本發(fā)明涉及管纜測試領(lǐng)域，具體地說是一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試裝置及方法。

背景技術(shù)：

我國海洋油氣資源儲量豐富，且大多數(shù)分布于南海等深水海域。而海纜、臍帶纜以及柔性管道等是深海油氣開采中不可或缺的裝備之一。這類裝備可統(tǒng)稱為海洋柔順性管纜，其結(jié)構(gòu)通常由相應(yīng)的功能構(gòu)件及加強構(gòu)件如鎧裝鋼絲等組成。針對不同的工程需求，應(yīng)選用相應(yīng)功能的管纜；海纜主要負(fù)責(zé)為海底采油設(shè)備提供電能，臍帶纜主要提供水上浮體與海底裝備之間電力、信號傳輸?shù)认嚓P(guān)功能，柔性管道主要負(fù)責(zé)裝備之間的油氣輸送。海洋柔順性管纜在存儲運輸、安裝鋪設(shè)和在位運行等工況時，由于受到工作荷載、浮體運動和復(fù)雜海洋環(huán)境等因素影響，容易造成多種力學(xué)行為失效。其中，當(dāng)管纜長期受到彎曲荷載影響時，管纜的內(nèi)部功能及承力構(gòu)件將發(fā)生破壞，即疲勞破壞，影響管纜功能的正常運行。同時，長期彎曲荷載作用下的柔性管纜在水壓和軸向壓縮的作用下容易導(dǎo)致鎧裝鋼絲的側(cè)向屈曲。為了確定管纜是否失效，以及失效后結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而降低使用過程中破壞的概率以及及時監(jiān)控管纜，保證管纜使用壽命內(nèi)正常運行。需用試驗方法來對海洋柔性管纜在反復(fù)彎曲荷載下的狀態(tài)進(jìn)行校核和研究。測定柔性管纜在反復(fù)彎曲作用下鎧裝鋼絲的應(yīng)變累積變化狀態(tài)，對后期鋼絲抗屈曲設(shè)計以及疲勞壽命分析都有重要意義。

目前管纜反復(fù)彎曲試驗往往依托真實海洋環(huán)境，但該種方法極其昂貴。所以國外一些實驗室、生產(chǎn)廠家、石油公司采用室內(nèi)模擬方法進(jìn)行反復(fù)彎曲實驗，這樣可以大幅度減少成本。雖然國外已有反復(fù)彎曲實驗機，但設(shè)計繁瑣且不經(jīng)濟，往往操作不便。

依據(jù)實際工程需求，反復(fù)彎曲實驗常用于模擬海洋工程柔順性管纜在位工況下的真實彎曲狀態(tài)。采用等效力的方法，對海洋柔性管纜在大于最小彎曲半徑范圍內(nèi)進(jìn)行反復(fù)彎曲。因此反復(fù)彎曲試驗設(shè)備需要包含確定彎曲半徑的砧板以及施加彎矩使其發(fā)生往復(fù)周期彎曲變形的設(shè)備。為了保證整體的穩(wěn)定性，還應(yīng)有使管纜沿著一定方向運動的軌道。除此之外，實驗過程需要配置測量設(shè)備，如應(yīng)變片或傳感器等以便提取管纜反復(fù)彎曲過程相關(guān)參數(shù)指標(biāo)(中間或直接物理量)。管纜反復(fù)彎曲實驗流程通常按如下步驟：取樣、固定、布片、加載、測量和后處理模式展開。實驗開始前要制定相應(yīng)測試方案并對管纜樣品進(jìn)行選取,然后將待測試的管纜固定于試驗架上，選擇、安裝合適的軌道，根據(jù)實驗要求在測試位置進(jìn)行應(yīng)變片布置，并將其連接于數(shù)據(jù)采集設(shè)備。確保上述操作無誤后啟動加載設(shè)備，同時實時采集相關(guān)數(shù)據(jù)。最后，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并形成完善的實驗報告。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試裝置及方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試裝置，包括砧座，所述砧座包括管纜彎曲支撐板和位于所述管纜彎曲支撐板上的兩個弧板，兩個所述弧板的弧面之間相對設(shè)置，所述管纜彎曲支撐板上設(shè)有連接管纜的固定接頭Ⅰ，所述固定接頭Ⅰ位于兩個所述弧板的弧面之間，所述固定接頭Ⅰ的軸線位于兩個所述弧板的軸線所在平面內(nèi)，所述測試裝置還包括驅(qū)動管纜在所述平面內(nèi)繞著所述固定接頭Ⅰ反復(fù)彎曲的驅(qū)動裝置和固定所述管纜彎曲支撐板的支撐臺。

所述驅(qū)動裝置包括作動器，所述一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試裝置還包括棘輪，

所述作動器一端通過連接桿Ⅰ與轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ連接，所述作動器可繞所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ在所述平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，

所述作動器的另一端通過連接桿Ⅱ與轉(zhuǎn)動接頭Ⅱ連接，所述作動器可繞所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅱ在所述平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，

