埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，包括：依次连接的储液槽、止回阀、金属进液管、离心泵、流量计、纤维软管、管道变径接头、实验管道、压力表；包括与动态位移传感器、动态应变传感器、动态压力传感器、动态加速度传感器连接的JM5930动态信号测试系统，上述传感器布设在实验管道上；包括放置于固定支座上的管道组合支架、防护罩，防护罩将管道组合支架保护其中；管道组合支架上刚性固定有实验管道；包括与实验管道连接的TNT引爆装置。该方案以TNT为爆炸源，完全模拟了真实爆炸效应；充分考虑管内流体性质、流动状态与管道结构和土体耦合界面的压力与位移、应力、加速度传递。

【技术实现步骤摘要】
埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置
本专利技术涉及埋地管道安全测试
，特别涉及一种埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置。
技术介绍
随着石油石化行业的飞速发展，在多种油气运输的方式中，管道运输的优势逐步显露。管道运输具有明显的经济性，通过输油泵、压缩机直接推动，油气昼夜不停地流动，易于实现自动化操作，运营人员较少。并且占地少，建设快。近几十年来，全球油气管道建设进入了高峰时期，在此种情况下，就使得长输埋地油气管道的安全生产日益受到重视。由于临近油气管道泄漏爆炸、工程爆破施工、恐怖袭击等偶然外爆载荷作用下，导致油气管道在瞬态冲击载荷作用下发生破坏，造成人员伤亡和重大财产损失。伴随着长输油气管道的发展，提高管道输送流量、输送压力，已经成为当前油气管道发展的主要目标。当前对于输气管道已经达到输送压力12MPa以上，原油输送管道的压力也已达到5MPa以上，由此引发管道在爆炸地冲击下的响应也更加复杂。研究埋地油气管道在爆炸地冲击作用下的响应特点和规律，对这类事故的严重性做出合理的判定以便采取必要的预防措施，是确保管道安全的正确思路。埋地管道受到爆炸地冲击作用影响主要分两方面：一方面受到爆炸冲击应力波和地震波、土体弹塑性变形的挤压力，另一方面还受到内部流体介质的内压和流动状态引起的管道变形与振动，因此埋地油气管道与土体和内部流体耦合界面上的载荷极为复杂，当前学者主要从是否考虑管内流体介质问题上，对管道耦合界面受力进行了研究。现有的研究分别采用弹簧单元或接触单元对管道与土体耦合界面进行了描述、考虑管内流体压力对流固耦合界面进行了描述。但由于管内介质的流动状态会使管道振动频率发生变化，如果埋地输气管道的固有频率与爆破地震主频率接近，管道受爆破地震破坏的可能性比较大，因此，需要考虑管内介质流动状态对耦合界面振动情况的影响。同时由于管内气体高的输送压力与流体不可压缩性，在爆炸冲击载荷下发生的流体域动网格突变引起结构域大变形非线性问题，都会影响到管道的动力响应与失效模式。上述均是在流体与管道和土体耦合界面载荷传递问题上，急需解决的关键技术问题。在研究中，根据模拟爆炸产生的震源不同，可分为静力实验、动态实验和爆破实验。某学者认为地震波作用下埋地管道主要受轴力，破坏类型为拉伸破坏。在此基础上对铸铁管线和PE管线进行过拉拔试验，得出铸铁管和PE管在静力作用下的破坏特点和最大抗力，由于这样的静力实验只是简单的得出埋地管道的抗拉性能，不能模拟管道在土体中的受力、应变，研究方法有待改进。为了可以更好地模拟地震波作用下埋地管道的真实受力、应变，研究人员开始进行地震模拟振动台试验。地震模拟振动台试验是真正意义上的地震模拟实验，在振动台上可真实的实现各种形式的地震波，可更直观的展现结构在地震作用下的破坏机理，是目前研究结构抗震性能最直接也是较准确的试验方法。由于地震模拟振动台存在局限性，并不是真实的爆炸地震波，对试验对象的动力相似条件有着严格的要求，并且地震模拟振动台投资大，其设计和建造过程复杂，难度大。为得到更符合实际的试验结果，国内外学者又开展了一系列爆炸地冲击试验。比如，1)用采集分析系统得出了爆破振动下爆炸产生的冲击压力的大小，分析了应力波作用下埋地管段背面易受到轴向拉应力破坏，且受力过程是瞬态受力过程。2)现场对爆破地震波影响下的地标振速进行了检测，并通过采集到的地震信号作为载荷条件对管道的动力响应影响规律进行了研究。3)通过对全尺寸管道爆破施工的现场测试，分别对爆炸冲击波在土体中产生的加速度和压力进行了测量。综上所述，对于埋地油气管道外爆响应问题：现有的实验设计理念并未综合考虑管内介质流动状态及其在爆炸冲击载荷下对耦合界面振动情况的影响。现有的静力实验只是简单的得出埋地管道的抗拉性能，不能模拟管道在土体中的受力、应变；现有的动态实验同样存在很大的局限性，并不能模拟真实的爆炸地震波；现有的爆破实验虽然模拟出了真实的爆炸效应，但在载荷分析上，现有内部流体耦合界面上的载荷分析仅局限于轴向拉应力，加速度和压力上。但还未考虑耦合界面位移与加速度的耦合传递，也未考虑流体流动状态引起管道振动和管道与土体接触状态的变化情况；无法实现流体与管道和土体耦合界面载荷的准确计算。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，解决了现有技术中不能模拟真实的爆炸地震波、未考虑耦合界面位移与加速度的耦合传递，也未考虑流体流动状态引起管道振动和管道与土体接触状态的变化情况的技术问题。该埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置包括：储液槽1、止回阀2、金属进液管3、离心泵4、流量计5、纤维软管6、JM5930动态信号测试系统7、TNT引爆装置8、固定支座9、防护罩10、管道变径接头11、实验管道12、动态位移传感器13、动态应变传感器14、动态压力传感器15、动态加速度传感器储液槽1的出液口、止回阀2、金属进液管3、离心泵4、流量计5、纤维软管6、管道变径接头11、实验管道12、纤维软管6、压力表18、止回阀2、储液槽1的进液口依次连接16和管道组合支架17、压力表18；其中，实验管道12的两端分别各自连接一个管道变径接头11、一段纤维软管6，实验管道12被刚性固定于管道组合支架17上；TNT引爆装置8与实验管道12连接，JM5930动态信号测试系统7与动态位移传感器13、动态应变传感器14、动态压力传感器15、动态加速度传感器16连接；动态位移传感器13、动态应变传感器14、动态压力传感器15、动态加速度传感器16布设在实验管道12上；管道组合支架17固定放置于固定支座9上，防护罩10安放在固定支座9上，防护罩10将管道组合支架17保护其中；所述储液槽1用于：存储液体，所述液体通过储液槽1的出液口、金属进液管3、纤维软管6进入实验管道12中，并通过纤维软管6、储液槽1的进液口回流至所述储液槽1中；所述止回阀2用于：防止通过所述储液槽1的出液口流出所述储液槽1的液体倒流至所述储液槽1中，通过储液槽1的进液口流入所述储液槽1的液体倒流回所述纤维软管6中；所述离心泵4用于：调节液体的流量，以模拟液体不同的流动状态；所述流量计5用于：测量通过所述储液槽1的出液口流出所述储液槽1的液体的流量和流速；所述TNT引爆装置8用于：产生爆炸冲击波；所述动态位移传感器13、动态应变传感器14、动态压力传感器15、动态加速度传感器16分别用于：测量实验管道12在爆炸冲击波作用下的位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号；所述JM5930动态信号测试系统7用于：获取所述位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号，对所述位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号进行分析，获得实验管道12在爆炸冲击波作用下的应力分布规律和结构响应；所述压力表18用于：测量通过储液槽1的进液口流入所述储液槽1的液体的压力。在本专利技术实施例中，采用TNT为爆炸源，模拟管道泄漏引起的爆炸和工程爆破的爆炸过程，完全模拟了真实爆炸源的作用效果；不局限于考虑管道与土体之间的接触耦合作用，管道内部以流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，包括：储液槽(1)、止回阀(2)、金属进液管(3)、离心泵(4)、流量计(5)、纤维软管(6)、JM5930动态信号测试系统(7)、TNT引爆装置(8)、固定支座(9)、防护罩(10)、管道变径接头(11)、实验管道(12)、动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)和管道组合支架(17)、压力表(18)；/n其中，储液槽(1)的出液口、止回阀(2)、金属进液管(3)、离心泵(4)、流量计(5)、纤维软管(6)、管道变径接头(11)、实验管道(12)、纤维软管(6)、压力表(18)、止回阀(2)、储液槽(1)的进液口依次连接，实验管道(12)的两端分别各自连接一个管道变径接头(11)、一段纤维软管(6)，实验管道(12)被刚性固定于管道组合支架(17)上；TNT引爆装置(8)与实验管道(12)连接，JM5930动态信号测试系统(7)与动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)连接；动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)布设在实验管道(12)上；管道组合支架(17)固定放置于固定支座(9)上，防护罩(10)安放在固定支座(9)上，防护罩(10)将管道组合支架(17)保护其中；/n所述储液槽(1)用于：存储液体，所述液体通过储液槽(1)的出液口、金属进液管(3)、纤维软管(6)进入实验管道(12)中，并通过纤维软管(6)、储液槽(1)的进液口回流至所述储液槽(1)中；/n所述止回阀(2)用于：防止通过所述储液槽(1)的出液口流出所述储液槽(1)的液体倒流至所述储液槽(1)中，通过储液槽(1)的进液口流入所述储液槽(1)的液体倒流回所述纤维软管(6)中；/n所述离心泵(4)用于：调节液体的流量，以模拟液体不同的流动状态；/n所述流量计(5)用于：测量通过所述储液槽(1)的出液口流出所述储液槽(1)的液体的流量和流速；/n所述TNT引爆装置(8)用于：产生爆炸冲击波；/n所述动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)分别用于：测量实验管道(12)在爆炸冲击波作用下的位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号；/n所述JM5930动态信号测试系统(7)用于：获取所述位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号，对所述位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号进行分析，获得实验管道(12)在爆炸冲击波作用下的应力分布规律和结构响应；/n所述压力表(18)用于：测量通过储液槽(1)的进液口流入所述储液槽(1)的液体的压力。/n...

