專利名稱：一種深水立管疲勞實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疲勞實驗裝置，特別是關(guān)于一種可以模擬海床接觸效應(yīng)的深水立 管疲勞實驗裝置。
背景技術(shù)：
一般深水立管的受力比較復(fù)雜，如圖1所示，受力類型一般有海水外壓，管內(nèi)流體 內(nèi)壓，水下立管浮重，以及波浪海流等因素引起的動態(tài)交變拉壓、彎曲作用，對于深水立管 著地段還會有復(fù)雜的管土動態(tài)交變作用。從應(yīng)力狀態(tài)來看，深水立管處于復(fù)雜的三向交變 應(yīng)力狀態(tài)，非常容易發(fā)生疲勞失效，而且與單向(拉壓、彎曲)應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞失效會有 很大的不同。就目前情況來看，國內(nèi)外尚未見到有關(guān)深水立管在內(nèi)外壓、軸向力、彎矩、以及管 土共同作用條件下，模擬深水立管復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的疲勞試驗裝置與方法的文獻。一般情況 是應(yīng)用常規(guī)拉壓、彎曲疲勞實驗機，進行深水立管材料或結(jié)構(gòu)的單向應(yīng)力狀態(tài)的疲勞實驗 研究，與深水立管的受力狀況偏差較大。因此，在一定理論分析的基礎(chǔ)上，模擬深水工況，建 立合理的實驗方法和裝置，結(jié)合實驗研究深水立管的疲勞性能，對于經(jīng)濟、安全、可靠的開 采深水油氣，具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可模擬深水條件下，對深水立管在內(nèi)壓 力、外壓力、軸向力、彎矩以及管土共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞問題進行模擬實驗的深水立 管疲勞實驗裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征 在于它包括一主缸筒、兩軸向加載缸、一立管試件總成、若干橫向伺服加載缸、若干土體作 用伺服加載缸；所述主缸筒頂部一端設(shè)置有一外壓接口，另一端設(shè)置有一放氣閥；所述兩 軸向加載缸分別密封連接在所述主缸筒的兩端，兩所述軸向加載缸上分別設(shè)置有一軸向力 接口 ；所述立管試樣總成兩端分別鉸接在相應(yīng)一側(cè)的所述軸向加載缸的活塞上，所述立管 試樣總成包括一試樣主體，以及與所述試樣主體的一端通過圓柱銷轉(zhuǎn)動連接的連桿；所述 試樣主體下部與所述主缸筒之間設(shè)置有模擬土體；所述試樣主體的兩端分別設(shè)置有一連通 內(nèi)部的內(nèi)壓接口 ；所述試樣主體上設(shè)置有若干位移傳感器和應(yīng)變傳感器，各所述傳感器的 測試引線穿出所述主缸筒連接測試儀器；所述橫向伺服加載缸設(shè)置在所述主缸筒上，其中 兩個所述橫向伺服加載缸的活塞頂在所述試樣主體頂部，另一個所述橫向伺服加載缸的活 塞頂在所述試樣主體與所述連桿的圓柱銷連接處底部；所述土體作用伺服加載缸設(shè)置在所 述主缸筒上，且其上的各活塞頂在所述模擬土體的底部。所述軸向力接口、外壓接口、內(nèi)壓接口均通過液壓通路與液壓控制系統(tǒng)連通，各所 述液壓通路上設(shè)置有壓力傳感器。各所述橫向伺服加載缸和土體作用伺服加載缸均通過液壓通路與液壓伺服控制系統(tǒng)連通，各所述液壓通路上設(shè)置有壓力傳感器。所述主缸筒與兩端所述軸向加載缸的對接處分別設(shè)置有外螺紋，且分別通過一個 開合螺母式卡箍連接成一體。所述立管試樣總成與所述軸向加載缸之間的所述連接裝置包括分別設(shè)置在所述 立管試樣總成兩端的接頭，兩所述接頭分別通過一圓柱銷與相應(yīng)端的所述軸向加載缸上的 活塞轉(zhuǎn)動連接。所述立管試樣總成的下部、所述模擬土體兩端均設(shè)置有定位墊塊。所述兩軸向加載缸內(nèi)均設(shè)置有軸向定位環(huán)。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于在主缸筒內(nèi)設(shè)置 立管試樣總成，并且設(shè)置有軸向力接口、內(nèi)壓接口、外壓接口，以及提供彎矩和管土作用力 的加載缸，因此，可以對立管試樣總成施加內(nèi)壓力、外壓力、軸向力、彎矩和管土作用力，以 模擬立管的三向復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而可以對深水立管等管柱結(jié)構(gòu)的疲勞性能進行實驗 研究。