容納1 1真實比例試件進行試驗，試件上的有效研究區(qū)域大。5、本發(fā)明可以實現(xiàn)對真實比例試件同時加載外部靜水壓力、彎曲、試件內(nèi)壓、并能模擬實際工程中海底管道輸送不同溫度、不同類型介質(zhì)的真實流動情況，試驗加載條件更為真實、準確，功能齊全，擴展了試驗研究范圍。


圖1是本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A向側(cè)視圖，即前端蓋結(jié)構(gòu)圖。圖3是圖1的B-B向側(cè)視圖，即尾端結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明的彎曲加載裝置結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明的彎曲加載裝置C-C向側(cè)視圖。圖6是本發(fā)明的彎曲加載裝置D-D向側(cè)視圖。本發(fā)明裝置的主要結(jié)構(gòu)件用圖中數(shù)字表示，含義如下1——壓力艙主艙體2——壓力艙尾端蓋3——壓力艙前端蓋
4——一測試及控制線路連接孔
5——一排氣孔
6——一彎曲加載裝置回液管路
7——一壓力艙前端蓋鋁制密封圈
8——一管道試件
9——一彎曲加載裝置
ΙΟ-一排水孔
Ι 1-一壓力艙支座
12—一壓力艙導軌
13—一尾端蓋連接螺栓及螺母
14-一前端蓋大螺栓及螺母
1 δ-一尾端蓋壓力表
16-一彎曲加載裝置進液管路連接口
17—一壓力艙注水口
1 δ-一彎曲加載裝置回液管路連接口
ι 9-一加壓及卸壓口
20—一彎曲加載裝置U型卡槽
21——U型卡槽上部蓋板
22—一液壓加載機構(gòu)
23—一液壓加載機構(gòu)弧形墊板
24—一U型卡槽外伸眼板
25—一眼板連接螺栓及螺母
26—一彎曲加載裝置托架
27—一彎曲加載裝置滑輪
28—一密封金屬套
29—一彎曲加載裝置進液管路
具體實施例方式本發(fā)明的可分離式深海管道屈曲試驗裝置，包括壓力艙和可分離為獨立系統(tǒng)的管道彎曲及內(nèi)壓加載裝置兩大部分。1、壓力艙可模擬深海高壓力環(huán)境，以水為內(nèi)部壓力介質(zhì)，壓力艙包括壓力艙前端蓋、尾端蓋、壓力艙主艙體以及加壓卸壓口、測試線路開孔等。壓力艙前端蓋采用大螺栓與主艙體連接密封，尾端蓋則通過16個較小螺栓與艙體尾部連接。前后端蓋均采用緊箍于端蓋內(nèi)側(cè)的鋁制密封圈進行防水密封。艙體內(nèi)管件的試驗數(shù)據(jù)通過艙體的開孔傳輸?shù)脚擉w外部的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。前后端蓋采用整體鍛造技術制造，主艙體則采用捆扎工藝制造。試驗管件安裝于彎曲加載裝置后，將彎曲加載裝置沿艙體內(nèi)部導軌放入壓力艙內(nèi)部，可借助液壓扳手等工具擰緊前后端蓋螺栓，密封壓力艙。在主艙體上部還設計了排氣孔，借助外部的注水泵等設備通過艙體尾端蓋上的注水孔充水，打開艙體上方的排氣孔，可以將艙內(nèi)空氣排空，再用加壓泵等輔助設備從尾端設置的加壓孔將水泵入艙內(nèi)進行加壓，由于排氣孔已將艙內(nèi)空氣排空，提高了加壓過程的安全性。達到設定的壓力值時即可停止加壓。此時，艙體內(nèi)部模擬某一水深的壓力環(huán)境。2、管道彎曲加載裝置可分離為一個獨立的加載試驗系統(tǒng)。