模拟海洋复杂载荷条件复合管道性能测试装备

1、模拟海洋复杂载荷条件复合管道性能测试装备张捷 聂新宇 徐平 侯东圣 施建峰 郑津洋浙江大学化工机械研究所浙江大学应用力学所摘要：复合管道在海洋工况屮承受内压和弯曲等复杂载荷，并受温度和弯曲速率的影 响，进而产生大变形而失效。考虑内压和弯曲这一典型的组合载荷，并针对复合 管道温度相关和率相关的特性，设计机械结构、液压回路和测试系统，搭建模拟 海洋复杂载荷条件复合管道性能测试装备。装备能在控制温度和弯曲速率的基础 上，对复合管道同时施加内压和弯曲载荷，测试复合管道在大变形下的力学性 能。目前该装备设计方案已获得国家发明专利授权。关键词：复杂载荷;复合管道;装备搭建;作者简介：张捷(1991),男，

2、主要从事聚乙烯及其复合管道的研究工作，通 信地址：310027浙江省杭州市西湖区浙大路38号浙江大学玉泉校区土木科技馆 707 室，e-mail:fcdcrcrl000qq. com。收稿日期:2016-11-15基金：国家自然科学基金项目(51575480, 51305394)testing equipment for composite pipes under complex loads simula tin marine conditionzhang jie nie xin-yu xu ping hou dong-sheng shitian-feng zheng jin-yangixit

3、ilute of processeauipme nt，zhejianguniversity; department of mechanics, zhejianguniversity;abstract：composite pipes are subjected to complex loads, such as internal pressure and bending load in marine condition, and influenced by temperature and bending rate .complex loads can lead to large deformat

4、ion of pipes, then failure occurs. considering the combined loads of internal pressure and bending load, and the characteristic of temperature-dependent and rate-dependent, mechanical structure, hydraulic circuit and testing system were designed. the testing equipment was set up for composi te pipes

5、 undor complex loads to simulate marinc condition. internal pressure and bending load can be applied on composite pipes at adjustable temperature and bending rate. the properties of composite pipes under large deformation can be obtained by this equipment. the design of this equipment obtained the a

6、uthorized invention patent.keyword：complex loads; composite pipes; equipment design;received： 2016-11-15o引言我国海洋战略旨在进一步提高海洋资源的开发能力、促进海洋经济发展。海洋资 源包括海水资源、油气资源、矿产资源和生物资源等，其中海水和油气资源主要 通过管道运输1。复合管道是以两种或两种以上材料制成的新型管道，由外层塑料、复合层和内层 塑料组成，如图1所示。相比于传统的金属管道，复合管道具有韧性好、抗冲击、 耐腐蚀和使用寿命长等优点，因此，复合管道更适应于海洋工况，被越來越多 地用于海洋

7、资源运输及1。图1复合管道结构图3下载原图复合管道在海洋工况中受到复杂载荷的作用有:管道和管件的重力、内压、管外 静水压力、安装预紧力、浮式设备和坠落物撞击引起的瞬时弯曲、波浪冲击引起 的持续弯曲、船只拖网和抛锚拖曳引起的瞬吋弯曲、气候和洋流引起的温度变化 等回。因此，海洋工况屮最典型的载荷是内压和弯曲载荷，并受温度和弯曲速 率的影响，可导致管道发生大变形而失效。海洋环境复杂，一旦发生管道破坏， 将造成巨大的经济损失和生态破坏固。因此，迫切需要设计试验装备以模拟海 洋复杂载荷条件，从而对复合管道的力学性能展开研究，促进复合管道在海洋 屮安全应用。一些学者已经对复合管道受内压或弯曲载荷下的力学性

8、能展开了研究。zheng等 回提出钢丝缠绕增强塑料复合管（psp）泄漏试验的理论模型，并开展psp泄 漏试验，试验结果与理论模型相符。余彬彬ill通过理论和有限元法进行纤维缠 绕增强塑料复合管弯曲作用下的屈曲分析。乔朝坤等宜通过理论和有限元法研 究钢带缠绕增强塑料复合管在内压载荷下的力学性能。齐国权等回开展了高温 下芳纶纤维増强塑料复合管的短时爆破压力试验。li等10分别通过理论和有 限元法进行psp受弯曲下的屈曲分析。黄婷旦11提出psp的有限元模型，并分析 弯曲曲率与弯矩之间的关系。然而传统的研究主要关注复合管道承受单一载荷下的力学性能，而没有考虑复 合管道在海洋工况中会受到复杂载荷的作用

