外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置及方法

摘要

一种外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置及其试验方法，装置包括油缸、拉力绳、拉力绳支撑、两个压头和两个在测试钢管的轴线方向上设置的两个测试钢管支撑；所述油缸的固定端固定设置，所述油缸的活动端的端面均匀的压在两个所述测试钢管支撑上，并且所述油缸的加压中心线也位于两个所述测试钢管支撑的间距中心上；所述测试钢管的一端固定，另一端连接所述拉力绳；所述拉力绳的另一端通过所述拉力绳支撑后连接到拉力加载装置。本发明装置结构简单，可应用于海底管道铺设过程的模拟受力分析，方法易于实现，且易于操作；得到的时间结果相对更为准确真实；通过应变片可以测量出钢管受载时的应变情况。

说明书

技术领域

本发明涉及海底管道测试技术领域，尤其是涉及一种外加轴向载荷的钢管 全尺寸四点弯曲试验装置及方法。

背景技术

海底管道是海洋油气资源开发的生命线，对海底石油和天然气的生产和外 输起着关键性的作用。目前国际上使用最多的管道铺设方法是铺管船法，这种 方法适用于长距离管段远离岸边的铺管作业，而且经济指标也较好。

结合国内外的铺管实际工程经验，铺管船法主要有三种：S型铺管法、J型 铺管法和卷管式铺管法。其中，S型铺管法由于工程应用最早，其技术相对成熟， 成为目前海底管道铺设最为常用的方法，典型S型铺管如图1所示。这种管道铺 设方法一般需要安排一艘或者多艘起抛锚拖轮来支持铺管作业。在开始作业前， 需要将一个锚定位在海床上，然后将锚缆引过托管架并系到第一根管子的端部， 管道在托管架的支撑下，自然地弯曲成S型曲线，一般可分成两个区域：一为拱 弯区，从驳船甲板上的张紧装置开始，沿托管架向下延伸到管道开始脱离托管 架支撑的抬升点为止的一段区域(抬升点一般就是管道弯曲状态时的拐点)；另 一段为垂弯区，是从拐点到海床着地点的一段区域，管道在垂弯区的曲率通过 沿生产线放置的张紧器产生的后拖力来控制，管道在拱弯区的曲率和弯曲应力 则一般依靠合适的滑道支撑和托管架的曲率来控制。

综上所述，海底管道在铺设时同时受到弯曲、轴向拉力和径向压力及海水 拖曳力(扭曲)的共同作用，其安全性受到很大的挑战，因此海底管道铺管状 态下力学特性研究显得尤为重要。

从图1可以看出海底管道受重力和海水浮力的作用，呈S形弯曲，最大变形 和最大弯曲应力出现在管道与托管架分离处。这样，我们就可以用四点弯曲试 验来评价复合钢管弯曲时的变化，以确定铺时的最大弯曲半径。

四点弯曲试验法是将试样(钢管)放在有一定距离的两个支撑点上，在离 两个支撑点的中点相同距离上对试样施加向下的载荷，试样在4个接触点的作用 下发生四点弯曲，且在中点处的弯曲半径最大。四点弯曲试验主要用来测试试 样的弯曲半径，同时还可以测试两种材料的结合力(如双金属复合管衬管与基 管的结合力)，常规全尺寸钢管四点弯曲试验装置的示意图如图2所示。

对于双金属复合管，根据试验目的要求与四点弯曲试验法的特点，结合双 金属复合管特殊的结构，选用四点弯曲试验法，既可测试双金属复合管的最小 弹性弯曲半径，又可以测试双金属复合管基衬分离的最小弯曲半径及双金属复 合管的其它弯曲性能。

由图1可知，在海管铺设时管道在托管架处或触底点附近不仅仅是弯曲，同 时还受到轴向拉力和径向压力及海水拖曳力(扭曲)的共同作用，由图2可知， 常规的全尺寸钢管四点弯曲试验仅仅是测试钢管铺设弯曲变化时的最大弯曲半 径，而忽略了钢管轴向拉力因素，且不能测试钢管弯曲半径最大处的应力变化 情况。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试 验装置及方法，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置，包括油缸、拉力绳、 拉力绳支撑、两个压头和两个在测试钢管的轴线方向上设置的两个测试钢管支 撑；

