一种在役管道复合载荷模拟测试方法和系统

摘要

本发明是一种在役管道复合载荷模拟测试方法和系统，涉及管道系统技术领域。它是先将管道固定在外部载荷系统上，注水排气后，使用增压泵内部增压，然后通过外部载荷系统施加弯曲载荷与轴向载荷，测试钢管在内压、弯曲载荷、轴向载荷共同作用下管道的承压能力和失效模式。本发明具有模拟管道受内压、弯曲载荷及轴向载荷三种载荷的功能、具备开展在单一载荷或复合载荷作用下的含缺陷管道或修复后管道的失效测试能力。

说明书

技术领域

本发明是一种在役管道复合载荷模拟测试方法和系统，涉及油气管道系统技 术领域。

背景技术

针对含腐蚀、螺旋焊缝缺陷、环焊缝缺陷、凹陷等缺陷管道的剩余强度评价 方法研究中，需要开展含缺陷管道在复合载荷作用下的失效模拟测试，以验证评 价结果并对评价模型进行修正。同时在缺陷修复完成后，也需要对修复效果进行 评价与验证。

CN102023118A公开了一种实体膨胀管进行复合载荷试验的方法，CN2709972Y 公开了一种线性载荷模拟试验方法，GB2458293A公开了一种管部件的强度和压力 测试的方法和装置，但均未公开测试管道在内压、弯曲载荷、轴向载荷共同作用 下管道的承压能力和失效模式等特征。

目前的钢管静水压爆破测试系统仅能完成在内压作用下的管道失效验证测 试，不具备开展在内压、弯曲载荷及轴向载荷共同作用下的失效验证测试的能力。

发明内容

本发明的目的发明是一种具有模拟管道受内压、弯曲载荷及轴向载荷三种载 荷的功能、具备开展在单一载荷或复合载荷作用下的含缺陷管道或修复后管道的 失效测试能力的在役管道复合载荷模拟测试方法和系统。

本在役管道复合载荷模拟测试方法为：先将管道固定在外部载荷系统上，注 水排气后，使用增压泵内部增压，然后通过外部载荷系统施加弯曲载荷与轴向载 荷，测试钢管在内压、弯曲载荷、轴向载荷共同作用下管道的承压能力和失效模 式。

具体是：测试钢管2两端密封，在靠近两端处各有注水排气口I13和注水排 气口II14；将测试钢管2吊装到支撑钢架1的支撑点I3、支撑点II4上，且支撑 点I3、支撑点II4位于测试钢管2的两端，安装固定好U型固定环I11和U型固 定环II12；在安装的U型固定环I11和U型固定环II12之间的测试钢管2上部安 装液压缸I5、液压缸II6及加载臂I7、加载臂II8，且加载臂I7、加载臂II8触 及测试钢管2；在测试钢管一端的密封处安装一液压缸III9及触及测试钢管2的加 载臂III10；将测试钢管2与液压缸的加载臂I7、加载臂II8、加载臂III10连接好， 注水排气后，通过增压泵向测试钢管2中施压内压，同时通过液压缸I5、液压缸 II6向测试钢管2施加四点弯曲载荷，通过液压缸III9向测试钢管2施加轴向载荷， 检测测试钢管2在内压、弯曲载荷、轴向载荷共同作用下的承压能力和失效模式。

具体步骤为：

1)将测试钢管2吊装到支撑点I3、支撑点II4上，将测试钢管2与液压缸 的加载臂I7、加载臂II8、加载臂III10连接好，固定好U型固定环I11、U型固 定环II12，连接好数据采集系统；

2)通过注水排气口I13、注水排气口II14注水排气后，通过增压泵向测试 钢管2中施压到设定值的内压；

3)通过液压缸I5、液压缸II6向测试钢管2施加四点弯曲载荷，根据测试 需要可通过设定最大弯曲载荷或最大弯曲位移量来控制弯曲载荷；

4)通过液压缸III9向测试钢管2施加轴向载荷，根据测试需要可通过设定轴 向载荷或最大轴向位移量来控制轴向载荷；

5)根据测试需要调节内压、弯曲载荷或轴向载荷，直到达到测试设计要求；

6)测试过程中数据采集单元采集内压、弯曲载荷、轴向载荷及测试管道2 的屈服压力、爆破压力等重要参数；数据监控单元监控并记录整个测试过程中各 个监控位置管道状态的变化。

