本發(fā)明涉及海洋工程柔順性管纜實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種海洋工程柔順性管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)海洋油氣資源儲(chǔ)量豐富，且大多數(shù)分布于南海等深水海域。而海纜、臍帶纜以及柔性管道等是深海油氣開(kāi)采中不開(kāi)或缺的裝備。這類裝備可統(tǒng)稱為海洋柔順性管纜，其結(jié)構(gòu)通常由相應(yīng)的功能構(gòu)件及加強(qiáng)構(gòu)件如鎧裝鋼絲等組成。針對(duì)不同的工程需求，應(yīng)選用相應(yīng)功能的管纜；海纜主要負(fù)責(zé)為海底采油設(shè)備提供電能，臍帶纜主要提供水上浮體與海底裝備之間電力、信號(hào)傳輸?shù)认嚓P(guān)功能，柔性管道主要負(fù)責(zé)裝備之間的油氣輸送。海洋柔性管纜在安裝或者在位工況時(shí)，通常會(huì)受到拉伸彎曲組合荷載。由于柔順性管纜自身為復(fù)雜的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，彎曲荷載下構(gòu)件間的相互摩擦行為將明顯受到拉力大小的影響，其管纜表征的力學(xué)行為將非常復(fù)雜。同時(shí)，由于風(fēng)浪流的作用，以及平臺(tái)在復(fù)雜海洋環(huán)境下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連接于浮體的管纜將呈現(xiàn)反復(fù)彎曲的行為，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致疲勞破壞。疲勞直接關(guān)乎到管纜的使用壽命，在海洋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)算時(shí)通常采用是基于材料S-N曲線的Miner疲勞損傷累積方法。而且，管纜的使用壽命是各大生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)最關(guān)心的性能參數(shù)之一，因此，管纜疲勞問(wèn)題的研究是管纜設(shè)計(jì)流程中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

針對(duì)上述問(wèn)題，理論和數(shù)值方法往往難以準(zhǔn)確描述該組合荷載下管纜實(shí)際行為。因此，為了詳細(xì)研究管纜拉伸彎曲組合行為，以及疲勞失效機(jī)理和失效后結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，需要通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)海洋柔性管纜危險(xiǎn)段進(jìn)行拉彎組合模擬實(shí)驗(yàn)。從而通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取設(shè)計(jì)規(guī)律，降低管纜使用過(guò)程中破壞的概率以及及時(shí)監(jiān)控管纜保證整個(gè)管纜使用壽命。柔性管纜的拉彎組合測(cè)試是對(duì)其實(shí)際應(yīng)用情況的最重要考驗(yàn)，由于國(guó)內(nèi)柔性管纜的研究尚處于起步狀態(tài)，無(wú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，亟需一套完備的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行管纜測(cè)試和驗(yàn)證。進(jìn)而研究管纜力學(xué)行為特征和疲勞失效機(jī)理，從而掌握動(dòng)態(tài)立管/纜的拉彎或疲勞試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)驗(yàn)證管纜的相關(guān)性能參數(shù)(剛度，強(qiáng)度和疲勞)設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種海洋工程柔順性管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)實(shí)際工況，采用荷載等效的方法，對(duì)海洋柔性管纜在一定彎曲半徑范圍內(nèi)進(jìn)行拉伸和反復(fù)彎曲。因此反復(fù)彎曲試驗(yàn)設(shè)備需要包含拉伸設(shè)備和施加彎矩使其發(fā)生往復(fù)周期彎曲變形的設(shè)備。除此之外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要配置測(cè)量設(shè)備，如應(yīng)變片或傳感器等以便提取管纜反復(fù)彎曲過(guò)程相關(guān)參數(shù)指標(biāo)(中間或直接物理量)。管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)流程通常按如下步驟：取樣、固定、布片、加載、測(cè)量和后處理模式展開(kāi)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前要制定相應(yīng)測(cè)試方案并對(duì)管纜樣品進(jìn)行選取，然后將待測(cè)試的管纜固定于試驗(yàn)架上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在測(cè)試位置進(jìn)行應(yīng)變片布置，并將其連接于數(shù)據(jù)采集設(shè)備。確保上述操作無(wú)誤后啟動(dòng)加載設(shè)備，同時(shí)實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。最后，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并形成完善的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種海洋工程柔順性管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)裝置，包括固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭、四點(diǎn)彎曲桁架裝置和軸向拉伸裝置，