所述测试钢管放置于测试钢管支撑上，并且所述测试钢管的长度中心在两 个所述测试钢管支撑的间距中心上；

两个所述压头放置于所述测试钢管上，并且两个所述压头的间距中心也在 两个所述测试钢管支撑的间距中心上；

所述油缸的固定端固定设置，所述油缸的活动端的端面均匀的压在两个所 述测试钢管支撑上，并且所述油缸的加压中心线也位于两个所述测试钢管支撑 的间距中心上；

所述测试钢管的一端固定，另一端连接所述拉力绳；所述拉力绳的另一端 通过所述拉力绳支撑后连接到拉力加载装置。

所述拉力绳支撑高度要保证钢管达到预期变形程度时轴向载荷与钢管同 轴。

设：

h为测试钢管的弯曲压下量，由测试钢管在托管处的弯曲受力程度确定；

H₁为所述测试钢管支撑的高度；

H₂为所述拉力绳支撑高度；

L₁为所述油缸的中心距所述测试钢管支撑的中心的距离；

L₂为所述测试钢管支撑的中心与拉力绳支撑的中心的距离；

则：

$H_2=H_1+\frac{L_2}{L_1}h---\left(1\right)$

。

位于两个所述测试钢管支撑的间距中心上上的所述测试钢管上设有与应力 测试系统相连接的应变片。

所述拉力绳为钢丝绳。

所述拉力加载装置为外在油缸或卷扬机。

一种外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置的试验方法，包括步骤 如下：

首先，将测试钢管放置于测试钢管支撑上，保证所述测试钢管的长度中心 在所述测试钢管支撑的间距中心处；

其次，启动油缸与拉力加载装置，在所述油缸的作用下压头下压并确保测 试钢管的弯曲压下量h，通过拉力绳确保测试钢管轴向应力为F，同时，与应力 测试系统相连接的应变片监控与记录所述测试钢管在受载状态下的实时应变情 况；其中设：

H₁为所述测试钢管支撑的高度；

H₂为所述拉力绳支撑高度；

L₁为所述油缸的中心距所述测试钢管支撑的中心的距离；

L₂为所述测试钢管支撑的中心与拉力绳支撑的中心的距离；

则：

$H_2=H_1+\frac{L_2}{L_1}h---\left(1\right).$

最后，对于双金属复合管，在试验完成后用内窥镜观察内衬是否存在开裂、 褶皱以及剥离情况。

本发明的有益效果可以总结如下：

1、本发明装置结构简单，可应用于海底管道铺设过程的模拟受力分析， 方法易于实现，且易于操作；

2、本发明的装置和方法较现有技术中的常规的全尺寸钢管四点弯曲试 验装置更真实的反映出钢管铺设时的受力状况，得到的时间结果相对 更为准确真实；

3、本发明中的装置和方法不仅可以测量全尺寸钢管最小弹性弯曲半径， 而且通过应变片可以测量出钢管受载时的应变情况。

附图说明

图1现有技术中的S型铺管法示意图；

其中，21水平面，22海床，23触底点，24反弯点至海床之间部分，25反 弯点，26托管架部分，27升离点，28铺管船。

图2为现有技术中的常规全尺寸钢管四点弯曲试验装置示意图。

图3为发明外加轴向载荷的钢管四点弯曲试验装置示意图。

图4为发明外加轴向载荷的钢管四点弯曲试验装置实际操作示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以 下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3和图4所示的一种外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置， 包括油缸4、拉力绳6、拉力绳支撑7、两个压头5和两个在测试钢管1的轴线 方向上设置的两个测试钢管支撑2；所述测试钢管1放置于测试钢管支撑2上， 并且所述测试钢管1的长度中心在两个所述测试钢管支撑2的间距中心上；两 个所述压头5放置于所述测试钢管1上，并且两个所述压头5的间距中心也在 两个所述测试钢管支撑2的间距中心上；所述油缸4的固定端固定设置，所述 油缸4的活动端的端面均匀的压在两个所述测试钢管支撑2上，并且所述油缸4 的加压中心线也位于两个所述测试钢管支撑2的间距中心上；所述测试钢管1 的一端固定，另一端连接所述拉力绳6；所述拉力绳6的另一端通过所述拉力绳 支撑7后连接到拉力加载装置。