本发明的系统包括水压增压单元、外部载荷单元、数据采集与控制单元和电 视监控单元。

在役管道复合载荷模拟测试系统原理框图如图1所示，计量水箱、水压增压 泵、压力缓冲罐和外部载荷单元依次连接，液压站也与外部载荷单元连接；电视 监控单元的电视监控终端与摄像头连接；数据采集与控制单元有压力缓冲罐的压 力信号采集，有外部载荷单元的变形信号采集，有水压增压泵的压力控制；数据 采集与控制单元接受液压站的外载控制。

所述水压增压单元的主要功能是为测试钢管提供内压，包括计量水箱、水压 增压泵、压力缓冲罐及注水排气口I13、注水排气口II14；

所述外部载荷单元(见图4和图5)包括四点弯曲载荷模块和轴向载荷模块， 它由液压站、液压缸I5、液压缸II6、加载臂I7、加载臂II8、液压缸III9、加载 臂III10和支撑钢架1组成；液压站与液压缸I5、液压缸II6、液压缸III9连接， 加载臂I7、加载臂II8、加载臂III10分别与液压缸I5、液压缸II6、液压缸III9 连接；液压缸I5、液压缸II6、液压缸III9为压力产生装置，其独立控制系统可 实现压力的连续调节；加载臂I7、加载臂II8、加载臂III10为压力传导装置，将 液压缸I5、液压缸II6、液压缸III9产生的压力源转换为测试所需的弯曲载荷及 轴向载荷，施加于测试钢管2；钢架支撑1为测试钢管2提供支撑及安装基础， 同时为液压缸I5、液压缸II6、液压缸III9提供支撑及安装基础，其设计具有足 够强度及充足空间以便安装钢管。

①四点弯曲载荷模块：管道弯曲应力模拟通过四点加载来实现，底部通过支 撑点I3、支撑点II4支撑，同时顶部两个受力点由上向下加载，由两个液压缸I 5、液压缸II6实现。

②轴向载荷模块：管道轴向载荷模块模拟管道承受的轴向力，将测试钢管2 一端固定，另一端通过液压缸III9加载来实现轴向加载。

液压缸I5、液压缸II6、液压缸III9含有压力和位移传感器，其运行速度可 通过控制单元进行调节；传感器信号传到控制台，可与内压信号生成曲线，以分 析在不同外力作用下钢管爆破参数的变化。液压缸的输出压力和行程可精确控制， 可自动进行增压、保压及泄压操作，从而满足测试中多种工况需要，达到预期的 测试效果。

所述数据采集与控制单元原理框图如图2所示，包括数据采集卡、应变仪、 传感器、数据处理软件、工控机等，两路压力传感器输出接工控机终端的输入， 电阻应变片输出接应变仪输入，应变仪输出接工控机终端的输入；工控机终端有 压力控制和外部载荷控制输出；实现对系统的自动控制以及对数据的自动采集、 分析、处理及输出。

所述电视监控单元原理框图如图3所示，包括摄像头、电视监控终端等；4个 摄像头由电信号线与电视监控终端连接，实现视频采集与控制；使操作人员可远 程监视测试现场情况，保证测试过程中操作人员的安全，同时对整个测试过程通 过多个摄像头进行监视录像，多角度观察测试现场情况，方便操作人员进行分析。

该系统具有模拟管道受内压、弯曲载荷及轴向载荷三种载荷的功能，具备开 展在单一载荷或复合载荷作用下的含缺陷管道或修复后管道的失效测试能力。该 系统所提供的三种载荷可根据需要任意组合且可分别连续调节，这三种载荷代表 了在役管道上所承受的主要载荷，其中内压由管内流体压力引起，弯曲载荷由管道 位移引起，轴向载荷由温度变化导致的热胀冷缩引起。