所述四點(diǎn)彎曲桁架裝置包括作動(dòng)器Ⅰ、連接架、四邊形框架Ⅰ和四邊形框架Ⅱ，所述連接架呈四棱錐狀且所述連接架的底面呈矩形，所述連接架的頂點(diǎn)在所述連接架的底面上的正投影與所述連接架的底面的中心重合，所述連接架的底面的四個(gè)頂點(diǎn)分別設(shè)有與所述連接架的軸線所在直線平行的螺紋桿，所述四邊形框架Ⅰ的頂點(diǎn)分別通過(guò)所述螺紋桿與所述連接架固定連接，所述四邊形框架Ⅱ的頂點(diǎn)分別通過(guò)所述螺紋桿與所述連接架可滑動(dòng)連接，所述四邊形框架Ⅱ的遠(yuǎn)離所述四邊形框架Ⅰ的一側(cè)設(shè)有與所述螺紋桿相匹配的螺母，所述連接架的頂點(diǎn)設(shè)有所述作動(dòng)器Ⅰ的輸出端，且所述作動(dòng)器Ⅰ的輸出方向與所述連接架的軸線位于同一直線上，

所述軸向拉伸裝置包括與所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭相對(duì)設(shè)置的可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭，固定軌道板和作動(dòng)器Ⅱ，所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭與所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的連線垂直于所述連接架的軸線所在直線，

所述四邊形框架Ⅰ和所述四邊形框架Ⅱ沿所述連線方向排列的支桿上均設(shè)有凹面輥，

所述四邊形框架Ⅰ和所述四邊形框架Ⅱ均與所述連接架的底面平行，

所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭和所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的接頭旋轉(zhuǎn)平面位于同一平面內(nèi)，且所述連接架的軸線所在直線位于所述平面內(nèi)，

所述固定軌道板設(shè)有兩個(gè)使所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭沿所述連線方向滑動(dòng)的導(dǎo)向孔，所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭通過(guò)連接柱與所述導(dǎo)向孔連接，所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭遠(yuǎn)離所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的一側(cè)與所述作動(dòng)器Ⅱ的輸出端連接。

所述凹面輥的凹面呈圓弧形，且曲率半徑為500mm。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種海洋工程柔順性管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)方法，具有如下步驟：

S1、設(shè)計(jì)如上述所述的實(shí)驗(yàn)裝置；

S2、將管纜的一端通過(guò)管纜接頭與所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭連接，管纜的另一端從所述四邊形框架Ⅰ和所述四邊形框架Ⅱ穿過(guò)，并通過(guò)管纜接頭與所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭連接；

S3、調(diào)整所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的位置，使得管纜的軸線與所述連線重合，調(diào)整四點(diǎn)彎曲桁架裝置位于管纜的中間段，根據(jù)管纜的直徑調(diào)整所述螺母位置，保證所述作動(dòng)器Ⅰ能夠穩(wěn)定加載；

S4、在管纜的純彎曲段的圓周方向均勻開(kāi)設(shè)八個(gè)容納應(yīng)變片的開(kāi)口Ⅰ，在所述純彎曲段的中間位置向兩側(cè)沿管纜母線方向開(kāi)設(shè)多個(gè)容納應(yīng)變片的開(kāi)口Ⅱ，且越靠近中間位置所述開(kāi)口Ⅱ越密集，通過(guò)膠水將應(yīng)變片粘結(jié)于管纜內(nèi)部的鎧裝鋼絲上，同時(shí)用膠帶將連接于應(yīng)變片的排線一端固定于管纜上，所述排線另一端與采集系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；

S5、在管纜的純彎曲段上方中點(diǎn)以及靠近兩端處(三點(diǎn)之間的距離相等)布置位移計(jì)，并通過(guò)水準(zhǔn)儀的校核使位移計(jì)的頂針垂直于管纜的軸線方向。從而能夠準(zhǔn)確測(cè)量彎曲變形后隨一時(shí)刻管/纜的垂向位移，方便后期換算求得曲率變化值；

S6、布置完上述測(cè)量裝置后，首先通過(guò)所述作動(dòng)器Ⅱ驅(qū)動(dòng)對(duì)管纜沿軸向方向加載到預(yù)定拉伸張力并維持該力大小不發(fā)生變化，隨后驅(qū)動(dòng)所述作動(dòng)器Ⅰ沿垂直管纜軸線方向進(jìn)行彎曲變形小幅度加載，分析采集的應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，完成對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行初步的調(diào)試，待達(dá)到測(cè)試要求后，分組開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；

