一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统技术方案

一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统，属于海底管道安全评价试验技术领域。试验系统包括模块化布置的试验舱系统、龙门吊机构、高压水系统及电控液压油源，试验舱系统和龙门吊机构通过定向滑道布置于基座上，高压水系统和电控液压油源布置于侧方；在桁架支撑和龙门吊机构的下方设有轴力加载舱、弯矩加载舱和扭矩加载舱。该系统可实现单一荷载或荷载组合的加载，可准确模拟深海油气管道安装和运营的荷载条件。可实现深海海洋环境下油气管道荷载条件及边界条件模拟，具备力控制和位移控制两种加载方式，能够实现单一荷载或荷载组合的循环加载，可开展在位深海油气管道疲劳破坏试验，验证疲劳极限承载力，揭示疲劳破坏机理。

【技术实现步骤摘要】
一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统
本专利技术涉及一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统，用于开展轴力、弯矩及扭矩联合作用下不同工作水深及内压环境下全尺寸油气管道失效模式及破坏机理研究，其属于海底管道安全评价试验

技术介绍
深海油气资源未来将在我国能源系统中占据重要地位，而深海油气管道作为深海油气资源开发的重要组成部分，发展安全可靠的储运技术将成为制约其开发利用的重要影响因素。深海油气管道的主要特点为显著增加的设计壁厚和铺设长度，作为极限工作水深和超高内压作用下的超柔性体系，海床冲刷、强海流运动及由此产生的附加荷载（轴力、弯矩或扭矩）和管道变形等都将成为不同运营期深海油气管道安全的重大技术挑战。因此，如何准确描述深海复杂海洋环境条件下油气管道工作环境及受力特性将成为得到其合理失效模式及可靠度判定指标的重要影响因素。目前，国内尚缺乏相关试验设备能够准确模拟深海油气管道所处工作环境及荷载条件，开展全尺寸管道承载力校核及安全评价。
技术实现思路
为弥补深海油气管道研究技术不足，本专利技术提供了一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统，基于该系统可精确模拟深海油气管道工作环境（比如工作水深、管道内压等）及荷载条件（比如由海床冲刷或海流运动所产生的附加荷载和变形等），开展全尺寸深海管道承载力校核、失效模式及破坏机理研究。本专利技术采用的技术方案是：一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统，试验系统包括模块化布置的试验舱系统、龙门吊机构、高压水系统及电控液压油源,所述试验舱系统和龙门吊机构通过定向滑道布置于基座上，基座通过地脚螺栓固定于地基上；所述高压水系统和电控液压油源布置于试验舱系统的侧方；试验舱系统包含沿轴线方向布置的通过螺栓固定于基座上的三个桁架支撑和沿试验系统轴线方向布置的采用滑动支撑的两台龙门吊机构；在桁架支撑和龙门吊机构的下方设有分段功能化布置的轴力加载舱、弯矩加载舱和扭矩加载舱，所述高压水系统包含加压水箱和加压水泵；所述电控液压油源包含液压油源、加压油泵和电控柜。所述轴力加载舱包括轴力加载舱封盖、布置于轴力加载舱左端的轴向液压作动器、布置于轴力加载舱内部的固定环、沿轴力加载舱内壁布置的固定环滑道、布置于轴力加载舱右端的轴力加载连接接口；轴力加载舱封盖通过一组第一紧固螺栓、密封垫圈紧固于轴力加载舱的左端口；轴向液压作动器通过一组第三紧固螺栓、密封垫圈固定于轴力加载舱封盖的外侧，轴向液压作动器传动轴贯穿轴力加载舱封盖并通过T型连接件和固定环与轴力加载连接接口相连，并在固定环与轴向液压作动器传动轴的连接位置布置第一压力传感器；固定环滑道通过第一螺栓固定于轴力加载舱封盖的内壁，并且在固定环滑道与试验舱内壁空隙填充隔振橡胶圈，轴力加载舱通过布置于底部的双向滑动支撑、定向滑道与基座相连。