2、本發(fā)明由于采用主缸筒做為立管試樣總成所有載荷的承受體，因此，可取代傳統(tǒng) 試驗機的承載機架，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間。3、本發(fā)明試樣主體兩端分別通過圓柱銷與端部加 載缸活塞和連桿連接，試樣主體可繞圓柱銷旋轉(zhuǎn)，連桿另一端通過圓柱銷與另一端部的加 載缸活塞連接，連桿可繞圓柱銷旋轉(zhuǎn)，因此，連桿既可傳遞軸向力，又便于試樣主體的旋轉(zhuǎn) 運動，避免橫向力作用在端部軸向加載缸活塞密封上。4、本發(fā)明由于將主缸筒兩端與端部 軸向加載缸的連接采用開合螺母式卡箍連接，因此，便于立管試樣總成的快速裝拆，并可根 據(jù)需要連接擴展副缸筒或其他附件，以滿足不同的實驗需要。5、本發(fā)明可以將立管試樣總 成受到的內(nèi)壓力、外壓力和軸向力分別通過單獨的液壓系統(tǒng)施加，因此，可根據(jù)不同需要選 取適當介質(zhì)，一般情況下可選用水基介質(zhì)，以減少污染、降低實驗成本。6、本發(fā)明通過伺服 加載缸對立管試樣總成施加橫向彎曲和土體作用力，伺服加載缸力的施加與控制可采用常 規(guī)、成熟的液壓伺服控制系統(tǒng)，易于實現(xiàn)。7、本發(fā)明橫向加載缸安裝在試樣主體和連桿的圓 柱銷底部，可起到支撐約束試樣主體的作用，又可控制試樣主體的旋轉(zhuǎn)運動。本發(fā)明集多種 實驗狀況于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約空間，可廣泛用于深水立管軸向、環(huán)向(周向)、徑向三向 應(yīng)力或應(yīng)變變化所產(chǎn)生的疲勞問題的實驗過程中。


圖1是海底立管段受力示意2是本發(fā)明立管疲勞實驗裝置示意3是本發(fā)明立管試樣總成基本結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明立管彎曲與土體作用疲勞實驗裝置示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖2、圖3所示，本發(fā)明裝置包括一主缸筒1，主缸筒1的兩端分別設(shè)置有一具有 端頭密封功能的軸向加載缸2，兩軸向加載缸2上分別設(shè)置有一軸向力接口 3，兩軸向加載 缸2的活塞4分別通過連接裝置5轉(zhuǎn)動連接一立管試樣總成6的兩端。立管試樣總成6包 括一試樣主體7，以及與試樣主體7的一端通過圓柱銷8轉(zhuǎn)動連接的連桿9。試樣主體7下部與主缸筒1之間設(shè)置有模擬土體10。主缸筒1頂部間隔設(shè)置一對橫向伺服加載缸11、12， 橫向伺服加載缸11、12的活塞頂在試樣主體7的頂部；主缸筒1底部設(shè)置有一組土體作用 伺服加載缸13，各土體作用伺服加載缸13內(nèi)的活塞頂在模擬土體10的底部；主缸筒1底 部還設(shè)置有一橫向伺服加載缸14，橫向伺服加載缸14的活塞頂在試樣主體7與連桿9的 圓柱銷8的連接處底部。主缸筒1的頂部一端設(shè)置有一外壓接口 15，另一端設(shè)置有一放氣 閥16。立管試樣總成6的試樣主體7的兩端分別設(shè)置有一連通試件主體7內(nèi)部的內(nèi)壓接口 17。試樣主體7上設(shè)置有若干位移傳感器和應(yīng)變傳感器等傳感器，傳感器上連接有測試引 線23，測試引線23的另一端穿出主缸筒1連接測試儀器。實驗時，軸向力接口 3、外壓接口 15、內(nèi)壓接口 17均通過液壓通路與液壓控制系統(tǒng) 連通，各液壓通路上設(shè)置有壓力傳感器等儀表，通過液控制系統(tǒng)中的軟硬件，可以實現(xiàn)對立 管試樣總成6的內(nèi)壓力、外壓力及軸向力的施加與測控。實驗時，各個橫向伺服加載缸11、12、土體作用伺服加載缸13、橫向伺服加載缸14 均通過液壓通路與液壓伺服控制系統(tǒng)連通，各液壓通路上設(shè)置有壓力傳感器等儀表，并通 過液壓伺服控制系統(tǒng)中的軟硬件，實現(xiàn)對立管試樣總成6施加的橫向彎曲力及土體作用交 變載荷的施加與測控。上述的液壓控制系統(tǒng)主要用于立管試樣總成6的內(nèi)、外壓和軸向力的穩(wěn)定控制， 不需要太大的流量和功率，而且，為了節(jié)約實驗成本，并減小立管試樣總成6拆裝時的泄漏 污染，可以采用水介質(zhì)。