包括下部的托架及滑輪；托架上方兩個端部設置的一對帶眼板的U型卡槽；托架上方靠內(nèi)側(cè)的一對液壓加載機構(gòu)；兩U型卡槽上方的一對帶眼板與螺栓的蓋板；安裝在管道試件兩端的一對密封金屬套及與之配套的進液管路和回液管路。試驗時，將管道試件安放在該彎曲裝置上，試件兩端由 U型卡槽支撐，再由兩個U型卡槽蓋板壓住試件兩端部，并用螺栓將U型卡槽與蓋板連接鎖死，卡住管件兩端部，再將該裝置沿壓力艙底部滑軌推入艙內(nèi)，進液、回液管路、液壓機構(gòu)控制線路、各測量器傳輸線路穿出艙體連接到外部的主控及測量系統(tǒng)后，即可進行相關試驗。 在外部可配備泵設備連接進液管路和回液管路，形成一個回路，從而模擬管件內(nèi)部介質(zhì)流動，研究介質(zhì)溫度、內(nèi)壓等因素對管件屈曲的影響。根據(jù)試驗方案，進行艙體內(nèi)部加壓、調(diào)節(jié)液壓加載機構(gòu)為管件施加彎曲等載荷。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1-6所示，本發(fā)明內(nèi)部可模擬深海高壓環(huán)境，并能對管道施加彎曲、內(nèi)壓等載荷，還可以模擬管道內(nèi)部不同溫度、不同介質(zhì)的輸運過程，進行多種載荷作用下，1 1真實比例深海管件的屈曲試驗。本發(fā)明包括壓力艙和可分離為獨立系統(tǒng)的管道彎曲及內(nèi)壓加載裝置兩大部分。壓力艙可模擬深海高壓力環(huán)境，以水為內(nèi)部壓力介質(zhì)，壓力艙工作段長約為10 米，臥式安裝，以水為內(nèi)部壓力介質(zhì)。壓力艙包括壓力艙前端蓋3、尾端蓋2、壓力艙主艙體 1以及加壓卸壓口 19、測試及控制線路連接孔4等。壓力艙前端蓋3采用大螺栓及配套螺母14與主艙體連接密封，尾端蓋2則通過較小的螺栓及配套螺母13與艙體尾部連接。前后端蓋均采用緊箍于端蓋內(nèi)側(cè)的鋁制密封圈7進行防水密封。艙體內(nèi)管件的試驗數(shù)據(jù)通過測試線路4連接開孔傳輸?shù)脚擉w外部的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。前后端蓋采用整體鍛造技術制造，主艙體則采用捆扎工藝制造。管道彎曲加載裝置還可分離為一個獨立的加載試驗系統(tǒng)，包括位于下部的托架沈及其下的滑輪27 ；托架上方兩個端部設置的一對帶眼板M的U 型卡槽20 ；托架上方靠內(nèi)側(cè)的一對液壓加載機構(gòu)22 ；兩U型卡槽上方的一對帶眼板與螺栓的蓋板21以及管道附屬裝置。管道附屬裝置包括安裝在管道試件兩端的一對密封金屬套 28及與之配套的進液管路四和回液管路6。U型卡槽設計弧度較大，可以安放最大外徑為 24英寸的管件進行試驗，為了防止加載彎曲載荷時液壓機構(gòu)對管件局部加載力過大損壞管件結(jié)構(gòu)，在液壓加載機構(gòu)加載處焊有與U型卡槽相同弧度的鋼制厚墊板23，以減小試驗管件局部壓強，防止管件局部結(jié)構(gòu)的破壞。本發(fā)明制造及組裝方法本發(fā)明的主艙體1部分采用多層捆扎工藝制造，即在大型卷板機上將1厘米厚的鋼板卷成圓柱殼狀，再將鋼板一層層焊接起來，每焊接一層都要用X射線探傷，確認沒有傷痕、沙眼等再進行下一層焊接。共捆扎M層，主艙體總厚度達到M厘米，主艙體前端敞口， 要由單獨制作的前端蓋封閉；主艙體選用Q345R材料。3前端艙蓋采用鍛造工藝制作，如圖2所示，前端蓋上開了 16個大螺栓開孔。前端蓋要經(jīng)常開啟與閉合，選用20MnMo材料。2艙體尾端蓋同樣采用鍛造工藝，上開16個小螺栓孔。
