一种用于管道弯矩的循环加载疲劳实验装置

摘要

本发明实施例公开了一种用于管道弯矩的循环加载疲劳实验装置，包括管道端部固定结构，弯矩加载结构，以及水压加载结构；管道端部固定结构包括传递腔、万向球和连接结构，且传递腔、万向球和连接结构配合形成有贯通的液体通道；水压加载结构包括高压水提供机构和高压水管；弯矩加载结构包括反力架、旋转球和驱动件，且旋转球中朝向管道端部固定结构的一侧连接有连接杆组件，万向球与旋转球上的连接点之间的连线与连接杆组件的轴线之间形成有夹角。本发明通过管道端部固定结构对一端的可旋转式固定，再进一步基于弯矩加载结构在另一端的设置，实现高频且纯弯矩的循环加载，同时能够实现整体的弯矩记载，避免了常规四点弯曲的加载装置的弊端。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及管道弯矩加载装置技术领域，具体涉及一种用于管道弯矩的循环加载疲劳实验装置。

背景技术

随着对海洋资源的开发，不仅是深海养殖业等传统行业得到了更大的关注，深海采矿和深海油田同样受到了世界各国的研究。海洋立管作为一种可靠的廉价的运输方式，在海洋工程中得到广泛的应用。立管通常连接与海上钻井平台和海底管道之间，海上钻井平台受到波浪、风荷载、内波等海洋环境影响，在海面上会发生往复运动，同时因设计要求和锚链的影响，平台对立管的拉力通常在安全范围内。但随着时间的流逝，管道在长时间的循环载荷作用下，内部微小结构裂痕会发展为大裂痕，进而造成管道局部破坏、断裂，甚至严重的会发生崩坏。所以研究管道的疲劳破坏对管道的设计安全很重要。

海洋立管在接触海底时，管道承受很大的弯矩载荷。在海上平台作业过程中，反复的平台运动带动管道上下浮动，使海底管道受到较大的循环弯矩载荷。现有的弯矩疲劳装置多为四点弯加载装置，弯曲位置的应力集中较大，无法有效的判断主要影响因素。同时，现有加载装置多为利用液压油缸加载，弯矩加载行程有限，且由于油缸过热原因，频率无法提升，试验时间较长。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种用于管道弯矩的循环加载疲劳实验装置，通过管道端部固定结构对一端的可旋转式固定，再进一步基于弯矩加载结构在另一端的设置，实现高频且纯弯矩的循环加载，同时能够实现整体的弯矩记载，避免了常规四点弯曲的加载装置的弊端。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明实施例的一个方面，提供了一种用于管道弯矩的循环加载疲劳实验装置，包括设置于其中一端的管道端部固定结构，设置于另一端的弯矩加载结构，以及与所述管道端部固定结构连通的水压加载结构，且所述管道端部固定结构与所述弯矩加载结构之间形成有用于放置待测管道的放置间隙；其中，

所述管道端部固定结构包括内部形成有腔体且具有开口的传递腔，可旋转且密闭所述开口设置的万向球，以及自所述万向球向外延伸设置的用于连接待测管道的连接结构，且所述传递腔、所述万向球和所述连接结构配合形成有贯通的液体通道；

所述水压加载结构包括高压水提供机构，以及连通所述高压水提供机构与所述传递腔的高压水管；

所述弯矩加载结构包括形成有球槽的反力架，可转动地设置于所述球槽中的旋转球，连接于所述旋转球上且用于带动所述旋转球在所述球槽中转动的驱动件，且所述旋转球中朝向所述管道端部固定结构的一侧连接有连接杆组件，所述万向球与所述旋转球上的连接点之间的连线与所述连接杆组件的轴线之间形成有夹角。

作为本发明的一种优选方案，所述连接结构包括自所述万向球向外延伸的连接管，以及设置于所述连接管中远离所述万向球一端的第一安装法兰；且，

所述第一安装法兰的中心形成为贯通。

作为本发明的一种优选方案，所述管道端部固定结构还包括安装支架，所述传递腔设置于所述安装支架上。

作为本发明的一种优选方案，所述安装支架在高度上可调节地设置。

作为本发明的一种优选方案，所述驱动件包括支撑架，设置于所述支撑架上的伺服电机，连接于所述伺服电机的输出端上的制动齿轮，与所述制动齿轮啮合且可转动地设置的传动齿轮，以及偏心设置于所述传动齿轮上的传力杆，且所述传力杆中远离所述传动齿轮的一端连接于所述旋转球上。

作为本发明的一种优选方案，所述连接杆组件包括连接于所述旋转球上的导力杆，以及连接于所述导力杆中远离所述旋转球一端的第二安装法兰。

作为本发明的一种优选方案，所述传力杆与所述导力杆的轴线相平行或位于同一条直线上。

作为本发明的一种优选方案，所述球槽与所述旋转球的轴心相同，且所述球槽中形成有限位凸，所述旋转球上形成有与所述限位凸相嵌合的限位槽，以使得所述旋转球的转轴与所述球槽的轴线不重合。