上述的液壓伺服控制系統(tǒng)主要用于立管試樣總成6的橫向力和位移以及土體作 用力的動態(tài)控制，需要較大的流量和功率，工作介質(zhì)為液壓油。上述實施例中，主缸筒1與兩端部軸向加載缸2的連接，可以采用以下方式即在 主缸筒1與兩端軸向加載缸2的對接處分別設(shè)置有外螺紋，且分別通過一個開合螺母式卡 箍18連接成一體。上述實施例中，立管試樣總成6兩端分別通過連接裝置5與相應(yīng)端的軸向加載缸 2連接，該連接裝置5包括分別設(shè)置在立管試樣總成6兩端的接頭19，兩接頭19分別通過 一圓柱銷20與相應(yīng)端的軸向加載缸2的活塞4轉(zhuǎn)動連接。上述實施例中，立管試樣總成6的下部、模擬土體10的兩端均設(shè)置有定位墊塊21， 其作用在于引導(dǎo)端部軸向加載缸2內(nèi)的活塞4只產(chǎn)生軸向運動，避免密封承受橫向力，同時 限定模擬土體10的軸向位置。上述實施例中，可根據(jù)需要在軸向加載缸內(nèi)設(shè)置軸向定位環(huán)22，其作用是調(diào)整和 限定立管試樣總成6的軸向位置。上述實施例中，試樣主體7兩端可以分別設(shè)置一連接件，兩連接件通過圓柱銷8、 20分別與連桿9和活塞19形成鉸接，在兩橫向伺服加載缸11、12作用下形成4點彎曲模 型，在兩橫向伺服加載缸11、12之間的部分試樣主體7為純彎曲段。如果只選擇兩橫向伺 服加載缸11、12中的一個缸作用在試樣主體7上，則可產(chǎn)生三點彎曲作用。上述實施例中，根據(jù)實際土體的彈塑性、吸附性等物理性能指標配制模擬土體10， 模擬土體10的作用可以采用橫向伺服加載缸14的運動控制實現(xiàn)，也可采用土體作用伺服 加載缸13的運動或載荷控制實現(xiàn)，土體作用伺服加載缸13的工作個數(shù)可根據(jù)實驗需要選 用。
本發(fā)明裝置的實驗操作方法為1)立管試樣總成6安裝前，打開試樣主體7的內(nèi)壓接口 17上的內(nèi)壓放氣塞，向試 樣主體7內(nèi)充入液體，待氣體排盡后，將內(nèi)壓放氣塞關(guān)緊。2)將立管試樣總成6安裝在主缸筒1內(nèi)，打開主缸筒1上的放氣閥16，向主缸筒 1內(nèi)充入液體，待氣體排盡后，將放氣閥16關(guān)緊。3)首先開啟與軸向力接口 3、外壓接口 15、內(nèi)壓接口 17連接的液壓控制系統(tǒng)，并按 比例將壓力施加到預(yù)定數(shù)值，穩(wěn)定控制。4)開啟液壓伺服控制系統(tǒng)，按照載荷譜對圖4所示橫向伺服加載缸11、12進行力 控制，從而對立管試樣總成6施加橫向彎曲疲勞載荷；按照立管運動規(guī)律對橫向伺服加載 缸14進行位移控制，實現(xiàn)立管與土體的動態(tài)作用，其作用規(guī)律可以通過土體作用伺服加載 缸13反饋采集記錄。5)步驟4)中的過程也可如此實現(xiàn)開啟液壓伺服控制系統(tǒng)，按照載荷譜對對圖4 所示橫向伺服加載缸11、12進行力控制，對立管試樣總成6施加橫向彎曲載荷，并將橫向伺 服加載缸14關(guān)閉，鎖定位移，管土作用通過土體作用伺服加載缸組13(可選)直接按照一 定規(guī)律施加。6)立管試樣總成6的應(yīng)變、變形可通過應(yīng)變傳感器、位移傳感器及相應(yīng)儀器測試 采集，并分析判斷立管試樣總成6的疲勞損傷。7)立管試樣總成6疲勞裂紋的產(chǎn)生可以通過立管試樣總成6內(nèi)、外壓差的變化測 試判斷，當立管試樣總成6出現(xiàn)裂紋后，內(nèi)外串通，壓差無法控制，即可判斷裂紋產(chǎn)生。8)實驗完畢，卸掉壓力、載荷，并將主缸筒1內(nèi)的液體排盡后，再拆卸立管試樣總 成6。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說 明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均 不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于它包括一主缸筒、兩軸向加載缸、一立管 試件總成、若干橫向伺服加載缸、若干土體作用伺服加載缸；所述主缸筒頂部一端設(shè)置有一外壓接口，另一端設(shè)置有一放氣閥；所述兩軸向加載缸分別密封連接在所述主缸筒的兩端，兩所述軸向加載缸上分別設(shè)置 有一軸向力接口；所述立管試樣總成兩端分別鉸接在相應(yīng)一側(cè)的所述軸向加載缸的活塞上，所述立管試 樣總成包括一試樣主體，以及與所述試樣主體的一端通過圓柱銷轉(zhuǎn)動連接的連桿；所述試 樣主體下部與所述主缸筒之間設(shè)置有模擬土體；所述試樣主體的兩端分別設(shè)置有一連通內(nèi) 部的內(nèi)壓接口 ；所述試樣主體上設(shè)置有若干位移傳感器和應(yīng)變傳感器，各所述傳感器的測 試引線穿出所述主缸筒連接測試儀器；所述橫向伺服加載缸設(shè)置在所述主缸筒上，其中兩個所述橫向伺服加載缸的活塞頂在 所述試樣主體頂部，另一個所述橫向伺服加載缸的活塞頂在所述試樣主體與所述連桿的圓 柱銷連接處底部；所述土體作用伺服加載缸設(shè)置在所述主缸筒上，且其上的各活塞頂在所述模擬土體的 底部。