所述弯矩加载舱包括弯矩加载舱第一分段、弯矩加载舱第二分段、布置于弯矩加载舱第一分段顶部的第一弯矩液压作动器、布置于弯矩加载舱第二分段顶部的第二弯矩液压作动器、沿弯矩加载舱底部内壁滑动的滑动承台和承台滑道；弯矩加载舱第一分段左端通过一组环向法兰、第二紧固螺栓与轴力加载舱右端固定连接，弯矩加载舱第一分段通过水平紧固螺栓与弯矩加载舱第二分段相连，在连接位置同时布置环向橡胶密封垫；第一弯矩液压作动器传动轴贯穿弯矩加载舱第一分段舱壁，并在贯穿位置舱壁的内外侧同时布置锁紧螺母，锁紧螺母与第一弯矩液压作动器传动轴之间的空隙布置刚性密封垫，第一弯矩液压作动器传动轴前端通过十字型连接件与第一弯矩加载连接接口相连，并在十字型连接件与第一弯矩加载连接接口的连接位置布置第二压力传感器；弯矩加载舱第二分段采用与弯矩加载舱第一分段相同的加载结构，第二弯矩液压作动器传动轴贯穿弯矩加载舱第二分段舱壁，并在贯穿位置舱壁的内外侧同时布置锁紧螺母，锁紧螺母与第二弯矩液压作动器传动轴之间空隙布置刚性密封垫，第二弯矩液压作动器传动轴前端通过十字型连接件与第二弯矩加载连接接口相连，并在十字型连接件与第二弯矩加载连接接口连接位置布置第二压力传感器。在所述弯矩加载舱第一分段和弯矩加载舱第二分段内的底部布置滑道，滑道通过螺栓固定于弯矩加载舱的内底壁上，并沿滑道布置的高度调节滑动承台的位置。所述扭矩加载舱包括扭矩加载舱封盖、扭矩液压作动器、扭矩加载连接接口和偏移位移传感器；扭矩加载舱封盖左端通过另一组第一紧固螺栓、密封垫圈紧固于扭矩加载舱右端端口；扭矩加载舱左端与弯矩加载舱第二分段右端采用另一组环向法兰和第二紧固螺栓相连，并在连接位置也布置环向橡胶密封垫；在扭矩加载舱右侧布置扭矩液压作动器，扭矩液压作动器包含竖向液压作动器、扭转力臂和扭转中轴；竖向液压作动器通过高强螺栓接头与扭转力臂进行铰接，并在竖向液压作动器与高强螺栓接头的连接位置布置第三压力传感器（5d）；扭转力臂通过滚动轴承与扭转中轴相连接。所述扭矩液压作动器的扭转中轴贯穿扭矩加载舱封盖，在扭矩加载舱封盖贯穿位置的外侧与扭矩液压作动器之间的空隙布置环向锁紧螺母；扭矩液压作动器的扭转中轴前端通过第二螺栓与扭矩加载连接接口相连，并在连接位置布置偏移位移传感器，偏移位移传感器支座固定于扭矩加载舱底部。所述扭矩加载舱通过定向滑动支撑、定向滑道与基座相连。所述高压水系统包含布置于弯矩加载段的外水压加载系统和布置于扭矩加载段的内水压加载系统；外水压加载系统设有布置于弯矩加载舱底部的第一充水阀和第二充水阀；内水压加载系统包含布置扭矩加载舱封盖的第三充水阀和试验管道右法兰的第四充水阀。本专利技术的有益效果是：(1)全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合模拟试验系统的各加载系统均独立设置，并采用电控系统控制加载，故基于该系统可实现任意单一荷载或荷载组合的加载，可准确模拟深海油气管道安装和运营等各阶段不同荷载条件。(2)联合加载试验系统可实现深海海洋环境下油气管道荷载条件及边界条件精确模拟，可开展复杂荷载联合作用下深海完好和腐蚀油气管道承载力校核、失效模式及破坏机理试验研究。(3)联合加载试验系统具备力控制和位移控制两种加载方式，能够实现单一荷载或荷载组合的循环加载，可开展在位深海油气管道疲劳破坏试验，验证疲劳极限承载力，揭示疲劳破坏机理。附图说明图1是一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统布置图。图2是模块化布置的试验舱系统图。图3是轴力加载舱布置图。图4是弯矩加载舱布置图。图5是扭矩液压作动器图。图6是扭矩加载舱布置图。图7是试验管道右法兰图。图中：1a、模块化布置的试验舱系统，1b、龙门吊机构，1c、高压水系统，1d、电控液压油源，1e、定向滑道，1f、基座，1g、地脚螺栓，1h、地基，1i、桁架支撑，2a、轴力加载舱，2b、弯矩加载舱，2c、扭矩加载舱，2d、第一紧固螺栓，2e、密封垫圈，2f、双向滑动支撑，2g、弯矩加载舱第一分段，2h、弯矩加载舱第二分段，2i、第一弯矩液压作动器，2j、第二弯矩液压作动器，2k、滑动承台，2l、承台滑道，2m、环向法兰，2n、第二紧固螺栓，2o、水平紧固螺栓，2p、环向橡胶密封垫，2q、第一充水阀，2r、扭矩加载舱封盖，2s、扭矩液压作动器，2t、扭矩加载连接接口，2u、偏移位移传感器，2v、定向滑动支撑，2w、第二充水阀，2x、试验管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