一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置

本发明涉及机器或结构部件的静或动平衡的测试领域，尤其涉及一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，更为具体地说是涉及一种模拟管道在内压、轴向荷载和横向往复荷载耦合作用下变形模式预测的试验装置。

背景技术：

1、管道运输是长距离油气资源转移的首选方式。油气管道在外部载荷作用下的响应行为和失效机理对资源安全、环境保护等诸方面具有重要意义。在诸多载荷工况中，流体输送所必需的内压是首要考量因素。当前，学术界和工程界已经就管道的极限内压预测达成普遍共识：应用已有理论模型可以获得具有足够保守性的预测结果。然而，此保守性存在的前提条件不容忽视：服役期间仅有内压作用。实际上，服役管道不仅承受工作内压作用，还可能遭受来自外部环境的威胁。这些威胁可能通过单独或组合的方式以拉、压、弯曲、剪切等形式呈现。相对于针对极限内压的重视，科研界对于外部载荷作用下管道性能的关注要少得多，且多集中于外部载荷影响下管道极限内压的退化趋势，而非外部载荷导致管道失效本身。当前，海浪、滑坡和地震作用所导致的管道错动是管道安全的重要威胁，为了应对此类激励的挑战，传统方法通常以空管道为研究对象，通过约束其两端位移和转动自由度，并在其中部施加往复载荷以模拟实际工况。这类试验忽略了影响管道响应行为的两个关键因素：内压和轴向效应。管道所输送介质的特性和内压显著影响管道的力学行为，这在诸多文献中已广泛讨论；地震动等传播过程的三维空间效应将使得管道在承受垂直跨度方向挠动的同时产生轴向拉伸或压缩变形，此效应的存在将使得管道材料处于复杂应力状态，从而对其失效行为产生重要影响。现有试验装置中，尚无充分考虑内压、轴向载荷和横向往复载荷实时耦合的试验技术，也缺乏针对不同地震动特征下管道端部边界条件充分体现的试验装置。鉴于此，应用现有的试验装置和方法，无法获取以上三种载荷实时耦合下管道试验的关键数据，从而无法对影响管道失效行为的决定因素给予识别，并对管道的鲁棒性设计提供有效、可靠的指导。

2、授权公告号为cn113008497b的中国发明专利公开一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的试验装置；授权公告号为cn113092085b的中国发明专利公开一种充压管道瞬态甩动行为的测量试验装置。以上两项专利均为本技术发明人所提出的，但其所模拟的试验条件及应用场景，并无法获取三种载荷实时耦合下管道试验的关键数据。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提出一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置。

2、本发明所采用的技术解决方案是：

3、一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，包括刚性支撑组件、滑动组件、管道固定组件与荷载施加组件；

4、所述刚性支撑组件包括刚性反力架，刚性反力架包括反力架立柱和反力架横梁，反力架立柱的顶端与反力架横梁的一端连接，反力架立柱的底端固定在刚性地板上；

5、所述滑动组件包括滑轨、刚性外箱和滑轮，滑轨固定在反力架横梁上，滑轮安装在刚性外箱的上部，刚性外箱通过滑轮悬挂在所述滑轨上；在外力作用下，刚性外箱能够沿滑轨来回滑动；

6、所述管道固定组件包括滑动端固定组件和固定端固定组件，滑动端固定组件设置在固定端固定组件的上方，在滑动端固定组件和固定端固定组件之间竖向设置有管道；

7、所述滑动端固定组件包括刚性内箱和滑动端夹具组件，刚性内箱设置于刚性外箱的内部，刚性内箱能够沿刚性外箱上下滑动；所述滑动端夹具组件包括滑动端固定夹具和滑动端移动夹具，在滑动端固定夹具和滑动端移动夹具上设置有与管道的外径一致的第一半圆形槽口，滑动端固定夹具固定在刚性外箱的下部，滑动端移动夹具与滑动端固定夹具连接；管道的上端通过第一受力螺母与刚性内箱连接；

8、所述固定端固定组件包括刚性底座和固定端夹具组件，刚性底座与刚性地板固定连接；固定端夹具组件包括固定端固定夹具和固定端移动夹具，固定端固定夹具的底部与刚性底座固定连接，固定端移动夹具与固定端固定夹具相连接；在固定端固定夹具和固定端移动夹具上设置有与管道的外径一致的第二半圆形槽口；管道的下端通过第二受力螺母与固定端夹具组件连接；

9、所述荷载施加组件包括作动器、千斤顶和水泵，作动器与刚性外箱连接，随着作动器的活塞杆伸缩，能够带动刚性外箱通过滑轮沿滑轨横向滑动；千斤顶的缸体固定在刚性内箱的内部，千斤顶的缸体通过软管与液压泵站连接，千斤顶的活塞杆穿过刚性内箱并与荷载传感器固定连接，荷载传感器安装在刚性外箱上；通过千斤顶的活塞杆伸缩，能够带动刚性内箱沿刚性外箱向上或向下滑动。

10、优选的，管道的顶端和底端均设置有用于对管道密封的堵头螺母，堵头螺母通过注水管道连接水泵，在堵头螺母或注水管道处设置有水阀阀门，堵头螺母还与用于测量管道内部充压介质压力的压力传感器连接；

11、在管道的轴向和环向还分别粘贴有用于测量管道轴向和环向应变数据的应变片；

12、该耦合试验装置还包括控制与数据采集组件，所述控制与数据采集组件包括非接触式应变位移测量仪，非接触式应变位移测量仪的拍摄范围覆盖管道的最大变形范围，所述荷载传感器、压力传感器、应变片和非接触式应变位移测量仪分别通过信号线与采集仪连接，采集仪与计算机连接。

