一种深海管线复杂荷载联合加载试验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种深海管线复杂荷载联合加载试验系统，用于对试验管件进行荷载加载，包括舱体主体，舱体支撑鞍座、试验连接轴、试验管件的固定装置以及侧向振动加载装置，侧向振动加载装置包括振动抱箍或振动触点中的一种、振动伺服液压油缸、振动加载连接杆和振动加载连接轴，其中，振动加载连接杆与振动抱箍或振动触点可拆卸地固定连接，通过振动加载连接轴将振动伺服液压油缸的力施加于振动加载连接杆进而传递到振动抱箍或振动触点，振动抱箍用以将振动加载连接杆与试验连接轴相连接。本发明专利技术可以实现全尺寸深海油气输送系统的动力特性模拟。

A Combined Loading Test System for Deep-sea Pipelines under Complex Loads

【技术实现步骤摘要】
一种深海管线复杂荷载联合加载试验系统
本专利技术涉及一种深海管线复杂载荷联合加载试验系统。
技术介绍
深海油气输送管线是国家的生命线工程，其在海洋油气资源开采和国家经济发展中扮演重要角色。能源的持续供给和安全保障是我国经济可持续发展的重要基础。深海管线作为油气资源的主要运输方式，其设计建造涉及的关键核心技术亟待解决。深海管线所处环境复杂，在制造、运输、安装和服役过程中不确定因素多，产生的缺陷将成为导致管道破坏失效的重要因素。海底管线一旦发生破坏，会给经济和环境带来严重损失，必须进行管道材料性能和局部稳定性的全尺寸试验，通过模型试验的方法研究海底管线在复杂海况下的极限承载力，建立一套完整的计算海底管道极限承载力的评价标准，探究管线的主要失效模式及其失效机理，优化管线的设计和制造，加速我国海洋工程发展。本专利技术的试验方法能够完成全尺寸深水管道的试验，并且能够有效施加轴向拉压、扭力、弯矩、侧向振动及外压荷载的联合作用，在国际具有领先水平，填补了国内空白，实现真正意义上的海底管道极限作业环境的模拟，为我国海洋工程领域结构物的安装和安全校核提供试验支撑和技术积累。现今国内外在深海压力舱复合加载试验方法存在的不足之处主要有：1.现有深水压力舱功能单一，仅考虑外部水压载荷作用下的拉压和扭转，不能满足实际复杂工况中多种载荷的联合加载，工程应用价值已不足；2.振动载荷在铺管作业和输油管线中是必须考虑的重要因素，国内外鲜有针对全尺寸管件的振动试验，本试验方法能够为全面分析海底管道力学性能提供更加全面的试验参考；3.现有的深水压力舱(缩尺比)振动荷载加载单一，通过侧向振动荷载加载装置对试验管件进行侧向振动力的加载，仅实现了简单的点振动加载，未能进行面振动及整体振动荷载的加载，无法模拟地震、海啸等复杂海况。国内已有试验装置(如专利申请号：CN201110008538.3)，开创性地实现了全尺寸管线的试验，但也只是外在载荷的单一施加，并不能实现多种载荷的联合作用。国内已有试验装置(如专利申请号：CN2016100646291)，是一种缩尺比深水海底管道复杂联合加载试验装置，实现了缩比尺管道试件轴向拉压、振动、扭转及外压荷载的联合作用，但是该装置是缩比尺试验装置，提供了近似模拟结果，与深海管线所处的实际海况存在一定差异，其次，该试验装置上的振动荷载仅能进行点振动的加载，无法实现面振动加载，以及模拟埋地管道的耦合效应。专利技术目的本专利技术的目的在于提供一套可以实现多种振动加载方式的深海管线加载试验系统。技术方案如下：一种深海管线复杂荷载联合加载试验系统，用于对试验管件进行荷载加载，试验管件前端固定连接有前端密封法兰，试验管件后端固定连接有尾端密封法兰，所述的试验系统包括舱体主体，舱体支撑鞍座、试验连接轴、试验管件的固定装置以及侧向振动加载装置，其特征在于，利用螺母分别对前端密封法兰和尾端密封法兰与试验连接轴进行连接；侧向振动加载装置包括振动抱箍或振动触点中的一种、振动伺服液压油缸、振动加载连接杆和振动加载连接轴，其中，振动加载连接杆与振动抱箍或振动触点可拆卸地固定连接，通过振动加载连接轴将振动伺服液压油缸的力施加于振动加载连接杆进而传递到振动抱箍或振动触点，振动抱箍用以将振动加载连接杆与试验连接轴相连接。侧向振动加载装置可采用振动抱箍，加载形式如下：使用振动抱箍紧锁试验管件，启动振动伺服液压油缸施加随机荷载或正余弦规则荷载，通过调节振动加载连接轴进行试验管件的不同振动频率的荷载加载，完成疲劳振动试验。侧向振动加载装置也采用振动抱箍采用振动触点，使振动触点与试验管件直接进行点、面的振动荷载的施加，模拟落物撞击。所述的侧向振动加载装置还可以包括另一套，即第二套振动加载装置：此套振动加载装置包括球形连接槽、振动加载连接杆、振动施力杆和振动加载环，使用时试验管件被固定在管土作动筒内部，振动加载环用以紧锁管土作动筒，球形连接槽一端与振动加载环固定连接，另一端连接振动加载连接杆，振动施力杆与振动加载连接杆可拆卸地固定连接。采用第二套振动加载装置的加载形式如下：关闭其他孔，仅利用注水孔往舱体内注水，注水完毕后静置一段时间，待试验管件内土体为饱和水状态后，启动振动伺服液压油缸，施加不同类型的地震荷载，通过振动施力杆带动试验管件、管内土体和管土作动筒运动完成试验。所述的试验系统还包括其他荷载加载装置：扭力加载装置、轴向拉压加载装置、前端静压弯矩加载装置和尾端静压弯矩加载装置。本专利技术利用压力舱水压加载系统完成了试验管件外压的施加，利用液压加载泵站系统控制轴力加载装置、扭力加载装置、静压弯矩加载装置和振动装置分别完成试验管件轴力、扭力、弯矩和振动载荷的施加。与国内外现有技术相比具有以下的优点：(1)实现深海管线的侧向振动荷载的加载，突破技术壁垒，通过激震装置实现径向面振动或点振动荷载的同时加载，能够定量模拟落物对管线的撞击效应，还可以结合振动抱箍实现埋地管线的耦合振动加载。(2)本专利技术的深海管线复杂载荷加载试验系统，可以真实还原深海管线在安装及服役期间的作业环境，模拟可能出现的各种工况，为深水油气输送系统设计及安装提供技术支持。(3)可以实现外压-轴向力-扭力-弯矩-振动载荷的联合加载，得到深海管线在各种工况下的极限承载力，振动荷载频率最高可达40Hz，可输出不同振动荷载包括随机荷载和正余弦等规则荷载。(4)实现了深海压力舱试验操作流程的简化，利用水压系统提供外压，配合液压加载系统控制的轴力-扭力-弯矩-振动加载装置，可以模拟地震海啸等不同的复杂海况荷载，完成对试件的动力性能试验，操作简单，容错率高。附图说明图1试验系统整体布置图图中标号说明：1-1—舱盖；1-2—扭力加载装置；1-3—齿条连接杆；1-4—紧固螺栓；1-5—密封圈；1-6—排气阀；1-7—加速器传感器；1-8—试验管件；1-9—舱体主体；1-10—注水阀；1-11—尾端密封法兰；1-12—加压阀；1-13—舱体尾部；1-14—温湿传感器；1-15—尾端密封装置；1-16—高温高压水出孔；1-17—数据采集孔；1-18—尾端支撑鞍座；1-19—排水阀；1-20—静压弯矩加载油缸；1-21—加热器；1-22—水箱；1-23—水泵；1-24—振动加载装置；1-25—静压弯矩加载装置；1-26—前端支撑鞍座；1-27—前端密封法兰；1-28—试验连接轴；1-29—高温高压水进孔；1-30—轴向拉压加载装置。图2舱盖处的扭力加载装置及轴力加载装置图中标号说明：1-2—扭力加载摆动双向油缸；1-3—齿条连接杆；1-30—轴向拉压加载油缸；2-1—水压均衡管；2-2—轴力加载液压外伸活塞杆；2-3—轴力加载液压连接器；2-4—轴向拉压加载液压油缸。图3第一套振动加载装置的第一种使用状态图中标号说明：3-1—振动抱箍；3-2—振动连接杆；3-3—振动连接轴；3-4—振动伺服液压油缸；3-5—加速度传感器；3-6—加速度传感器安装抱箍；1-8—试验管件图4第一套振动加载装置的第二种使用状态图中标号说明：4-1—振动触点；3-2—振动连接杆；3-3—振动连接轴；3-4—振动伺服液压油缸；3-5—加速度传感器；1-8—试验管件图5第二套振动加载装置模拟地震荷载的埋深管道侧向图图中标号说明：5-1—球形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海管线复杂荷载联合加载试验系统，用于对试验管件进行荷载加载，试验管件前端固定连接有前端密封法兰，试验管件后端固定连接有尾端密封法兰，所述的试验系统包括舱体主体，舱体支撑鞍座、试验连接轴、试验管件的固定装置以及侧向振动加载装置，其特征在于，利用螺母分别对前端密封法兰和尾端密封法兰与试验连接轴进行连接；侧向振动加载装置包括振动抱箍或振动触点中的一种、振动伺服液压油缸、振动加载连接杆和振动加载连接轴，其中，振动加载连接杆与振动抱箍或振动触点可拆卸地固定连接，通过振动加载连接轴将振动伺服液压油缸的力施加于振动加载连接杆进而传递到振动抱箍或振动触点，振动抱箍用以将振动加载连接杆与试验连接轴相连接。

