一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置与测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置与测试方法，所述实验装置包括：驱动组件，其位于外圆筒内，包括沿外圆筒轴线设置且外壁与外圆筒内壁连接的至少两个支撑圆环，且相邻支撑圆环之间通过可改变上述相邻支撑圆环轴线之间夹角的弯曲机构连接；所述外圆筒外壁具有轴向和环向刻度线。本发明专利技术的实验装置结构紧凑、可靠性高、可设计性强；适合于对螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移进行机理性研究；通过对外圆筒内部每个驱动器精确控制，最终实现对整个外圆筒弯曲半径的精确控制，保证其上任意截面弯曲曲率与预设工况完全相同。

An experimental device and test method for bending and sliding of spiral wound armored steel wire with arbitrary curvature

【技术实现步骤摘要】
一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置与测试方法
本专利技术涉及一种装置与测试方法，具体地说是一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置与测试方法。
技术介绍
经济迅猛发展导致的油气能源消耗急剧上升，我国虽拥有丰富的油气资源，但大多数分布在深海，高投入、高风险等导致深海油气开发非常困难。而海洋电缆、脐带缆及柔性管道是深海油气开发中至关重要的高端连接装备，其连接于水上浮体与海底采油设备或某些控制系统之间，用于远程电能和数据传输控制，或者油气资源的输送。由于我国海洋工程装备开发起步较晚，特别是脐带缆和柔性管道仍然严重依赖国外进口。为了掌握该类型柔性管缆结构的设计和制造技术，有必要针对特定力学行为研发相关实验装备并掌握测试技术；从而逐步实现海洋柔性管缆相关技术的国产化。该类装备的共同结构特点是都具有单层或多层的螺旋铠装钢丝保护层，以保证在复杂的海洋环境下能够抵抗各种形式的载荷。但在某些极端海况或工况下，仍不可避免会在管缆的某些部位发生破坏失效。如：由于水上浮体的运动，管缆与浮体或管缆与海底触地点之间的柔性管缆段呈现明显的反复弯曲力学行为，同时考虑外部的水压作用，铠装钢丝层将发生弯曲滑移，从而导致强度或者屈曲失效等。为了避免上述失效模式的发生，有必要对铠装钢丝层在弯曲过程下的滑移机理进行研究，因此本专利旨在开发海洋柔性管缆铠装钢丝弯曲滑移机理实验装置和提出相应的测试方法。已有技术存在的缺陷或问题如图1所示，目前达到此种目的的实验装置通常用圆柱筒模拟海洋柔性管缆的内核结构，同时将螺旋铠装钢丝缠绕在聚乙烯或聚四氟乙烯制成的圆柱筒，一端采用法兰固定与地基或实验台上，另一端通过控制电机或作动器拉动连接于两者之间的绳索使圆筒模拟海洋柔性管缆发生弯曲行为，进而达到使其上螺旋铠装钢丝发生滑移的目的。该种实验装置存在诸多缺点：(1)通过拉伸绳索实现圆筒弯曲往往不能使圆筒发生纯弯曲，即不能保证圆筒上每一点的曲率相同；(2)不能准确得知任一种弯曲情况下的各截面的准确曲率；(3)同一种工况下对实验进行重复，不能保证每次钢丝滑移路径一致，实验可重复性低；(4)由于加载过程存在偏心问题，因此实验装置可靠性低，往往与预设测试工况存在偏差；(5)同时，由于钢丝外层不设置任何约束，因此无法模拟海洋柔性管缆外护套对铠装钢丝的约束行为，如弯曲下铠装钢丝会发生一定的翘曲。
技术实现思路
针对以上问题，提出一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置与测试方法。所述实验装置设计了可控制模拟海洋柔性管缆的圆筒结构每一截面弯曲曲率的内部装置，并且可精确知道任一种弯曲工况下每一截面的曲率。本专利技术采用的技术手段如下：一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置，包括：驱动组件，其位于外圆筒内，包括沿外圆筒轴线设置且外壁与外圆筒内壁连接的至少两个支撑圆环，且相邻支撑圆环之间通过可改变上述相邻支撑圆环轴线之间夹角的弯曲机构连接；初始状态下，各支撑圆环轴线与外圆筒轴线重合。所述外圆筒外壁具有轴向和环向刻度线。