大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工程技術(shù)領(lǐng)域，更加具體的說，針對大變形管道的三點彎曲/四點彎 曲的力學(xué)性能測試領(lǐng)域，涉及一種測試各種大變形管道及其焊接接頭的彎曲性能試驗裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國海洋油氣資源的開采和利用主要集中在淺海，由于技術(shù)能力限制，深水 海底油氣資源的利用嚴重滯后。其中，海底管線的鋪設(shè)技術(shù)是深水油氣資源開采的關(guān)鍵技 術(shù)之一。從海底管線鋪管技術(shù)的發(fā)展來看，"卷管式"鋪管是近年來國際上發(fā)展出來海底管 線鋪設(shè)技術(shù)，該技術(shù)適合深海，高效且安全，在美國、英國、挪威等國家廣泛使用。然而，我國 對該技術(shù)的研究工作開展的不多，目前只掌握了適合淺海鋪設(shè)的"S"型鋪管技術(shù)，制約了向 深海的發(fā)展。鑒于南海的作業(yè)環(huán)境，Reel-lay是最適合的鋪管方法，可目前國內(nèi)還沒有針 對海洋油氣大變形管道的性能檢測裝備及評估技術(shù)，因此，發(fā)展深海鋪管技術(shù)，首先開發(fā)必 要的檢測裝備。
[0003] 由于在Reel-lay過程中，管道需在張力作用下經(jīng)歷上卷、解卷、拉直等反復(fù)大變 形過程。焊管在大變形彎曲過程中，環(huán)焊縫由于本身殘余應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用會發(fā)生裂 紋萌生、擴展、甚至是嚴重的斷裂，由于焊接接頭承載能力的不均勻性和焊接殘余應(yīng)力分布 的復(fù)雜性，導(dǎo)致環(huán)焊縫彎曲斷裂具有較大的隨機性和突發(fā)性，往往在安全系數(shù)下服役時就 突然發(fā)生失效，造成不可估量的損失。如何準確、可靠的在線實時檢測環(huán)焊縫彎曲開裂過 程、確定開裂的位置并評估開裂的程度具有重要的意義。因此，設(shè)計出的管道彎曲性能試驗 裝置必須可以模擬管道的大變形彎曲，反向彎曲（三點彎曲和四點彎曲）等過程，且能達 到實際服役過程中的變形量，同時采用聲發(fā)射技術(shù)能對彎曲過程中管道是否開裂進行監(jiān)測 和評估。
[0004] 因此，開展"卷管式"鋪管中卷管式鋪管裝備研究具有重要的現(xiàn)實意義和緊迫性， 可為我國開發(fā)深海油氣資源開發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，為管道的抗變形能力提供試驗設(shè)備。所以， 針對深海油氣輸送管道"卷管式"鋪設(shè)技術(shù)的需求，研制大型整管彎管模擬裝置具有重要的 實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機 及其方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] 大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機，包括基座、固定臺、導(dǎo)軌、矯正壓頭、彎曲壓頭、絲 杠和液壓推進器，其中：
[0008] 導(dǎo)軌設(shè)置在基座的中央位置，在基座的兩側(cè)固定設(shè)置固定臺，用于與待測管線通 過固定法蘭進行固定相連；矯正壓頭和彎曲壓頭設(shè)置在導(dǎo)軌中，且能夠沿著導(dǎo)軌進行移動， 矯正壓頭和彎曲壓頭的工作面相對；絲杠的一端與彎曲壓頭固定連接，另一端與矯正壓頭 連接，并可通過矯正壓頭外側(cè)的絲杠螺母調(diào)整彎曲壓頭和矯正壓頭之間的距離，以適應(yīng)不 同管徑的待測管線在兩個壓頭之間進行安裝和測試；在彎曲壓頭的外側(cè)與液壓推進器的推 進桿固定相連。
[0009] 在上述技術(shù)方案中，液壓推進器與液壓控制器相連。
[0010] 在上述技術(shù)方案中，矯正壓頭的工作面為平面。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，彎曲壓頭的工作面為凸面，具有不同曲率半徑，與待測管線產(chǎn) 生一個或者兩個接觸位置，以形成三點或者四點彎曲。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，在彎曲壓頭的兩側(cè)與液壓推進器的推進桿固定相連，以使液 壓推動力能夠平均作用。