2.如權(quán)利要求1所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于所述軸向力接口、外 壓接口、內(nèi)壓接口均通過液壓通路與液壓控制系統(tǒng)連通，各所述液壓通路上設(shè)置有壓力傳 感器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于各所述橫向伺服加 載缸和土體作用伺服加載缸均通過液壓通路與液壓伺服控制系統(tǒng)連通，各所述液壓通路上 設(shè)置有壓力傳感器。
4.如權(quán)利要求2所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于各所述橫向伺服加 載缸和土體作用伺服加載缸均通過液壓通路與液壓伺服控制系統(tǒng)連通，各所述液壓通路上 設(shè)置有壓力傳感器。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于所述 主缸筒與兩端所述軸向加載缸的對接處分別設(shè)置有外螺紋，且分別通過一個開合螺母式卡 箍連接成一體。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于所述立 管試樣總成與所述軸向加載缸之間的所述連接裝置包括分別設(shè)置在所述立管試樣總成兩 端的接頭，兩所述接頭分別通過一圓柱銷與相應(yīng)端的所述軸向加載缸上的活塞轉(zhuǎn)動連接。
7.如權(quán)利要求5所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于所述立管試樣總成 與所述軸向加載缸之間的所述連接裝置包括分別設(shè)置在所述立管試樣總成兩端的接頭，兩 所述接頭分別通過一圓柱銷與相應(yīng)端的所述軸向加載缸上的活塞轉(zhuǎn)動連接。
8.如權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于 所述立管試樣總成的下部、所述模擬土體兩端均設(shè)置有定位墊塊。
9.如權(quán)利要求5或6所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于所述立管試樣 總成的下部、所述模擬土體兩端均設(shè)置有定位墊塊。
10.如權(quán)利要求1 9所述的一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于所述兩軸向加 載缸內(nèi)均設(shè)置有軸向定位環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種深水立管疲勞實驗裝置，其特征在于它包括主缸筒、軸向加載缸、立管試件總成、橫向伺服加載缸、土體作用伺服加載缸；主缸筒頂部設(shè)置外壓接口和放氣閥；主缸筒兩端分別連接一具有軸向力接口的軸向加載缸；立管試樣總成兩端分別鉸接在相應(yīng)一側(cè)的軸向加載缸活塞上，立管試樣總成包括一試樣主體和一連桿；試樣主體下方設(shè)置有模擬土體；試樣主體兩端分別設(shè)置一內(nèi)壓接口；試樣主體上設(shè)置有若干傳感器，各傳感器的測試引線穿出主缸筒連接測試儀器；各橫向伺服加載缸和土體作用伺服加載缸均設(shè)置在主缸筒上，其中兩個橫向伺服加載缸的活塞頂在試樣主體頂部，另一個橫向伺服加載缸的活塞頂在試樣主體與連桿連接處底部；各土體作用伺服加載缸的活塞頂在模擬土體底部。
文檔編號G01N3/12GK102087183SQ20101057779
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者張恩勇, 房軍, 曹靜, 段夢蘭, 沙勇, 趙天奉, 陳嚴飛 申請人:中國海洋石油總公司, 中國石油大學(xué)(北京), 中海石油研究中心