专利名称：一种深水海底管道屈曲试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于深海石油开发开采及运输技术领域，涉及一种海底管道屈曲试验装置。
背景技术：
海洋环境尤其是深海环境条件复杂多样，海底管道不仅承受自重、外部静水压力、 内部压力、介质温度、预应力、管线附件作用力、覆盖物及海床作用力、清管操作引起的作用力等功能性载荷，以及风、浪、流、冰(对于立管或登陆管线段)和地震等环境载荷，还要面临极端海况、船舶碰撞、落物、沙土液化、操作故障等偶然载荷的挑战。铺设于深水区域的管线极有可能在外载荷的作用下出现失效，如管线悬跨段的屈服失效、由于深水区域的高静水压力以及轴向力导致的管道屈曲、压溃、管道的疲劳失效等。海底管线一旦因各种原因而导致破损泄漏、断裂等事故的发生，不仅会对国家经济造成巨大损失，而且也对海洋环境造成严重污染。因此，需要对深水海底管道的结构特性等关键技术进行研究。目前，深水管道的结构屈曲理论的研究尚处于探索阶段，需要对深水海底管道屈曲机理和条件进行试验研究，以验证和改进屈曲理论。而目前国内外开发了多种用于研究管道屈曲的试验装置，并完善了管道屈曲试验技术。如挪威的钟形压力舱，立式放置，用于测量板的上下两面在静水压力差作用下的屈曲性能，但该压力舱室最高承压只有4Mpa ；而国内的915压力筒工作段尺度直径1. 5m,工作段长度2. 9m,该压力筒同样是立式的，而适用于较长管件并考虑多种载荷组合的管道屈曲试验装置在国内还没有出现。
发明内容
本发明目的是提供一种可以模拟深海高压环境，进行多种载荷作用下管道屈曲试验的装置。本发明的技术方案如下一种深水海底管道屈曲试验装置，用于对管道试件进行屈曲试验，该装置包括由主舱体、前端舱盖、舱体尾端舱盖构成的压力舱，前端舱盖和尾端舱盖分别连接在主舱体的两端，在前端舱盖和尾端舱盖的内侧均设置有密封圈，在前端舱盖上固定有油压系统，油压系统的活塞杆穿过前端舱盖伸至主舱体内，活塞杆的端部设置有活塞杆法兰，在主舱体的底部上表面设置有导轨，在导轨上放置有用于运输管道试件的滑车，管道试件的两端连接有管道端部法兰，所述的活塞杆法兰与管道端部法兰相匹配，管道试件的另一端上的管道端部法兰与固定在舱体尾端舱盖上的顶底法兰相匹配；在压力舱上设置有加压孔、泄压口、 注水口、排气口，安全阀、压力传感器开口和测试线路导出口。作为优选实施方式，所述的主舱体由多层钢板捆扎制成；所述的主舱体选用 Q345R材料，前端舱盖和尾端舱盖选用20MnMo材料。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用先进的捆扎工艺将高强度钢板层层捆扎，每捆扎一层都要用X射线探伤，每层钢板厚度1厘米，总计捆扎M层钢板，总厚度M厘米，保证了舱体具有极强的抗压能力和极高的安全性能。本发明装置可以模拟4300米水深(43Mpa)的深海压力环境，为深水海底管道屈曲试验研究提供了稳定的压力环境。2、本发明在其前端舱盖上安装有轴向的油压机，该油压机可通过其活塞杆上的法兰与内部管件法兰连接，并用油压推动活塞杆对舱体内部的管道试件施加轴向作用力，可以对管件同时加载水压和轴向力，研究载荷组合工况下管道的屈曲。3、本发明总长 11. 5米，直径1.6米，内部直径1.2米，在其内部可以容纳1 1真实比例试件进行试验。 4、本发明装置舱体内部装有小滑车、高强度钢制导轨，便于管道试件的输送与安装。5、本发明装置上部设有比例式减压安全阀，当舱内水压超过设定的安全压力时，比例式减压安全阀自动喷水，达到迅速卸压、保障安全的目的。
