[发明专利]一种超高压非标准法兰实验装置及实验方法

权利要求书

1.一种超高压非标准法兰实验方法，其特征在于：它包括如下步骤：

1)、首先通过固定螺栓(22)将实验装置呈十字对称状固定安装在实验法兰的下法兰(2)上；再将上法兰(1)通过装配螺栓(3)固定在下法兰(2)上，其中，实验装置由顶杆(8)通过顶板(9)与上法兰(1)的下表面形成顶触，同时，将应变片分别安装在上法兰(1)以及上法兰(1)和下法兰(2)连接处的装配螺栓(3)上，安装完成后启动检测机构的位移动态采集仪(15)和检测计算机(19)；

上法兰(1)和下法兰(2)的横截面呈工字状，上法兰(1)的底面中心和下法兰(2)的顶面中心分别设置有储液沉孔(4)，上法兰(1)或下法兰(2)的储液沉孔(4)上设置有注液口(5)；

2)、利用高压泵站通过注液口(5)向上法兰(1)和下法兰(2)的储液沉孔(4)中注水，使储液沉孔(4)内压力逐渐升高，储液沉孔(4)内压力达到上法兰(1)和下法兰(2)的额定压力后，高压泵站保压至实验结束；

实验装置包括液压加载机构，液压加载机构呈十字对称状设置，即上法兰(1)与下法兰(2)之间设置有4个液压加载机构，液压加载机构由限位座(6)、加载液压缸(7)、顶杆(8)和顶板(9)构成；

3)、启动液压站，使液压站的油压持续升高，向实验装置X轴对称设置的加载液压缸(7)或Y轴对称设置的加载液压缸(7)或全部的加载液压缸(7)中连续加压，使加载液压缸(7)依次通过下法兰(2)、顶杆(8)和顶板(9)对上法兰(1)施加一个持续升高的垂直顶升力，对上法兰(1)和下法兰(2)进行抗拉伸实验；

4)、在进行步骤(3)的过程中，位移动态采集仪(15)分别连续采集装配螺栓(3)上的应变片的位移信号，位移动态采集仪(15)采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机(19)中，检测计算机(19)根据采集的位移信号换算并显示装配螺栓(3)受到的拉伸应力；

5)、在进行步骤(4)的过程中，持续记录液压站向加载液压缸(7)加载的油压数值；

6)、在进行步骤(3)对上法兰(1)和下法兰(2)进行抗拉伸实验的过程中，终止抗拉伸实验时，记录终止抗拉伸实验时加载的油压数值，通过以下公式换算得到上法兰(1)和下法兰(2)的极限拉伸力：

F＝P×A 式1

式中，F为法兰的上法兰(1)和下法兰(2)的拉伸力，N；P为终止实验时，记录的加载油压数值，Mpa；A为对应加载有液压的液压加载机构的顶板(9)顶面面积之和，mm²；

计算极限拉伸力时，判断上法兰(1)和下法兰(2)的连接处出现泄漏的依据是基于测得的拉伸应力与装配螺栓的屈服极限之间的关系；

7)、改变高压泵站注入储液沉孔(4)内的水压，重复步骤(2)的阶梯式注水过程，再依次重复步骤3)—步骤6)，获得在对应水压条件下的上法兰(1)和下法兰(2)极限拉伸力；

8)、多次重复步骤7)，获得上法兰(1)和下法兰(2)在不同工作压力下的极限拉伸力；

9)、重复步骤2)，向上法兰(1)和下法兰(2)储液沉孔中注入额定压力的水压；

10)、启动液压站，向粘贴有应变片的装配螺栓(3)一侧的一个或相邻的两个加载液压缸(7)中加压，使加载液压缸(7)向上法兰(1)提供一个持续升高的弯矩推力，对上法兰(1)和下法兰(2)进行抗弯矩实验；

11)、在进行步骤(10)的过程中，持续记录液压站油压的同时，位移动态采集仪(15)分别连续采集上法兰(1)或装配螺栓(3)上的应变片的位移信号，位移动态采集仪(15)采集位移信号后，将采集的位移信号实时传递至检测计算机(19)中，检测计算机(19)根据采集的位移信号换算并显示上法兰(1)和下法兰(2)受到的单侧拉伸应力和合成应力；

12)、在进行步骤10)的过程中，终止抗弯矩实验时，记录终止抗弯矩实验时加载的油压数值，通过式1和以下公式换算得到上法兰和下法兰的极限弯矩：

M＝F×R       式2

式中，M为上法兰(1)和下法兰(2)的弯矩，Nm；R为加载液压缸(7)中心轴线与上法兰(1)中心轴线之间的距离，mm；

计算极限弯矩时，判断上法兰(1)和下法兰(2)的连接处出现泄漏的依据是基于测得的拉伸应力与装配螺栓的屈服极限之间的关系，以及基于测得的合成应力与上法兰(1)和下法兰(2)的Von Mises应力之间的关系；

13)、多次改变高压泵站注入储液沉孔(4)内的水压，重复步骤2)的阶梯式注水过程，再依次重复步骤10)—步骤12)，获得上法兰(1)和下法兰(2)在不同工作压力下的极限弯矩；

所述的拉伸应力的换算公式为：

拉伸应力＝轴向应变×弹性模量  式3

式中：轴向应变为应变片测得的装配螺栓(3)轴向上的线应变；弹性模量为装配螺栓(3)的弹性模量，Mpa；

所述的合成应力计算方法为：通过采集的上法兰(1)上应变片的线应变以及以下公式换算沿主应力方向的主应变：

式中：ε₁、ε₂为沿主应力方向的主应变，ε_0°为沿水平方向的线应变，ε_45°为与水平方向夹角45°的线应变，ε_90°为与水平方向夹角为90°的线应变；

通过主应变和以下公式计算主应力：

式中：σ₁、σ₂和σ₃分别为三个主应力方向的主应力，MPa；E为上法兰(1)或下法兰(2)的弹性模量，MPa；μ为上法兰(1)或下法兰(2)的泊松比；

通过主应变和以下公式计算合成应力：

式中：σ为范式应力，MPa。

2.根据权利要求1所述的一种超高压非标准法兰实验方法，其特征在于：所述的步骤(2)的注水加压过程为阶梯式加载，每次加载的水压为设定加载压力的10％，加载设定加载压力10％的压力后保压5min，确认无泄漏后，再依次重复上述过程继续加压，直至储液沉孔(4)内压力达到设定的加载压力。