S7、設(shè)定所述作動(dòng)器Ⅰ往復(fù)運(yùn)行速度，隨著荷載的不斷增大，管纜可明顯同時(shí)承受拉伸和彎曲作用，記錄各位移計(jì)和應(yīng)變片的數(shù)據(jù)變化情況，方便后期研究管纜拉彎組合荷載下的力學(xué)行為。

S8、如果該裝置用于測(cè)試管纜在拉伸狀態(tài)下的反復(fù)彎曲疲勞行為，那么實(shí)驗(yàn)往復(fù)循環(huán)直到規(guī)定的反復(fù)彎曲次數(shù)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置充分結(jié)合了四點(diǎn)彎曲和軸向拉伸實(shí)驗(yàn)裝備的各自優(yōu)點(diǎn)，使管纜在中間段僅受純彎曲荷載和拉伸荷載，實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下的拉彎組合荷載；

2)對(duì)于不同長(zhǎng)度、直徑的管纜，可通過(guò)螺母來(lái)調(diào)節(jié)四邊形框架Ⅰ和四邊形框架Ⅱ之間的距離，具有優(yōu)越的靈活性；

3)本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)潔，僅依靠作動(dòng)器為動(dòng)力來(lái)源，實(shí)現(xiàn)拉伸和反復(fù)彎曲共同作用。而且，兩者相互獨(dú)立能夠有效的控制各自荷載的施加。同時(shí)，可以根據(jù)工程和設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)加載順序的任意變換；

4)四點(diǎn)彎曲采用桁架結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單輕便，節(jié)省材料，在保證整體剛度和強(qiáng)度的前提下有效地減少整體結(jié)構(gòu)重量；

5)管纜彎曲過(guò)程中，凹面輥可轉(zhuǎn)動(dòng)，因而與管纜之間的滾動(dòng)摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)；

6)管纜上下均有凹面輥，可實(shí)現(xiàn)管纜的上下反復(fù)彎曲，相比之前的裝置只能單方向彎曲，更能模擬出實(shí)際工況，測(cè)試出管纜的拉彎力學(xué)行為特征和疲勞性能；

7)在整個(gè)彎曲的過(guò)程中，四點(diǎn)彎曲桁架裝置能夠保證不發(fā)生變形，因此，施加于管纜試樣上的彎矩能夠始終保證不變，方便后期數(shù)據(jù)處理；

8)凹面輥的凹面呈圓弧形，且曲率半徑為500mm，能夠覆蓋目前絕大多數(shù)管纜的橫截面半徑。因此，凹面輥的凹面對(duì)管纜截面有著很好的適應(yīng)能力。

9)本實(shí)驗(yàn)裝置兼具多功能性和可拆卸性，能分別進(jìn)行四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和軸向拉伸實(shí)驗(yàn)而互不影響，使得“一機(jī)三用”?；谏鲜隼碛杀景l(fā)明可在海洋工程柔順性管纜實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中一種海洋工程柔順性管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施方式中四點(diǎn)彎曲桁架裝置的主視圖。

圖3是圖2的側(cè)視圖。

圖4是圖2的俯視圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1-圖4所示，一種海洋工程柔順性管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)裝置，包括固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭1、四點(diǎn)彎曲桁架裝置2和軸向拉伸裝置3，

所述四點(diǎn)彎曲桁架裝置2包括作動(dòng)器Ⅰ4、連接架5、四邊形框架Ⅰ6和四邊形框架Ⅱ7，所述連接架5呈四棱錐狀且所述連接架5的底面呈矩形，所述連接架5的頂點(diǎn)在所述連接架5的底面上的正投影與所述連接架5的底面的中心重合，所述連接架5的底面的四個(gè)頂點(diǎn)分別設(shè)有與所述連接架5的軸線所在直線平行的螺紋桿8，所述四邊形框架Ⅰ6的頂點(diǎn)分別通過(guò)所述螺紋桿8與所述連接架5固定連接，所述四邊形框架Ⅱ7的頂點(diǎn)分別通過(guò)所述螺紋桿8與所述連接架5可滑動(dòng)連接，所述四邊形框架Ⅱ7的遠(yuǎn)離所述四邊形框架Ⅰ6的一側(cè)設(shè)有與所述螺紋桿8相匹配的螺母9，所述連接架5的頂點(diǎn)設(shè)有所述作動(dòng)器Ⅰ4的輸出端，且所述作動(dòng)器Ⅰ4的輸出方向與所述連接架5的軸線位于同一直線上，