由于艙體內(nèi)部充滿水再加壓，因此要保證前后端蓋在高壓下的水密性，因此在前后端蓋上各緊固了一層7鋁制密封圈。在艙體內(nèi)底部延艙體軸向焊接艙內(nèi)導軌12，該導軌包括兩根平行軌道、在軌道軸向每間隔700mm焊接一個矩形枕板。軌道由直徑68mm，厚度IOmm的鋼管制成，枕板厚度 16mm。導軌有足夠的長度運送試驗管件，同時導軌本身也有足夠的強度來抵抗高水壓和支
撐管件。為了實現(xiàn)艙外對艙內(nèi)加載裝置的控制以及艙內(nèi)管件測試數(shù)據(jù)采集和傳輸，在艙體及端蓋上分別開有測試及控制線路連接孔、管件內(nèi)部介質(zhì)的進液、回液管路開口、排氣口、 排水口、加壓卸壓口、注水口等，在這些接口外焊接金屬厚壁管，并焊接小法蘭盤與外部配套設備連接密封。彎曲加載裝置則由兩層厚鋼板制成托架沈，托架鋼板下方配以橫縱焊接的角鋼為加強筋。在下層鋼板開槽，焊接兩排滑輪27。底部托架兩端焊有U型卡槽20，如圖5所示， U型開槽中間開有一個弧形槽，該槽弧度要大于M英寸管件弧度，并具有一定寬度，兩端外伸出兩條眼板對，每條眼板上開有一個螺栓孔，U型卡槽用于支撐管件端部。U型卡槽上方配有一個活動的可拆分式的卡槽蓋板，蓋板同樣外伸出兩條眼板，大螺栓穿過眼板的螺孔， 并配備螺母，上部蓋板與兩根大螺栓組裝在一起，管件在U行卡槽安裝好之后，上部蓋板的大螺栓對準U型卡槽螺孔，蓋板向下平移，直到將管件端部卡緊，這一設計使得彎曲加載裝置可以適用于不同管徑的試驗件。在兩個U型卡槽內(nèi)側(cè)焊接有一對液壓加載機構(gòu)，液壓結(jié)構(gòu)活塞桿上方焊接弧形墊板，墊板鋼制，弧度與U型卡槽弧度相同，較寬，可以有效緩解加載點管件的局部壓強。管道試件兩端可焊接帶進液管路和回液管路的密封金屬套，通過進液管路與回液管路形成的回路及外部配備的泵設備，可使不同溫度、不同類型的流體介質(zhì)在管件內(nèi)部的流動，模擬深海管道輸運油氣等介質(zhì)的流程。本發(fā)明使用方法如下本發(fā)明主要用于模擬深海高壓環(huán)境，并可對內(nèi)部試件施加彎曲載荷、還可以模擬試件內(nèi)部不同溫度、不同類型介質(zhì)的流動?？煞殖扇缦聨撞?、將已經(jīng)處理好并安好各種測試傳感器的試驗管件8用天車等輔助工具吊起，管件兩端此時已經(jīng)焊接好連有管路的密封金屬套，將管件兩端安放在彎曲加載裝置兩端的U 型卡槽上；再將蓋板上的螺栓對準U型卡槽的螺孔，使蓋板緩緩下移，直到卡緊管件端部， 然后擰緊U型卡槽螺孔下部的螺栓。如不加載外部靜水壓力，則直接將液壓機構(gòu)控制線路連接在外部配備的主控系統(tǒng)上，管件兩端進液及回液管路連接在外部的泵設備上，通過主控系統(tǒng)控制液壓機構(gòu)行程，管件兩端受到卡槽及蓋板約束，內(nèi)側(cè)兩個點被液壓機構(gòu)頂起，中段逐漸隆起，此時為管件加載上了一定的彎曲率。通過控制液壓機構(gòu)的加載力來控制管件曲率。此時還可以啟動泵設備，按一定速率向管件內(nèi)部輸送一定溫度的流體介質(zhì)，模擬輸油等管道內(nèi)部液體流動。2、若考慮外部靜水壓力的作用，則將安裝好管件的彎曲加載裝置沿導軌送入壓力艙內(nèi)部。管件上的測試數(shù)據(jù)采集傳輸線由測試線路4導出口導出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，管件兩端的進液、回液管路則分別通過16，18兩個導出口導出與外部的泵設備形成一個閉合回路。