[发明专利]外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及海底管道测试技术领域，尤其是涉及一种外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置及方法。

背景技术

海底管道是海洋油气资源开发的生命线，对海底石油和天然气的生产和外输起着关键性的作用。目前国际上使用最多的管道铺设方法是铺管船法，这种方法适用于长距离管段远离岸边的铺管作业，而且经济指标也较好。

结合国内外的铺管实际工程经验，铺管船法主要有三种：S型铺管法、J型铺管法和卷管式铺管法。其中，S型铺管法由于工程应用最早，其技术相对成熟，成为目前海底管道铺设最为常用的方法，典型S型铺管如图1所示。这种管道铺设方法一般需要安排一艘或者多艘起抛锚拖轮来支持铺管作业。在开始作业前，需要将一个锚定位在海床上，然后将锚缆引过托管架并系到第一根管子的端部，管道在托管架的支撑下，自然地弯曲成S型曲线，一般可分成两个区域：一为拱弯区，从驳船甲板上的张紧装置开始，沿托管架向下延伸到管道开始脱离托管架支撑的抬升点为止的一段区域(抬升点一般就是管道弯曲状态时的拐点)；另一段为垂弯区，是从拐点到海床着地点的一段区域，管道在垂弯区的曲率通过沿生产线放置的张紧器产生的后拖力来控制，管道在拱弯区的曲率和弯曲应力则一般依靠合适的滑道支撑和托管架的曲率来控制。

综上所述，海底管道在铺设时同时受到弯曲、轴向拉力和径向压力及海水拖曳力(扭曲)的共同作用，其安全性受到很大的挑战，因此海底管道铺管状态下力学特性研究显得尤为重要。

从图1可以看出海底管道受重力和海水浮力的作用，呈S形弯曲，最大变形和最大弯曲应力出现在管道与托管架分离处。这样，我们就可以用四点弯曲试验来评价复合钢管弯曲时的变化，以确定铺时的最大弯曲半径。

四点弯曲试验法是将试样(钢管)放在有一定距离的两个支撑点上，在离两个支撑点的中点相同距离上对试样施加向下的载荷，试样在4个接触点的作用下发生四点弯曲，且在中点处的弯曲半径最大。四点弯曲试验主要用来测试试样的弯曲半径，同时还可以测试两种材料的结合力(如双金属复合管衬管与基管的结合力)，常规全尺寸钢管四点弯曲试验装置的示意图如图2所示。

对于双金属复合管，根据试验目的要求与四点弯曲试验法的特点，结合双金属复合管特殊的结构，选用四点弯曲试验法，既可测试双金属复合管的最小弹性弯曲半径，又可以测试双金属复合管基衬分离的最小弯曲半径及双金属复合管的其它弯曲性能。

由图1可知，在海管铺设时管道在托管架处或触底点附近不仅仅是弯曲，同时还受到轴向拉力和径向压力及海水拖曳力(扭曲)的共同作用，由图2可知，常规的全尺寸钢管四点弯曲试验仅仅是测试钢管铺设弯曲变化时的最大弯曲半径，而忽略了钢管轴向拉力因素，且不能测试钢管弯曲半径最大处的应力变化情况。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置及方法，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种外加轴向载荷的钢管全尺寸四点弯曲试验装置，包括油缸、拉力绳、拉力绳支撑、两个压头和两个在测试钢管的轴线方向上设置的两个测试钢管支撑；

所述测试钢管放置于测试钢管支撑上，并且所述测试钢管的长度中心在两个所述测试钢管支撑的间距中心上；

两个所述压头放置于所述测试钢管上，并且两个所述压头的间距中心也在两个所述测试钢管支撑的间距中心上；

所述油缸的固定端固定设置，所述油缸的活动端的端面均匀的压在两个所述测试钢管支撑上，并且所述油缸的加压中心线也位于两个所述测试钢管支撑的间距中心上；

所述测试钢管的一端固定，另一端连接所述拉力绳；所述拉力绳的另一端通过所述拉力绳支撑后连接到拉力加载装置。

所述拉力绳支撑高度要保证钢管达到预期变形程度时轴向载荷与钢管同轴。

设：

h为测试钢管的弯曲压下量，由测试钢管在托管处的弯曲受力程度确定；

H₁为所述测试钢管支撑的高度；

H₂为所述拉力绳支撑高度；

L₁为所述油缸的中心距所述测试钢管支撑的中心的距离；

L₂为所述测试钢管支撑的中心与拉力绳支撑的中心的距离；

则：