[0013] 在上述技術(shù)方案中，由彎曲壓頭和矯正壓頭組成的壓頭組，作用于待測管線的中 央位置。
[0014] 在上述技術(shù)方案中，在基座上設(shè)置標尺，標尺沿著待測管線的徑向和軸向進行設(shè) 置，以測量待測管線的長度、彎曲試驗時的徑向彎曲量、彎曲壓頭和矯正壓頭的行走距離。
[0015] 在進行使用時，根據(jù)待測管線的管徑大小，通過絲杠螺母和絲杠調(diào)整彎曲壓頭和 矯正壓頭之間的距離，以使其能夠容納待測管線，且彎曲壓頭的工作面與待測管線相接觸， 通過固定法蘭將待測管線的兩端與固定臺固定相連。再通過液壓推進器的推進桿推動彎曲 壓頭前進，以實現(xiàn)待測管線的彎曲；彎曲試驗后，通過推動干的拉伸以使彎曲壓頭后退，利 用矯正壓頭對待測管線進行回復(fù)。在測試過程中，通過傳感器采集液壓信號，以得到力學(xué)信 號；通過標尺采集形變信號。
[0016] 為更進一步對管道環(huán)焊縫彎曲開裂的檢測，在上述彎曲試驗機上設(shè)置聲發(fā)射系 統(tǒng)，包括發(fā)射采集裝置，所述聲發(fā)射采集裝置包括聲發(fā)射傳感器、信號放大器和聲發(fā)射數(shù)據(jù) 采集卡，其中：
[0017] 所述聲發(fā)射傳感器采集大變形管道環(huán)焊縫在彎曲過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射彈性波并 轉(zhuǎn)化為電壓信號，之后輸出電壓信號至所述信號放大器進行信號放大，經(jīng)信號放大器輸出 的信號傳輸至所述聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡進行信號數(shù)字轉(zhuǎn)換，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡輸出的數(shù)字信 號傳輸至計算機，再由設(shè)置在計算機中的聲發(fā)射信號處理系統(tǒng)進行聲發(fā)射信號特征參數(shù)提 取和分析、波形和頻譜分析、彎曲開裂的裂紋源定位分析。
[0018] 在上述技術(shù)方案中，采用信號傳輸線纜進行聲發(fā)射傳感器、信號放大器和聲發(fā)射 數(shù)據(jù)采集卡的連接。
[0019] 在上述技術(shù)方案中，在管道環(huán)焊縫的兩側(cè)等距離的位置對稱設(shè)置聲發(fā)射傳感器， 優(yōu)選距離環(huán)焊縫lm處對稱設(shè)置且沿每側(cè)的管道環(huán)向均勻固定3個聲發(fā)射探頭，聲發(fā)射探頭 的環(huán)向間距為120°。
[0020] 在上述技術(shù)方案中，采用聲發(fā)射系統(tǒng)中常用的磁性夾具進行聲發(fā)射探頭和管道的 固定，為了降低信號衰減，所述聲發(fā)射傳感器和被測試件之間涂有耦合劑。
[0021] 在上述技術(shù)方案中，聲發(fā)射傳感器和信號放大器的數(shù)量一致，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)量為一個，即每個聲發(fā)射傳感器都采用獨立的信號放大器進行放大，然后匯總到一個聲 發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡中。
[0022] 進行環(huán)焊縫彎曲試驗時，待測管線的環(huán)焊縫位于彎曲壓頭中央位置，并與彎曲壓 頭工作面相接處。
[0023] 通過上述技術(shù)方案既可以實現(xiàn)對彎曲試驗中力學(xué)信號、形變信號，還可以針對聲 信號進行采集和分析。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請將聲發(fā)射動態(tài)無損檢測技術(shù)首次應(yīng)用于大 變形管道環(huán)焊縫彎曲開裂的在線檢測、開裂程度評估、損傷源定位，實現(xiàn)了在線實時檢測和 評估大變形管道環(huán)焊縫彎曲開裂的目的。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖），其中1為基 座，2為固定臺，3為固定法蘭，4為待測管線，5為導(dǎo)軌，6為矯正壓頭，7為彎曲壓頭。