图1是本发明主体结构示意图。图2是图1的A向剖视图，即前端舱盖结构图。图3是图1的A-A向剖面图。图4是本发明的尾端舱盖图。图5(a)和(b)分别为导轨侧视图和俯视图。本发明装置的主要结构件用图中数字表示，装置配件用字母表示，含义如下1——舱体前端油压机2、3、4——用于油压机安装连接的螺柱、螺母及垫圈5、60-型垫圈7——用于安装紧固前端舱盖的双头大螺柱，共16个，每根螺柱直径120mm，长度 Im8——前端舱盖大螺柱配备的六角螺母9-球面垫圈10——前端舱盖11——活塞杆法兰12——管道试件端部法兰13——连接管道试件法兰的螺柱14——管件法兰连接螺母15——主舱体16——舱内滑车17——顶底法兰18——尾端大螺柱19——尾端大螺母20——管道试件21——用于连接固定尾端舱盖的双头螺柱22——尾端舱盖螺柱配套螺母23——尾端螺母配套垫圈24——舱体尾端舱盖25——舱内导轨
26——导轨轨道27——导轨枕板28——前端舱盖吊耳a——安全阀门b-排气口c-注水口d——加压孔e——泄压口f——压力传感器开口gl、g2、g3、g4、g5——测试线路导出口h——排水阀i 1、i 2——舱体尾端压力表j——尾端排气阀
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的描述。如图1、图2、图3、图4所示，本发明内部可模拟深海高压环境进行深海试件试验， 并可用配备的油压机对内部试件施加轴向作用力，其承压能力431^ 总长11.5米，直径 1. 6米，卧式安装，以水为内部压力介质。本发明包括主舱体15、前端舱盖10、舱体尾端舱盖 M、舱体前端油压系统1几个主要部分，用于模拟深海压力环境；还包括，可利用舱体前端油压系统1对放入舱体中的管道试件20施加轴向的拉压力；为了保证舱体的密闭性，采用 7，8，9，18，19等螺栓螺母零件进行连接和密封；由于管道屈曲试验的需要，配备了法兰11， 17与管道试件端部法兰12来连接和固定，舱内滑车16、舱内导轨25用于运送和支撑管道试件；管件上各个测点采集试验数据的信号线通过gl、g2、g3、g4、g5测试线路导出口导出、 舱内水压测试线路由f压力传感器开口导导出；由c注水口向舱体内部注水、j尾端排气阀和b排气口排出舱内空气；d加压孔向舱内加压进行试验；试验结束后由e泄压口卸压、 h排水阀排水；本发明装置还包括a安全阀，当舱体内水压异常，超过设定的安全极限时，该阀自动喷水，使本发明装置内部迅速降压。本发明装置制作及组装方法本发明装置的主舱体15部分采用多层捆扎工艺制造，即在大型卷板机上将1厘米厚的钢板卷成圆柱壳状，再将钢板一层层焊接起来，每焊接一层都要用X射线探伤，确认没有伤痕、沙眼等再进行下一层焊接。共捆扎M层，主舱体总厚度达到M厘米，主舱体前端敞口，要由单独制作的前端舱盖封闭；尾端开一 160mm直径的孔，以便试验时管件尾端固定、 安装，尾端开孔由尾端螺柱18、尾端螺母19和舱体尾端舱盖对密封。主舱体选用Q345R材料。前端舱盖10采用锻造工艺制作，保证其强度如图2所示，前端舱盖上开了 16个大螺栓开孔。前端舱盖要经常开启与闭合，选用20MnMo材料。舱体尾端舱盖M同样采用锻造工艺，上开16个小螺栓孔。由于舱体内部充满水再加压，因此要保证前后端盖在高压下的水密性，因此在前后端盖上各紧固了一层铝制密封圈。在舱体内底部沿舱体轴向焊接舱内导轨25，如图5所示，该导轨包括两根长8m的平行轨道、在轨道轴向每间隔700mm焊接一个矩形枕板。轨道由直径68mm，厚度IOmm的钢管制成，枕板厚度16mm。导轨有足够的长度运送管道试件，同时导轨本身也有足够的强度来抵抗高水压和支撑管件。当本发明装置各个零部件制作并焊接好后，进行油压机、前后端盖、各个阀门和配套设备与主舱体的组装，具体方法如下使用油压机连接螺柱2、螺母3、垫圈4将油压机1与前端舱盖10紧固连接；主舱体前端延圆周均勻开有16个内螺纹开孔，是与前端大螺柱7的尺寸、间距对应的，再将16根前端舱盖双头大螺柱的一头拧进主舱体前端；将a安全阀用连接法兰装在主舱体上部，将配套的排气阀与本发明装置上的b排气口连接，注水泵与c注水口连接，加压泵与本发明装置的d加压孔连接，泄压阀与e连接，在舱体尾端安装好j尾端排气阀；在舱体尾端安装好 il，i压力表2 ；并将压力传感器测试线、应变数据传输线分别穿过f压力传感器开口、gl-5 测试线路导出口 ；将舱体尾端大螺柱18、尾端大螺母19置于舱体外部，最后将前后端盖闭合，紧固前后端盖螺母，完成本发明装置的组装。