所述弯曲机构包括位于同一平面内的且沿顺时针依次设置的第一角型支架，第二角型支架，第四角型支架和第三角型支架；第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架均包括支撑圆环连接端，支撑圆环连接端设有水平支杆和斜支杆，水平支杆和斜支杆的夹角为锐角；第一角型支架和第三角型支架所对应的支撑圆环连接端通过立板与相邻支撑圆环中的一个支撑圆环内壁连接，第二角型支架和第四角型支架所对应的支撑圆环连接端通过立板与上述相邻支撑圆环中的另一个支撑圆环内壁连接；四个所述斜支杆自由端分别设有与第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架相对应的第一铰接板，第二铰接板，第三铰接板和第四铰接板；第一铰接板，第三铰接板，第二铰接板和第四铰接板沿垂直于第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架所在平面方向依次层叠并通过圆柱卡销和与其配合的圆头螺母铰接；第一角型支架和第二角型支架所对应的水平支杆之间设有与所对应的水平支杆同轴的第一驱动器，第三角型支架和第四角型支架所对应的水平支杆之间设有与所对应的水平支杆同轴的第二驱动器；第一驱动器和第二驱动器均包括驱动器本体和位于驱动器本体一端的输出轴；所述第一驱动器所对应的输出轴的自由端位于第二角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接，所述第一驱动器所对应的驱动器本体的自由端位于第一角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接，所述第二驱动器所对应的输出轴的自由端位于第四角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接，所述第二驱动器所对应的驱动器本体的自由端位于第三角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接；上述各水平支杆的自由端凹槽的延伸方向均位于第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架所在平面内。所述圆头锁紧螺杆包括依次连接的螺头和螺杆；所述螺头呈半鼓形，侧面设置滚花，其小端与所述螺杆连接；所述螺杆自由端具有外螺纹段，其与所对应的水平支杆的自由端凹槽的一侧槽壁螺纹连接，所述螺杆设有退刀槽。所述圆柱卡销包括依次连接的卡销头和阶梯状的卡销杆；所述卡销头与所述卡销杆的大端连接且外壁具有直纹滚花；所述卡销杆的小端具有与所述圆头螺母螺纹连接外螺纹段；所述圆头螺母外壁具有直纹滚花。所述第一驱动器和所述第二驱动器为作动器且各作动器可单独控制伸缩。与所述支撑圆环相对应的所述外圆筒外壁具有注胶孔，所述支撑圆环外壁与所述外圆筒内壁之间从所述注胶孔灌环氧树脂胶粘结。还包括：固定基座，其上设有端面法兰，端面法兰具有容纳所述外圆筒一端端部的端面法兰凹槽；所述外圆筒的另一端设有末端圆环，末端圆环具有容纳所述外圆筒上述端部的末端圆环凹槽；端面法兰凹槽和末端圆环凹槽的槽壁顶部的周向均设有多个钢丝固定孔，钢丝固定孔的轴线与所述外圆筒的轴线平行，且钢丝固定孔的孔壁所在圆柱面与所对应的端面法兰凹槽或末端圆环凹槽的槽壁相割，端面法兰和末端圆环的外壁设有延伸至钢丝固定孔的孔壁与钢丝固定孔连通的螺纹孔，螺纹孔内设有用于固定螺旋缠绕在所述外圆筒外壁上的铠装钢丝端部的机米螺丝。所述外圆筒与所述端面法兰凹槽和所述末端圆环凹槽之间通过环氧树脂胶粘结；所述外圆筒外壁具有白色聚合物，其上设有所述轴向和环向刻度线，所述白色聚合物为聚乙烯或聚四氟乙烯等复合材料。所述外圆筒外壁套接有对螺旋缠绕在所述外圆筒外壁上的铠装钢丝进行径向约束的透明薄壳圆筒。本专利技术还公开了一种使用上述所述的实验装置进行海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移测试的方法，具有如下步骤：S1、根据实际需要测试的海洋柔性管缆结构尺寸，确定所述外圆筒的直径和长度以及铠装钢丝的数量和布置方式；S2、将待测铠装钢丝螺旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置，其特征在于，包括：/n驱动组件，其位于外圆筒内，包括沿外圆筒轴线设置且外壁与外圆筒内壁连接的至少两个支撑圆环，且相邻支撑圆环之间通过可改变上述相邻支撑圆环轴线之间夹角的弯曲机构连接；/n所述外圆筒外壁具有轴向和环向刻度线。/n