【技术特征摘要】
1.一种埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，包括：储液槽(1)、止回阀(2)、金属进液管(3)、离心泵(4)、流量计(5)、纤维软管(6)、JM5930动态信号测试系统(7)、TNT引爆装置(8)、固定支座(9)、防护罩(10)、管道变径接头(11)、实验管道(12)、动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)和管道组合支架(17)、压力表(18)；
其中，储液槽(1)的出液口、止回阀(2)、金属进液管(3)、离心泵(4)、流量计(5)、纤维软管(6)、管道变径接头(11)、实验管道(12)、纤维软管(6)、压力表(18)、止回阀(2)、储液槽(1)的进液口依次连接，实验管道(12)的两端分别各自连接一个管道变径接头(11)、一段纤维软管(6)，实验管道(12)被刚性固定于管道组合支架(17)上；TNT引爆装置(8)与实验管道(12)连接，JM5930动态信号测试系统(7)与动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)连接；动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)布设在实验管道(12)上；管道组合支架(17)固定放置于固定支座(9)上，防护罩(10)安放在固定支座(9)上，防护罩(10)将管道组合支架(17)保护其中；
所述储液槽(1)用于：存储液体，所述液体通过储液槽(1)的出液口、金属进液管(3)、纤维软管(6)进入实验管道(12)中，并通过纤维软管(6)、储液槽(1)的进液口回流至所述储液槽(1)中；
所述止回阀(2)用于：防止通过所述储液槽(1)的出液口流出所述储液槽(1)的液体倒流至所述储液槽(1)中，通过储液槽(1)的进液口流入所述储液槽(1)的液体倒流回所述纤维软管(6)中；
所述离心泵(4)用于：调节液体的流量，以模拟液体不同的流动状态；
所述流量计(5)用于：测量通过所述储液槽(1)的出液口流出所述储液槽(1)的液体的流量和流速；
所述TNT引爆装置(8)用于：产生爆炸冲击波；
所述动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)分别用于：测量实验管道(12)在爆炸冲击波作用下的位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号；
所述JM5930动态信号测试系统(7)用于：获取所述位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号，对所述位移信号、应变信号、压力信号和加速度信号进行分析，获得实验管道(12)在爆炸冲击波作用下的应力分布规律和结构响应；
所述压力表(18)用于：测量通过储液槽(1)的进液口流入所述储液槽(1)的液体的压力。


2.如权利要求1所述的埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，所述固定支座(9)上包括多个预留孔位，分布在所述固定支座上的不同位置；
所述多个预留孔位用于：使纤维软管(6)、TNT引爆装置(8)的引爆线、动态位移传感器(13)、动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)、动态加速度传感器(16)的连接线穿过。


3.如权利要求1或2所述的埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，所述固定支座(9)上包括多个定位卡槽，分布在所述固定支座上的不同位置；
所述多个定位卡槽用于：对所述防护罩(10)进行固定和定位；
和/或，对所述管道组合支架(17)进行固定和定位。


4.如权利要求1所述的埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，所述防护罩(10)为长方体，包括前操作窗(10-1)、后操作窗(10-2)、上操作窗(10-3)、两侧视窗和挡板，其中，挡板分别位于两侧视窗上；
所述前操作窗(10-1)、后操作窗(10-2)、上操作窗(10-3)独立进行开关，通过对所述前操作窗(10-1)、后操作窗(10-2)、上操作窗(10-3)的打开关闭，实现埋地管道外爆耦合界面参数实验的相应操作；
所述挡板用于：阻挡进行埋地管道外爆耦合界面参数实验时添加到防护罩内的填充土体。


5.如权利要求4所述的埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，所述前操作窗(10-1)、后操作窗(10-2)、上操作窗(10-3)上分别包含一把手，通过所述把手实现所述前操作窗(10-1)、后操作窗(10-2)、上操作窗(10-3)打开关闭，完成埋地管道外爆耦合界面参数实验的相应操作。


6.如权利要求4所述的埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，所述前操作窗(10-1)、后操作窗(10-2)、上操作窗(10-3)设置为推拉门，通过推拉操作实现所述前操作窗(10-1)、后操作窗(10-2)、上操作窗(10-3)打开关闭，完成埋地管道外爆耦合界面参数实验的相应操作。


7.如权利要求1所述的埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，所述动态位移传感器(13)与动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)与动态加速度传感器(16)以实验管道(12)上的爆点为中心对称布置。


8.如权利要求1所述的埋地管道外爆耦合界面参数实验测试装置，其特征在于，所述动态位移传感器(13)与动态应变传感器(14)、动态压力传感器(15)与动态加速度传感器(16)均布设在...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宇奇，刘巨保，李子青，周辉宇，李为卫，马秋荣，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，东北石油大学，
类型：发明
国别省市：北京;11