所述連接桿Ⅰ和所述連接桿Ⅱ的軸線均位于所述平面內(nèi)，

所述棘輪通過棘輪座與所述支撐臺連接，所述棘輪座上設(shè)有防止所述棘輪沿鎖死方向旋轉(zhuǎn)的止擋塊，所述棘輪的旋轉(zhuǎn)中心固定連接有曲柄，所述曲柄的另一端設(shè)有可沿所述連接桿Ⅱ滑動的滑套，所述滑套的軸線平行于所述棘輪的旋轉(zhuǎn)平面，所述棘輪想要旋轉(zhuǎn)時，使所述止擋塊與所述棘輪分離，待旋轉(zhuǎn)完成后，所述止擋塊與所述棘輪接觸，并防止所述棘輪旋轉(zhuǎn)。

所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ的另一端設(shè)有與管纜連接的固定接頭Ⅱ，

所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅱ的另一端與所述支撐臺固定連接，

工作狀態(tài)下，所述作動器伸縮，驅(qū)動所述滑套沿所述連接桿Ⅱ滑動，從而改變所述作動器擺動的方向，進(jìn)而驅(qū)動管纜反復(fù)彎曲。

所述弧板的水平截面的外沿上曲率半徑為3米，大于絕大多數(shù)管纜的最小彎曲半徑。

所述弧板的內(nèi)沿設(shè)有與所述管纜彎曲支撐板連接的支撐桁架結(jié)構(gòu)。

所述平面均為兩個所述弧板的軸線所在平面。

所述支撐臺上還設(shè)有垂直軌道裝置，所述垂直軌道裝置具有垂直導(dǎo)槽，所述垂直導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)有環(huán)，所述環(huán)的兩側(cè)具有與所述垂直導(dǎo)槽的槽壁連接的連接柱，所述連接桿Ⅰ一端與所述作動器連接，另一端穿過所述環(huán)與所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ連接，

工作狀態(tài)下，所述環(huán)可通過所述連接柱沿所述垂直導(dǎo)槽滑動和相對旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明還公開了一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試方法，具有如下步驟：

S1、設(shè)計如上述所述的測試裝置；

S2、將管纜的一端通過管纜接頭與所述固定接頭Ⅰ垂直連接，管纜的另一端通過管纜接頭與所述固定接頭Ⅱ連接；

S3、在距離所述弧板最近的管纜的母線上開取多個密集排列的、能將管纜內(nèi)部的鎧裝鋼絲漏出、并能容納應(yīng)變片的開口，通過膠水將所述應(yīng)變片粘結(jié)于所述鎧裝鋼絲上，同時用膠帶將連接于所述應(yīng)變片的排線一端固定于管纜上，所述排線另一端與采集系統(tǒng)連接，實現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)實時傳輸；

S4、在管纜軸向三等分一處開取約直徑三分之一的矩形視窗口，方便觀察反復(fù)彎曲過程中鎧裝鋼絲的位移累積狀態(tài)變化；

S5、調(diào)整所述滑套的位置，進(jìn)而改變所述作動器擺動的最大幅度，使其能夠在管纜最小彎曲半徑內(nèi)工作，并且不破壞管纜；

S6、通過所述作動器驅(qū)動對管纜進(jìn)行小幅度加載，分析采集的應(yīng)變隨時間變化的曲線，完成對整個測試系統(tǒng)進(jìn)行初步的調(diào)試，待達(dá)到測試要求后，分組開展實驗；

S7、設(shè)定所述作動器的推進(jìn)速度，隨著荷載的不斷增大，管纜逐漸向所述弧板彎曲，記錄各應(yīng)變片的數(shù)據(jù)變化情況以及拍照記錄鎧裝鋼絲的變形狀態(tài)，直到達(dá)到規(guī)定的反復(fù)彎曲次數(shù)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、相比單邊彎曲裝置，本發(fā)明可以使管纜以軸線為對稱軸進(jìn)行兩側(cè)反復(fù)彎曲，因此，兩側(cè)彎曲的最大撓度相等，能夠更加全面地測試管纜的彎曲行為，真實再現(xiàn)管纜實際運行狀態(tài)。

2、調(diào)節(jié)滑套位置，便可改變作動器的最大擺幅，從而適應(yīng)不同管纜的彎曲撓度要求。

3、本實驗裝置簡潔，僅依靠作動器為動力來源，而棘輪能夠有效實現(xiàn)管纜的兩側(cè)反復(fù)彎曲，棘輪的旋轉(zhuǎn)周期和管纜的彎曲周期同步。

基于上述理由本發(fā)明可在管纜測試等領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明的具體實施方式中一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的具體實施方式中驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖2的俯視圖。