在更加优选的实施例中，所述拉力绳支撑7高度要保证钢管达到预期变形 程度时轴向载荷与钢管同轴。

在更加优选的实施例中，设：

h为测试钢管1的弯曲压下量，由测试钢管1在托管处的弯曲受力程度确定；

H₁为所述测试钢管支撑2的高度；

H₂为所述拉力绳支撑7高度；

L₁为所述油缸4的中心距所述测试钢管支撑2的中心的距离；

L₂为所述测试钢管支撑2的中心与拉力绳支撑7的中心的距离；

则：

$H_2=H_1+\frac{L_2}{L_1}h---\left(1\right).$

在更加优选的实施例中，位于两个所述测试钢管支撑2的间距中心上上的 所述测试钢管1上设有与应力测试系统相连接的应变片3。

在更加优选的实施例中，所述拉力绳6为钢丝绳。所述拉力加载装置为外 在油缸4或卷扬机。

一种外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置的试验方法，包括步骤 如下：

首先，将测试钢管1放置于测试钢管支撑2上，保证所述测试钢管1的长 度中心在所述测试钢管支撑2的间距中心处；

其次，启动油缸4与拉力加载装置，在所述油缸4的作用下压头5下压并 确保测试钢管1的弯曲压下量h，通过拉力绳6确保测试钢管1轴向应力为F， 同时，与应力测试系统相连接的应变片3监控与记录所述测试钢管1在受载状 态下的实时应变情况；其中设：

H₁为所述测试钢管支撑2的高度；

H₂为所述拉力绳支撑7高度；

L₁为所述油缸4的中心距所述测试钢管支撑2的中心的距离；

L₂为所述测试钢管支撑2的中心与拉力绳支撑7的中心的距离；

则：

$H_2=H_1+\frac{L_2}{L_1}h---\left(1\right).$

在更加优选的实施例中，最后，对于双金属复合管，在试验完成后用内窥 镜观察内衬是否存在开裂、褶皱以及剥离情况。

在某个优选的实施例中，在图3中，F为轴向载荷，由铺设中的张紧器张力 确定，轴向应力的加载由外在油缸或卷扬机供应；应变片3用于监控钢管在受 载状态下的实时应变情况；油缸4保证四点弯曲时的压下应力，使得支撑2与 压头5形成钢管四点受力状态；钢丝绳6一端与钢管1相连接，另一端与外在 油缸或卷扬机相连接，为钢管1提供相应的轴向应力F。F大小由设计方根据实 际施工情况计算所得。

在图3中有以下关系：

$H_2=H_1+\frac{L_2}{L_1}h---\left(1\right)$

在公式(1)中，

h——为试验要求的压头5压下量(即测试钢管1的弯曲压下量h)，由钢管 在托管处的弯曲受力程度确定；

H1——支撑高度；

H2——钢丝绳支撑高度，保证钢管达到预期变形程度时轴向载荷与钢管同 轴；

L1——油缸4中心距支撑中心的距离；

L2——支撑中心与钢丝绳中心的距离。

该装置的实际操作示意图如图4所示，其操作工程如下所述：

首先，将试验钢管1放置于支撑2上，保证钢管1长度中心在支撑2间距 中心处；其次，启动油缸4与外在卷扬机，通过压头5确保钢管1的弯曲压下 量h，通过钢丝绳确保钢管轴向应力F。同时，与应力测试系统相连接的应变片 3，可以监控与记录钢管在受载状态下的实时应变情况。最后，对于双金属符合 管，可以在试验完成后用内窥镜观察内衬是否存在开裂、褶皱以及剥离等情况。

可见，本发明装置结构简单，可应用于海底管道铺设过程的模拟受力分析， 方法易于实现，且易于操作；本发明的装置和方法较现有技术中的常规的全尺 寸钢管四点弯曲试验装置更真实的反映出钢管铺设时的受力状况，得到的时间 结果相对更为准确真实；本发明中的装置和方法不仅可以测量全尺寸钢管最小 弹性弯曲半径，而且通过应变片3可以测量出钢管受载时的应变情况。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员 应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。