本发明装置使用方法如下本发明装置主要用于模拟深海高压环境，并可对内部试件施加轴向力载荷进行深水海底管道屈曲试验。可分成如下几步1、将已经处理好的管道试件20用天车等辅助工具吊起，管件两端此时已经焊接好端部法兰12，管件尾端法兰与尾端大螺柱上的顶底法兰17连接并使用配套螺柱、螺母紧固。将舱内滑车16滑到舱体前端口，再借助天车等工具将管件尾端和大螺柱连接处搭在舱内滑车上。2、管道试件端部法兰12与油压机活塞杆上的法兰11连接并使用配套螺柱、螺母紧固，为保证两个法兰面对齐，将法兰上的螺母用对角法依次紧固。3、管件上的数据采集线由gl-5测试线路导出口导出。4、借助天车或者拖车等辅助工具将连接好的前端舱盖10、管道试件20、尾端大螺柱18整体送往舱内，此时，托着管件的舱内滑车沿着舱内导轨25缓缓滑向舱体尾部。5、要确保尾端大螺柱18穿出舱体尾端开口，已预先安装在舱体前端的16个大螺栓也能穿过前舱盖的螺栓孔，当尾端大螺柱穿出后，将尾端大螺母19装在尾端大螺柱上并拧紧，再扣上舱体尾端舱盖对，用配套的螺柱21、22、23，螺母及垫圈将舱体尾端密封。6、球面垫圈9、大螺母8 一次套在前端舱盖大螺柱上，并借助液压拉伸器或液压扳手等工具将大螺母拧紧，完成前端舱盖的紧固。7、检查各个阀门是否关闭，然后打开j尾端排气阀、b排气口，随后通过c注水口向舱体内注水，观察到j尾端排气阀有水流出时，尾端舱盖内部气体排出，关闭该排气阀。当观察到b上部排气口有水流出时，整个舱体空气已经排尽，关闭该排气口，再关闭注水口。 舱内注水完成。8、打开d加压口，向舱体内部加压，由于舱内是密封的，通过加压泵向舱内打水就使舱内水压持续上升，通过外部系统采集试验数据，直到试验结束。9、试验结束后，打开e泄压口将舱内水压降为0，再打开舱体下部的h排水阀排水，依次打开舱体尾端舱盖和前端舱盖，拆卸管道试件，完成一次试验。
权利要求
1.一种深水海底管道屈曲试验装置，用于对管道试件进行屈曲试验，该装置包括由主舱体、前端舱盖、舱体尾端舱盖构成的压力舱，前端舱盖和尾端舱盖分别连接在主舱体的两端，在前端舱盖和尾端舱盖的内侧均设置有密封圈，在前端舱盖上固定有油压机，油压机的活塞杆穿过前端舱盖伸至主舱体内，活塞杆的端部设置有活塞杆法兰，在主舱体的底部上表面设置有导轨，在导轨上放置有用于运输管道试件的滑车，管道试件的两端连接有管道端部法兰，所述的活塞杆法兰与管道端部法兰相匹配，管道试件的另一端上的管道端部法兰与固定在舱体尾端舱盖上的顶底法兰相匹配；在压力舱上设置有加压孔、泄压口、注水口、排气口，安全阀、压力传感器开口和测试线路导出口。
2.根据权利要求1所述的深水海底管道屈曲试验装置，其特征在于，所述的主舱体由多层钢板捆扎制成。
3.根据权利要求1所述的深水海底管道屈曲试验装置，其特征在于，所述的主舱体选用Q345R材料，前端舱盖和尾端舱盖选用20MnMo材料。
全文摘要
本发明属于深海石油开发开采及运输技术领域，涉及一种深水海底管道屈曲试验装置，包括由主舱体、前端舱盖、舱体尾端舱盖构成的压力舱，前端舱盖和尾端舱盖分别连接在主舱体的两端，在前端舱盖和尾端舱盖的内侧均设置有密封圈，在前端舱盖上固定有油压机，油压机的活塞杆穿过前端舱盖伸至主舱体内，活塞杆的端部设置有活塞杆法兰，在主舱体的底部上表面设置有导轨，在导轨上放置有用于运输管道试件的滑车，管道试件的两端连接有管道端部法兰，所述的活塞杆法兰与管道端部法兰相匹配，管道试件的另一端上的管道端部法兰与固定在舱体尾端舱盖上的顶底法兰相匹配。本发明可以模拟深海高压环境，进行多种载荷作用下管道屈曲试验。
文档编号G01M13/00GK102175437SQ201110008538
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者付明炀, 余建星, 余杨, 卞雪航, 景海泳, 林镇诗, 王保建, 王永更, 马骏 申请人:天津大学