圖4是圖2的右視圖。

圖5是本發(fā)明的具體實施方式中棘輪的連接示意圖。

圖6是圖5的俯視圖。

圖7是圖5的右視圖。

圖8是本發(fā)明的具體實施方式中砧座的側(cè)視圖。

圖9是圖8的右視圖。

圖10是本發(fā)明的具體實施方式中垂直軌道裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1-圖10所示，一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試裝置，包括砧座，所述砧座包括管纜彎曲支撐板1和位于所述管纜彎曲支撐板1上的兩個弧板2，兩個所述弧板2的弧面之間相對設(shè)置，所述管纜彎曲支撐板1上設(shè)有連接管纜3的固定接頭Ⅰ4，所述固定接頭Ⅰ4位于兩個所述弧板2的弧面之間，所述固定接頭Ⅰ4的軸線位于兩個所述弧板2的軸線所在平面內(nèi)，所述測試裝置還包括驅(qū)動管纜3在所述平面內(nèi)繞著所述固定接頭Ⅰ4反復(fù)彎曲的驅(qū)動裝置和固定所述管纜彎曲支撐板1的支撐臺5。

所述驅(qū)動裝置包括作動器6，所述一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試裝置還包括棘輪7，

所述作動器6一端通過連接桿Ⅰ8與轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ9連接，所述作動器6可繞所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ9在所述平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，

所述作動器6的另一端通過連接桿Ⅱ10與轉(zhuǎn)動接頭Ⅱ11連接，所述作動器6可繞所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅱ11在所述平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，

所述連接桿Ⅰ8和所述連接桿Ⅱ10的軸線均位于所述平面內(nèi)，

所述棘輪7通過棘輪座12與所述支撐臺5連接，所述棘輪座7上設(shè)有防止所述棘輪7沿鎖死方向旋轉(zhuǎn)的止擋塊17，所述棘輪7的旋轉(zhuǎn)中心固定連接有曲柄13，所述曲柄13的另一端設(shè)有可沿所述連接桿Ⅱ10滑動的滑套14，所述滑套14的軸線平行于所述棘輪7的旋轉(zhuǎn)平面，

所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ9的另一端設(shè)有與管纜3連接的固定接頭Ⅱ15，

所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅱ11的另一端與所述支撐臺5固定連接，

工作狀態(tài)下，所述作動器6伸縮，驅(qū)動所述滑套14沿所述連接桿Ⅱ10滑動，從而改變所述作動器6擺動的方向，進(jìn)而驅(qū)動管纜3反復(fù)彎曲。

所述弧板2的水平截面的外沿上曲率半徑為3米，大于絕大多數(shù)管纜的最小彎曲半徑。

所述弧板2的內(nèi)沿設(shè)有與所述管纜彎曲支撐板1連接的支撐桁架結(jié)構(gòu)16。

所述支撐臺5上還設(shè)有垂直軌道裝置18，所述垂直軌道裝置18具有垂直導(dǎo)槽，所述垂直導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)有環(huán)19，所述環(huán)19的兩側(cè)具有與所述垂直導(dǎo)槽的槽壁連接的連接柱，所述連接桿Ⅰ8一端與所述作動器6連接，另一端穿過所述環(huán)19與所述轉(zhuǎn)動接頭Ⅰ9連接，

工作狀態(tài)下，所述環(huán)19可通過所述連接柱沿所述垂直導(dǎo)槽滑動和相對旋轉(zhuǎn)。

實施例2

一種海洋工程柔順性管纜反復(fù)彎曲測試方法，具有如下步驟：

S1、設(shè)計如實施例1所述的測試裝置；

S2、將管纜3的一端通過管纜接頭與所述固定接頭Ⅰ4垂直連接，管纜3的另一端通過管纜接頭與所述固定接頭Ⅱ15連接；

S3、在距離所述弧板2最近的管纜3的母線上開取多個密集排列的、能將管纜3內(nèi)部的鎧裝鋼絲漏出、并能容納應(yīng)變片的開口，通過膠水將所述應(yīng)變片粘結(jié)于所述鎧裝鋼絲上，同時用膠帶將連接于所述應(yīng)變片的排線一端固定于管纜3上，所述排線另一端與采集系統(tǒng)連接，實現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)實時傳輸；

S4、在管纜3軸向三等分一處開取約直徑三分之一的矩形視窗口，方便觀察反復(fù)彎曲過程中鎧裝鋼絲的位移累積狀態(tài)變化；

S5、調(diào)整所述滑套14的位置，進(jìn)而改變所述作動器6擺動的最大幅度，使其能夠在管纜3最小彎曲半徑內(nèi)工作，并且不破壞管纜3；

S6、通過所述作動器6驅(qū)動對管纜3進(jìn)行小幅度加載，分析采集的應(yīng)變隨時間變化的曲線，完成對整個測試系統(tǒng)進(jìn)行初步的調(diào)試，待達(dá)到測試要求后，分組開展實驗；

S7、設(shè)定所述作動器6的推進(jìn)速度，隨著荷載的不斷增大，管纜3逐漸向所述弧板2彎曲，記錄各應(yīng)變片的數(shù)據(jù)變化情況以及拍照記錄鎧裝鋼絲的變形狀態(tài)，直到達(dá)到規(guī)定的反復(fù)彎曲次數(shù)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。