作为本发明的一种优选方案，所述水压加载结构还包括加压泵，且所述加压泵用于保持待测管道内的压力恒定。

作为本发明的一种优选方案，所述制动齿轮与所述传动齿轮之间通过变速组件啮合设置。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明实施例通过管道端部固定结构与弯矩加载结构的配合，实现对待测管道的高频率循环弯矩的加载；进一步通过水压加载结构的配合，实现内压和弯矩的同步加载，提高整个循环加载的模拟的真实度；同时，本发明通过旋转球和驱动件的同步配合，避免了传统的四点弯曲的加载方式，克服了传统上述方式造成的应力集中对管道疲劳寿命的影响，实现了纯弯矩加载。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的循环加载疲劳实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的循环加载疲劳实验装置的局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的驱动件的结构示意图。

图中：

1-管道端部固定结构；2-水压加载结构；3-待测管道；4-弯矩加载结构；

11-传递腔；12-万向球；13-连接管；14-第一安装法兰；15-安装支架；

21-高压水管；

41-反力架；42-旋转球；43-驱动件；44-导力杆；45-第二安装法兰；

431-支撑架；432-伺服电机；433-制动齿轮；434-传动齿轮；435-限位孔；436-传力杆。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下通过具体的实施例进行进一步的阐述。

如图1所示，本发明提供了一种用于管道弯矩的循环加载疲劳实验装置，包括设置于其中一端的管道端部固定结构1，设置于另一端的弯矩加载结构4，以及与所述管道端部固定结构1连通的水压加载结构2，且所述管道端部固定结构1与所述弯矩加载结构4之间形成有用于放置待测管道3的放置间隙。其中，待测管道3的两端分别焊接有连接法兰，并通过连接法兰分别将两端与第一安装法兰14和第二安装法兰45可拆卸地连接，水压加载结构2通过其中的高压水管21将高压水提供机构中的高压水输送到待测管道3中，待输入完成后，可以通过启动弯矩加载结构4对待测管道3施加循环弯矩。并且，采用弯矩加载结构4将转动方向上的力转换为环绕力来进行弯矩的加载，大大避免了常规采用液压伸缩方式进行弯矩的加载而产生的弯矩行程有限等问题。

如图2所示，管道端部固定结构1包括内部形成有腔体且具有开口的传递腔11，可旋转且密闭所述开口设置的万向球12，以及自所述万向球12向外延伸设置的用于连接待测管道3的连接结构，且所述传递腔11、所述万向球12和所述连接结构配合形成有贯通的液体通道。在实际工作过程中，水压加载结构2将高压水通过高压水管21输入传递腔11，后流向万向球12，并最终流入待测管道3。用于连接待测管道3的第一安装法兰14中心具有空洞，可以让水通过第一安装法兰14流入待测管道3，从而对待测管道3施加由内向外的压力。导力杆44和驱动件43上的传力杆436与反力架41上的旋转球42完全固定相连，旋转球42上形成有与反力架41的内表面相契合的螺纹，从而限制旋转球42沿反力架41上的球槽的轴线方向上的转动(这里的球槽的两端形成为开口，因此，这里的轴线方向即从开口的一端至另一端形成的轴线)，而不限制旋转球42在其他方向上的转动。通过上述设计，从而有效地限制待测管道3的轴向旋转，因此，在驱动件43的驱动作用下，待测管道3受到的弯矩方向会一直变化，实现循环弯矩的目的。同时，这样的设置方式是基于两端的配合旋转，避免了常规四点弯曲的局部弯矩的调节，避免了应力集中而造成的待测管道3受力不均等问题。

如图3所示，弯矩加载结构4上的驱动件43包括支撑架431(可以具体选择为反力架结构)，设置于所述支撑架431上的伺服电机432，连接于所述伺服电机432的输出端上的制动齿轮433，与所述制动齿轮433啮合且可转动地设置的传动齿轮434，以及偏心设置于所述传动齿轮434上的传力杆436，且所述传力杆436中远离所述传动齿轮434的一端连接于所述旋转球42上。当然，这里可以在传动齿轮434上偏心设置限位孔435，传力杆436穿过限位孔435且不与限位孔连接，以使得其能够在限位孔435中转动。在工作状态下，伺服电机432带动制动齿轮433转动，制动齿轮433带动传动齿轮434转动，同时使得传力杆436绕轴心旋转，并进而带动旋转球42在球槽内的旋转，从而有效地实现导力杆44的绕向旋转，并向待测管道3提供循环弯矩的加载。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。