统，试验系统包括模块化布置的试验舱系统（1a）、龙门吊机构（1b）、高压水系统（1c）及电控液压油源（1d）,其特征是：所述试验舱系统（1a）和龙门吊机构（1b）通过定向滑道（1e）布置于基座（1f）上，基座（1f）通过地脚螺栓（1g）固定于地基（1h）上；所述高压水系统（1c）和电控液压油源（1d）布置于试验舱系统的侧方；试验舱系统（1a）包含沿轴线方向布置的通过螺栓固定于基座（1h）上的三个桁架支撑（1i）和沿试验系统轴线方向布置的采用滑动支撑的两台龙门吊机构（1b）；在桁架支撑（1i）和龙门吊机构（1b）的下方设有分段功能化布置的轴力加载舱（2a）、弯矩加载舱（2b）和扭矩加载舱（2c），所述高压水系统（1c）包含加压水箱和加压水泵；所述电控液压油源（1d）包含液压油源、加压油泵和电控柜。

【技术特征摘要】
1.一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统，试验系统包括模块化布置的试验舱系统（1a）、龙门吊机构（1b）、高压水系统（1c）及电控液压油源（1d）,其特征是：所述试验舱系统（1a）和龙门吊机构（1b）通过定向滑道（1e）布置于基座（1f）上，基座（1f）通过地脚螺栓（1g）固定于地基（1h）上；所述高压水系统（1c）和电控液压油源（1d）布置于试验舱系统的侧方；试验舱系统（1a）包含沿轴线方向布置的通过螺栓固定于基座（1h）上的三个桁架支撑（1i）和沿试验系统轴线方向布置的采用滑动支撑的两台龙门吊机构（1b）；在桁架支撑（1i）和龙门吊机构（1b）的下方设有分段功能化布置的轴力加载舱（2a）、弯矩加载舱（2b）和扭矩加载舱（2c），所述高压水系统（1c）包含加压水箱和加压水泵；所述电控液压油源（1d）包含液压油源、加压油泵和电控柜。2.根据权利要求1所述的一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统,其特征是：所述轴力加载舱（2a）包括轴力加载舱封盖（3a）、布置于轴力加载舱左端的轴向液压作动器（3b）、布置于轴力加载舱内部的固定环（3c）、沿轴力加载舱内壁布置的固定环滑道（3d）、布置于轴力加载舱右端的轴力加载连接接口（3e）；轴力加载舱封盖（3a）通过一组第一紧固螺栓（2d）、密封垫圈（2e）紧固于轴力加载舱（2a）的左端口；轴向液压作动器（3b）通过一组第三紧固螺栓（3f）、密封垫圈（3g）固定于轴力加载舱封盖（3a）的外侧，轴向液压作动器传动轴（3h）贯穿轴力加载舱封盖（3a）并通过T型连接件（3i）和固定环（3c）与轴力加载连接接口（3e）相连，并在固定环（3c）与轴向液压作动器传动轴（3h）的连接位置布置第一压力传感器（3j）；固定环滑道（3d）通过第一螺栓（3k）固定于轴力加载舱封盖（3a）的内壁，并且在固定环滑道（3d）与试验舱内壁空隙填充隔振橡胶圈（3l），轴力加载舱（2a）通过布置于底部的双向滑动支撑（2f）、定向滑道（1e）与基座（1f）相连。3.根据权利要求1所述的所述一种全尺寸管道深海复杂海洋环境荷载联合加载试验系统,其特征是：所述弯矩加载舱（2b）包括弯矩加载舱第一分段（2g）、弯矩加载舱第二分段（2h）、布置于弯矩加载舱第一分段顶部的第一弯矩液压作动器（2i）、布置于弯矩加载舱第二分段顶部的第二弯矩液压作动器（2j）、沿弯矩加载舱底部内壁滑动的滑动承台（2k）和承台滑道（2l）；弯矩加载舱第一分段（2g）左端通过一组环向法兰（2m）、第二紧固螺栓（2n）与轴力加载舱右端固定连接，弯矩加载舱第一分段（2g）通过水平紧固螺栓（2o）与弯矩加载舱第二分段（2h）相连，在连接位置同时布置环向橡胶密封垫（2p）；第一弯矩液压作动器传动轴（4a）贯穿弯矩加载舱第一分段舱壁，并在贯穿位置舱壁的内外侧同时布置锁紧螺母（4b），锁紧螺母（4b）与第一弯矩液压作动器传动轴（4a）之间的空隙布置刚性密封垫（4c），第一弯矩液压作动器传动轴（4a）前端通过十字型连接件（4d）与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕，王文华，武行，张昱，朱彤，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21