该测试系统采用成熟的信号传输技术和自动控制技术，可精确测量管道的爆 破压力和应变状态，获得管道的屈服压力、爆破压力、局部应力应变以及压力- 环向变形的关系曲线等重要数据。

本发明的优点：本发明的测试系统具有模拟管道受内压(输送压力)、弯曲 载荷(管道沉降或位移)及轴向载荷(温度变化)三种载荷的功能，具备开展在 单一载荷或复合载荷作用下的含缺陷管道或修复后管道的失效测试能力。

附图说明

图1在役管道复合载荷模拟测试系统原理框图

图2数据采集与控制单元原理框图

图3电视监控单元原理框图

图4外部载荷单元(含测试钢管)结构正视图

图5外部载荷单元(含测试钢管)结构立体图

其中1-支撑钢架        2-测试钢管

    3-支撑点I         4-支撑点II

    5-液压缸I         6-液压缸II

    7-加载臂I         8-加载臂II

    9-液压缸III       10-加载臂III

    11-U型固定环I     12-U型固定环II

    13-注水排气口I    14-注水排气口II

具体实施方式：

实施例.本例是一种测试方法和系统，其构成如图1-5所示。

测试系统主要由水压增压单元、外部载荷单元、数据采集与控制单元和电视 监控单元及测试钢管等组成。钢架支撑的整体尺寸为20m(L)×4m(H)。测试钢管 的弯曲载荷由液压缸I5和液压缸II6(非标件，液压缸内压63MPa、高度820毫 米、缸径140毫米，杆径100毫米，最大压力为100吨，最大行程为500mm)实 现。测试钢管的轴向载荷由液压缸III9(非标件，液压缸内压63MPa、高度700毫 米、缸径426毫米，杆径320毫米，最大压力为500吨，最大拉力为200吨，最 大行程为200mm)完成。

测试方法：测试钢管的长度为12m，直径为711mm，壁厚为8mm。将测试钢管 2吊装到支撑点I3和支撑点II4上，将测试钢管2与液压缸的加载臂I7、加载 臂II8和加载臂III10连接好，用U型固定环I11和U型固定环II12固定好测试 钢管2，注水排气后，通过增压泵向测试钢管2中施压内压，同时通过液压缸I5 和液压缸II6向钢管施加四点弯曲载荷，通过液压缸III9施加轴向载荷，测试钢管 2在内压、弯曲载荷、轴向载荷共同作用下管道的承压能力和失效模式。

具体步骤为：

1)测试钢管的长度为12m，直径为711mm，壁厚为8mm；将测试钢管2吊装 到支撑点I3和支撑点II4上，将测试钢管与液压缸的加载臂I7、加载臂II8和 加载臂III10连接好，固定好U型固定环I11和U型固定环II12，连接好数据采 集与控制单元；

2)通过注水排气口I13和注水排气口II14注水排气后，通过增压泵向测试 钢管2中施压到设定值的内压；

3)通过液压缸I5和液压缸II6向测试钢管2施加四点弯曲载荷，根据测试 需要可通过设定最大弯曲载荷或最大弯曲位移量来控制弯曲载荷。据此可研究弯 曲载荷对钢管爆破压力的影响；

4)通过液压缸III9向测试钢管2施加轴向载荷，根据测试需要可通过设定轴 向载荷或最大轴向位移量来控制轴向载荷；据此可研究轴向载荷对钢管爆破压力 的影响；

5)根据测试需要调节内压、弯曲载荷或轴向载荷，直到达到测试要求；

6)测试过程中数据采集与控制单元采集内压、弯曲载荷、轴向载荷及管道 的屈服压力、爆破压力等重要参数；数据采集与控制单元监控并记录整个测试过 程中各个监控位置管道状态的变化。

本例经多次测试，测试方法简单可靠，测试效果良好，模拟了管道受内压、 弯曲载荷及轴向载荷三种载荷的功能，测试结果验证了管道剩余强度评价结果与 管道修复效果，改进了管道剩余强度评价方法的精确性及管道修复效果的可靠性。