液壓機構(gòu)控制線路則也通過導出口 4導出，與艙體外部的液壓控制系統(tǒng)連接。4、各條線路、管路由艙體導出并連接完畢后，閉合壓力艙前后端蓋，并用配套的螺栓螺母以對角型緊固、密封。5、艙體密封好之后通過尾端蓋上的注水口 17向艙內(nèi)注水，打開艙體上部排氣孔 5，壓力艙注滿水后，殘余氣體從艙體內(nèi)完全排除，此時依次關閉注水口和排氣孔，通過尾端蓋的加壓卸壓口 19向艙內(nèi)加壓。加到設定壓力值后，通過外部液壓控制系統(tǒng)操縱內(nèi)部液壓機構(gòu)向管件施加彎曲載荷，還可通過泵向管件內(nèi)部注如流動介質(zhì)，模擬海底管道輸送油氣時的內(nèi)部動態(tài)。6、再通過艙體外部配備的試驗采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，完成試驗。7、試驗結(jié)束后，打開加壓卸壓口 19將艙內(nèi)水壓降為0，再打開艙體下部的排水閥 10排水，依次打開艙體尾端蓋和前端蓋，拆卸試驗管件，完成一次試驗。
權利要求
1.一種可分離式海底管道屈曲試驗系統(tǒng)，包括壓力艙、管道彎曲加載裝置、液壓加載機構(gòu)、管道附屬裝置，所述的壓力艙包括主艙體和連接在主艙體兩端的前端蓋和尾端蓋，在前端蓋和尾端蓋的內(nèi)側(cè)均設置有密封圈，在壓力艙上設置有加壓卸壓口，測試及控制線路連接孔、排水孔、排氣孔、注水孔；在壓力艙的底部上表面設置有導軌，在導軌上放置有管道彎曲加載裝置，所述的管道彎曲加載裝置包括托架和位于其下的滑輪；在托架上方的兩個端部設置的一對帶眼板的U型卡槽；兩個U型卡槽上方各設置一對可拆分的帶眼板與螺栓的蓋板；在托架上方靠內(nèi)側(cè)設置有一對液壓加載機構(gòu)；所述的管道附屬裝置包括用于密封管道兩端的密封金屬套，在密封金屬套上固定有進液管路或回液管路。
2.根據(jù)權利要求1所述的可分離式海底管道屈曲試驗系統(tǒng)，其特征在于，在液壓加載機構(gòu)加載處固定有與U型卡槽相同弧度的厚墊板。
3.根據(jù)權利要求1所述的可分離式海底管道屈曲試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的主艙體由多層鋼板捆扎制成。
全文摘要
本發(fā)明屬于深海石油開發(fā)開采及運輸技術領域，涉及一種可分離式海底管道屈曲試驗系統(tǒng)，包括壓力艙、管道彎曲加載裝置、液壓加載機構(gòu)、管道附屬裝置，壓力艙包括主艙體和連接在主艙體兩端的前端蓋和尾端蓋，在前端蓋和尾端蓋的內(nèi)側(cè)均設置有密封圈；在壓力艙的底部上表面設置有導軌，在導軌上放置有由托架和滑輪構(gòu)成的管道彎曲加載裝置；在托架上方的兩個端部設置的一對帶眼板的U型卡槽；兩個U型卡槽上方各設置一對可拆分的帶眼板與螺栓的蓋板；在托架上方靠內(nèi)側(cè)設置有一對液壓加載機構(gòu)。本發(fā)明可以實現(xiàn)對真實比例試件同時加載外部靜水壓力、彎曲、試件內(nèi)壓、并能模擬實際工程中海底管道輸送不同溫度、不同類型介質(zhì)的真實流動情況。
文檔編號G01N3/00GK102175513SQ201110008420
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權日2011年1月14日
發(fā)明者付明煬, 余建星, 余楊, 卞雪航, 景海波, 林鎮(zhèn)詩, 王保建, 王永更, 馬駿 申請人:天津大學