[0025] 圖2是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖），其中1為基 座，5為導(dǎo)軌，6為矯正壓頭，7為彎曲壓頭，8為絲杜，9為推進桿，10為液壓推進器，11為液 壓控制器。
[0026] 圖3是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖（側(cè)視圖），其中1為基 座，2為固定臺，5為導(dǎo)軌，6為矯正壓頭，7為彎曲壓頭，8為絲杠，9為推進桿，10為液壓推進 器，11為液壓控制器。
[0027] 圖4是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機中采用聲發(fā)射探頭的布設(shè)示意圖 ⑴。
[0028] 圖5是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機中采用聲發(fā)射探頭的布設(shè)示意圖 (2)，其中4為待測管線，12為聲發(fā)射探頭。
[0029] 圖6是大變形焊接管道彎曲開裂聲發(fā)射檢測定位三維模型。
[0030] 圖7是大變形焊接管道彎曲開裂聲發(fā)射檢測定位二維展開圖。
[0031] 圖8是大變形焊接管道彎曲過程中聲發(fā)射幅值示意圖。
[0032] 圖9是大變形焊接管道彎曲過程中聲發(fā)射能量示意圖。
[0033] 圖10是大變形焊接管道彎曲過程中聲發(fā)射有效值RMS示意圖。
[0034] 圖11是大變形焊接管道彎曲過程中聲發(fā)射信號強度示意圖。
[0035] 圖12是大變形焊接管道彎曲開裂聲發(fā)射定位結(jié)果的三維示意圖。
[0036] 圖13是大變形焊接管道彎曲開裂聲發(fā)射定位結(jié)果的二維展開圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0038] 由附圖1-3所示，本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗機，包括基座、固定臺、導(dǎo) 軌、矯正壓頭、彎曲壓頭、絲杠和液壓推進器，其中：
[0039] 導(dǎo)軌設(shè)置在基座的中央位置，在基座的兩側(cè)固定設(shè)置固定臺，用于與待測管線通 過固定法蘭進行固定相連；矯正壓頭和彎曲壓頭設(shè)置在導(dǎo)軌中，且能夠沿著導(dǎo)軌進行移動， 矯正壓頭和彎曲壓頭的工作面相對；絲杠的一端與彎曲壓頭固定連接，另一端與矯正壓頭 連接，并可通過矯正壓頭外側(cè)的絲杠螺母調(diào)整彎曲壓頭和矯正壓頭之間的距離，以適應(yīng)不 同管徑的待測管線在兩個壓頭之間進行安裝和測試；在彎曲壓頭的外側(cè)與液壓推進器的推 進桿固定相連。
[0040] 在上述技術(shù)方案中，液壓推進器與液壓控制器相連。
[0041 ] 在上述技術(shù)方案中，矯正壓頭的工作面為平面。
[0042] 在上述技術(shù)方案中，彎曲壓頭的工作面為凸面，具有不同曲率半徑，與待測管線產(chǎn) 生一個或者兩個接觸位置，以形成三點或者四點彎曲。
[0043] 在上述技術(shù)方案中，在彎曲壓頭的兩側(cè)與液壓推進器的推進桿固定相連，以使液 壓推動力能夠平均作用。
[0044] 在上述技術(shù)方案中，由彎曲壓頭和矯正壓頭組成的壓頭組，作用于待測管線的中 央位置。
[0045] 在上述技術(shù)方案中，在基座上設(shè)置標尺，標尺沿著待測管線的徑向和軸向進行設(shè) 置，以測量待測管線的長度、彎曲試驗時的徑向彎曲量、彎曲壓頭和矯正壓頭的行走距離。
[0046] 在進行使用時，根據(jù)待測管線的管徑大小，通過絲杠螺母和絲杠調(diào)整彎曲壓頭和 矯正壓頭之間的距離，以使其能夠容納待測管線，且彎曲壓頭的工作面與待測管線相接觸， 通過固定法蘭將待測管線的兩端與固定臺固定相連。再通過液壓推進器的推進桿推動彎曲 壓頭前進，以實現(xiàn)待測管線的彎曲（產(chǎn)生1一4%的彎曲形變）；彎曲試驗后，通過推動干的 拉伸以使彎曲壓頭后退，利用矯正壓頭對待測管線進行回復(fù)。在測試過程中，通過傳感器采 集液壓信號，以得到力學(xué)信號；通過標尺采集形變信號。
[0047] 為更進一步對管道環(huán)焊縫彎曲開裂的檢測，在上述彎曲試驗機上設(shè)置聲發(fā)射系 統(tǒng)，包括六通道的發(fā)射采集裝置，所述六通道的聲發(fā)射采集裝置包括聲發(fā)射傳感器、