【技术特征摘要】
1.一种深海管线复杂荷载联合加载试验系统，用于对试验管件进行荷载加载，试验管件前端固定连接有前端密封法兰，试验管件后端固定连接有尾端密封法兰，所述的试验系统包括舱体主体，舱体支撑鞍座、试验连接轴、试验管件的固定装置以及侧向振动加载装置，其特征在于，利用螺母分别对前端密封法兰和尾端密封法兰与试验连接轴进行连接；侧向振动加载装置包括振动抱箍或振动触点中的一种、振动伺服液压油缸、振动加载连接杆和振动加载连接轴，其中，振动加载连接杆与振动抱箍或振动触点可拆卸地固定连接，通过振动加载连接轴将振动伺服液压油缸的力施加于振动加载连接杆进而传递到振动抱箍或振动触点，振动抱箍用以将振动加载连接杆与试验连接轴相连接。2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，侧向振动加载装置采用振动抱箍，加载形式如下：使用振动抱箍紧锁试验管件，启动振动伺服液压油缸施加随机荷载或正余弦规则荷载，通过调节振动加载连接轴进行试验管件的不同振动频率的荷载加载，完成疲劳振动试验。3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，侧向振动加载装置采用振动抱箍采用振动触点，使振动触点与试验...

【专利技术属性】
技术研发人员：余建星，傅一钦，余杨，段晶辉，郭帅，吴远达，吴世博，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12