所述軸向拉伸裝置3包括與所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭1相對(duì)設(shè)置的可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10，固定軌道板11和作動(dòng)器Ⅱ12，所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭1與所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10的連線垂直于所述連接架5的軸線所在直線，

所述四邊形框架Ⅰ6和所述四邊形框架Ⅱ7沿所述連線方向排列的支桿上均設(shè)有凹面輥13，

所述四邊形框架Ⅰ6和所述四邊形框架Ⅱ7均與所述連接架5的底面平行，

所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭1和所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10的接頭旋轉(zhuǎn)平面位于同一平面內(nèi)，且所述連接架5的軸線所在直線位于所述平面內(nèi)，

所述固定軌道板11設(shè)有兩個(gè)使所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10沿所述連線方向滑動(dòng)的導(dǎo)向孔14，所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10通過(guò)連接柱15與所述導(dǎo)向孔14連接，所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10遠(yuǎn)離所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭1的一側(cè)與所述作動(dòng)器Ⅱ12的輸出端連接。

所述凹面輥13的凹面呈圓弧形，且曲率半徑為500mm。

實(shí)施例2

一種海洋工程柔順性管纜拉彎組合實(shí)驗(yàn)方法，具有如下步驟：

S1、設(shè)計(jì)如實(shí)施例1所述的實(shí)驗(yàn)裝置；

S2、將管纜16的一端通過(guò)管纜接頭與所述固定轉(zhuǎn)動(dòng)接頭1連接，管纜16的另一端從所述四邊形框架Ⅰ6和所述四邊形框架Ⅱ7穿過(guò)，并通過(guò)管纜接頭與所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10連接；

S3、調(diào)整所述可移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭10的位置，使得管纜16的軸線與所述連線重合，調(diào)整四點(diǎn)彎曲桁架裝置2位于管纜16的中間段，根據(jù)管纜16的直徑調(diào)整所述螺母9位置，保證所述作動(dòng)器Ⅰ4能夠穩(wěn)定加載；

S4、在管纜16的純彎曲段的圓周方向均勻開(kāi)設(shè)八個(gè)容納應(yīng)變片的開(kāi)口Ⅰ，在所述純彎曲段的中間位置向兩側(cè)沿管纜母線方向開(kāi)設(shè)多個(gè)容納應(yīng)變片的開(kāi)口Ⅱ，且越靠近中間位置所述開(kāi)口Ⅱ越密集，通過(guò)膠水將應(yīng)變片粘結(jié)于管纜16內(nèi)部的鎧裝鋼絲上，同時(shí)用膠帶將連接于應(yīng)變片的排線一端固定于管纜16上，所述排線另一端與采集系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；

S5、在管纜16的純彎曲段上方中點(diǎn)以及靠近兩端處(三點(diǎn)之間的距離相等)布置位移計(jì)，并通過(guò)水準(zhǔn)儀的校核使位移計(jì)的頂針垂直于管纜16的軸線方向。從而能夠準(zhǔn)確測(cè)量彎曲變形后隨一時(shí)刻管纜體16的垂向位移，方便后期換算求得曲率變化值；

S6、布置完上述測(cè)量裝置后，首先通過(guò)所述作動(dòng)器Ⅱ12驅(qū)動(dòng)對(duì)管纜16沿軸向方向加載到預(yù)定拉伸張力并維持該力大小不發(fā)生變化，隨后驅(qū)動(dòng)所述作動(dòng)器Ⅰ4沿垂直管纜16軸線方向進(jìn)行彎曲變形小幅度加載，分析采集的應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，完成對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行初步的調(diào)試，待達(dá)到測(cè)試要求后，分組開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；

S7、設(shè)定所述作動(dòng)器Ⅰ往復(fù)運(yùn)行速度，隨著荷載的不斷增大，管纜16可明顯同時(shí)承受拉伸和彎曲作用，記錄各位移計(jì)和應(yīng)變片的數(shù)據(jù)變化情況，方便后期研究管纜拉彎組合荷載下的力學(xué)行為。

S8、如果該裝置用于測(cè)試管纜16在拉伸狀態(tài)下的反復(fù)彎曲疲勞行為，那么實(shí)驗(yàn)往復(fù)循環(huán)直到規(guī)定的反復(fù)彎曲次數(shù)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。