13、优选的，所述第一受力螺母和第二受力螺母的结构相同，均包括圆柱状本体，在圆柱状本体的内部沿其轴向设置有贯通的内螺纹孔，该内螺纹孔与管道端部的外螺纹相适配，在圆柱状本体的圆周面上设置有辅助旋转内孔。

14、优选的，所述刚性外箱包括两个外箱体，该两个外箱体呈对称分布，在两个外箱体的顶部设置有外箱顶板，在两个外箱体的同一侧面设置有外箱侧板，两个外箱体之间形成用于放置刚性内箱的容纳空间；所述滑动端夹具组件安装在两个外箱体的底部之间；

15、在外箱顶板的两侧设置有竖向侧板，所述滑轮安装在两个竖向侧板的内侧；在每个竖向侧板上均设置有上下两排滑轮，每排滑轮处于同一高度；

16、所述滑轨包括滑轨顶板和滑轨底板，在滑轨顶板和滑轨底板的中部之间设置有竖直支撑板，滑轨的截面呈工字型；所述滑轨顶板与反力架横梁连接，滑轨底板的两侧边缘处于上下两排滑轮之间。

17、优选的，所述刚性内箱的高度小于容纳空间的高度，刚性内箱的宽度等于容纳空间的宽度；

18、刚性内箱包括内箱顶板、内箱底板和内箱侧板，刚性内箱的至少一侧敞口，在内箱顶板和内箱底板之间还设置有内箱隔板，内箱隔板与内箱侧板固定连接；

19、千斤顶的缸体置于内箱顶板和内箱隔板之间，在内箱顶板和外箱顶板的对应位置处均设置有圆孔，千斤顶的活塞杆从圆孔中穿过，在外箱顶板上且位于圆孔的正上方处设置有刚性顶板，所述荷载传感器安装在刚性顶板的底部；

20、在内箱底板上设置有条形槽，条形槽的宽度与管道的外直径一致，所述管道卡入条形槽中，且置于条形槽的最内侧；

21、所述第一受力螺母共设置两个，该两个第一受力螺母分别贴合在内箱底板的上表面和下表面。

22、优选的，在固定端固定夹具上设置有第一刚性平板和第二刚性平板，第一刚性平板处于第二刚性平板的正上方；在固定端移动夹具上设置有第三刚性平板和第四刚性平板，第三刚性平板和第一刚性平板处于同一高度处，第四刚性平板和第二刚性平板处于同一高度处；

23、所述第二半圆形槽口在第一刚性平板和第三刚性平板的相向内侧边，以及第二刚性平板和第四刚性平板的相向内侧边均有设置；当固定端移动夹具与固定端固定夹具连接后，第一刚性平板和第三刚性平板相拼接，在第一刚性平板和第三刚性平板之间形成第一限位圆孔，第二刚性平板和第四刚性平板相拼接，在第二刚性平板和第四刚性平板之间形成第二限位圆孔；第一限位圆孔和第二限位圆孔的圆心处于同一竖直线上；所述管道从第一限位圆孔和第二限位圆孔中穿过；

24、所述第二受力螺母共设置两个，该两个第二受力螺母均处于第一刚性平板和第二刚性平板之间，其中位于上方的第二受力螺母的上表面与第一刚性平板和第三刚性平板的底面相抵触，位于下方的第二受力螺母的下表面与第二刚性平板和第四刚性平板的顶面相抵触。

25、优选的，所述作动器通过连接器与刚性外箱铰接；作动器的活塞杆通过销轴与连接器的一端铰接，在刚性外箱的侧面设置有凸耳，连接器的另一端通过插栓与凸耳铰接。

26、优选的，所述管道在朝向非接触式应变位移测量仪的外表面，且沿管道轴线方向间隔设置有若干标记点。

27、优选的，所述刚性反力架设置多个，相互间呈平行布置；每个刚性反力架包括两根反力架立柱和一根反力架横梁，一根反力架横梁的两端分别与两根反力架立柱的顶端相连接；所述滑轨的伸展方向与反力架横梁相垂直；在反力架立柱的侧面竖向间隔设置有固定螺孔。

28、优选的，管道的轴线与作动器的轴线在同一竖直平面内。

29、本发明的有益技术效果是：

30、本发明通过各组件协同工作，可实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合，并且可以实时记录并显示整个试验过程中管内压力、管道轴力、应变和构型变化过程，获取以上三种载荷实时耦合下管道试验的关键数据，从而对影响管道失效行为的决定因素给予识别，并对管道的鲁棒性设计提供有效、可靠的指导。

31、本发明可实现对管道在内压、轴向拉/压和横向往复作用下的响应模式进行准确、便捷地测定。基于测量所得荷载传感器及压力传感器变化时程、管道关键位置应变场分布和整体构型变化等，可准确表征管道变形过程中的轴力、内压等变化规律以及管道响应模式特征，为力学分析模型建立、管道设计和灾害预测等提供依据。

32、本发明通过刚性外箱、刚性内箱、千斤顶等的配合设计，可巧妙实现充压管道的轴向拉/压，再通过受力螺母与固定端固定夹具等的配合设计，可实现管道固定端的锁紧固定等，结构设计合理，实施简便，可有效实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合。

33、本发明可以对于不同规格和形状的试件进行试验，具有很好的实用性和经济性。此外，还可对试件在一端固定另一端施加轴向拉/压荷载、一端固定而另一端轴向自由等多种边界条件下的情况进行试验。本发明的试验装置结构简单紧凑、操作简便。