【技术特征摘要】
1.一种海洋柔性管缆螺旋缠绕铠装钢丝任意曲率弯曲滑移实验装置，其特征在于，包括：
驱动组件，其位于外圆筒内，包括沿外圆筒轴线设置且外壁与外圆筒内壁连接的至少两个支撑圆环，且相邻支撑圆环之间通过可改变上述相邻支撑圆环轴线之间夹角的弯曲机构连接；
所述外圆筒外壁具有轴向和环向刻度线。


2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述弯曲机构包括位于同一平面内的且沿顺时针依次设置的第一角型支架，第二角型支架，第四角型支架和第三角型支架；
第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架均包括支撑圆环连接端，支撑圆环连接端设有水平支杆和斜支杆，水平支杆和斜支杆的夹角为锐角；
第一角型支架和第三角型支架所对应的支撑圆环连接端通过立板与相邻支撑圆环中的一个支撑圆环内壁连接，第二角型支架和第四角型支架所对应的支撑圆环连接端通过立板与上述相邻支撑圆环中的另一个支撑圆环内壁连接；
四个所述斜支杆自由端分别设有与第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架相对应的第一铰接板，第二铰接板，第三铰接板和第四铰接板；
第一铰接板，第三铰接板，第二铰接板和第四铰接板沿垂直于第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架所在平面方向依次层叠并通过圆柱卡销和与其配合的圆头螺母铰接；
第一角型支架和第二角型支架所对应的水平支杆之间设有与所对应的水平支杆同轴的第一驱动器，第三角型支架和第四角型支架所对应的水平支杆之间设有与所对应的水平支杆同轴的第二驱动器；
第一驱动器和第二驱动器均包括驱动器本体和位于驱动器本体一端的输出轴；
所述第一驱动器所对应的输出轴的自由端位于第二角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接，所述第一驱动器所对应的驱动器本体的自由端位于第一角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接，所述第二驱动器所对应的输出轴的自由端位于第四角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接，所述第二驱动器所对应的驱动器本体的自由端位于第三角型支架所对应的水平支杆的自由端凹槽并通过圆头锁紧螺杆铰接；
上述各水平支杆的自由端凹槽的延伸方向均位于第一角型支架，第二角型支架，第三角型支架和第四角型支架所在平面内。


3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于：所述圆头锁紧螺杆包括依次连接的螺头和螺杆；
所述螺头呈半鼓形，侧面设置滚花，其小端与所述螺杆连接；
所述螺杆自由端具有外螺纹段，其与所对应的水平支杆的自由端凹槽的一侧槽壁螺纹连接，所述螺杆设有退刀槽。


4.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于：所述圆柱卡销包括依次连接的卡销头和阶梯状的卡销杆；
所述卡销头与所述卡销杆的大端连接且外壁具有直纹滚花；
所述卡销杆的小端具有与所述圆头螺母螺纹连接外螺纹段；
所述圆头螺母外壁具有直纹滚花。
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨志勋，杨钰城，阎军，史冬岩，汤明刚，卢青针，秦安壮，陈金龙，吴尚华，胡海涛，英玺蓬，周保顺，苏琦，步宇峰，何东泽，岳前进，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23