9、。因此，作者的研究团队设计并搭建 了模拟海洋复杂载荷条件复合管道性能测试装备。本文考虑内压和弯曲这一典型 组合载荷，以及温度和加载速率对复合管的影响，提出装置的加载功能和机械 控制功能，设计装置的机械结构、液压回路和测试系统，通过理论估算确定最大 加载力，最后由组合加载试验验证装备的可靠性。1装备功能设计1.1聚乙烯材料特性复合管的基体聚乙烯是典型的粘弹性材料，聚乙烯的模量受温度和加载速率等 因素影响。在不同条件下，聚乙烯的模量有较大的变化。如图2, 3所示，温度 越高，曲线越平缓，则聚乙烯的模量越小;加载速率越高，曲线越陡峭，则聚乙 烯的模量越大曲。聚乙烯材料的特性使得复合管的力学性能也与温

10、度和加载速 率相关。图2不同温度下聚乙烯应力应变曲线12 下载原图图3不同拉仲速率下聚乙烯应力应变曲线12下载原图1. 2功能设计 釆用四点弯曲的方式对试样管加载。相比于三点弯曲，四点弯曲能避免集中力对 试样管的影响，降低加载杆的负载，且加载杆之间的管段为纯弯曲，有利于试 验结果分析。试验平台的结构如图4所示。图4试验平台结构简图下载原图装备整体的动力要求高，应釆用液压油缸来驱动。为了分析温度对复合管的影响, 应由水箱的水浴加热以调控温度。为了分析弯曲速率对复合管的影响，应设计不 同的液压回路以实现短时弯曲试验、恒定力的蠕变试验和恒定位移的松弛试验。 由于试样管的夹具安装过程繁琐，必须在水箱外

11、进行安装，所以应设计机械控 制系统，将试样管自动移动到水箱内；同时，在各个环节设安全装置以保障试验 安全。2装备结构设计2. 1机械结构通过设计机械结构，以实现将试样管自动移动到水箱内的过程。水箱两侧平行铺 设轨道，移动式起重架可在轨道上前后移动。起重油缸安装在移动式起重架中， 能同步抬升横梁。移动式起重架和轨道上设有行程开关，则“油缸上升一起重架 前进一油缸下降”的过程可自动完成。机械结构如图5所示。图5机械结构示意下载原图起重油缸上设有防爆阀，防止整个试验平台由于液压软管的突然爆裂而急剧下 降。控制软件屮设有过载保护，当负载超过额定值5%时，则自动停机。屯路箱 前设有急停按钮，可在紧急情况

12、下人为快速停机。2.2液压回路加载杆的动力来源于液压油缸。为了实现速度调节功能、恒力加载功能和恒位移 加载功能，需要通过不同的液压回路来调控。(1) 速度控制回路 速度控制回路可调节油缸的加载速率，其工作原理如图6所示。图6速度控制回路工作原理示意下载原图定量液压泵输岀的油液一部分经调速阀进入液压缸，推动活塞运动，多余的油 液经溢流阀排回油箱。通过调节调速阀的流通面积以调节流量，进而调节液压缸 的加载速度，调节范围为：1240 mm/mino(2) 压力保压回路为了实现长时恒定力的蠕变试验，需釆用压力保压回路，其工作原理如图7所 示。当换向阀切换至左位吋，液压缸的活塞向右加载。当液压缸的压力达

13、到设定 上限时，压力继电器发出信号使换向阀切换至右位，液压泵开始卸荷；当液压缸 压力下降至设定下限时，压力继电器使换向阀切换至左位，液压泵重新向系统 供油。压力保压回路能在长时间内维持良好的保压性能，最大保压时长为100 ho图7压力保压回路工作原理示意下载原图(3) 固定位移回路图8固定位移回路工作原理示意下载原图为了实现长时恒定位移的松弛试验，需采用固定位移回路，其工作原理如图8 所示。当换向阀切换至左位时，液压泵的压力油经左边液控单向阀进入液压缸的无杆 腔，同时通过控制右边液控单向阀，使液压缸右腔的回油可排回油箱，活塞向 右运动;反之，活塞向左运动。活塞杆达到需要固定位移的位置吋，换向阀

14、切换 至中位，两侧液控单向阀均关闭，液压缸被双向锁紧，达到固定位移的效果。2. 3测试系统测试系统包括温度控制、内压控制和弯曲控制等模块。(1) 水箱水箱内置加热板、介质循环系统、温度传感器和控制器，温度调节范围2080°co 水箱长度2680 mm,考虑到试样管的夹具和水箱壁厚保留空间200 mm,且试样管 两端保留空间至少200 mm,则试样管长度不宜超过2280 mm。该装备的弯曲试验 中，试样管的总长度应不少于8倍管材直径，并参考gb 155582003燃气用 埋地聚乙烯(pe)管道系统13中表4的规定,木装备可以进行试验的试样管 最大管径280 mmo(2) 静液压试验机

15、静液压试验机型号为xgy-20,包括高压压力源和压力控制系统，其压力调控能 力达到gb/t155601995流体输送用塑料管材液压瞬时爆破和耐压试验方法14的试验要求。高压压力源提供高压液体，经过压力控制系统测量和调控后, 由高压软管提供内压载荷，打压范围020. 00 mpa,误差±1%。(3) 加载油缸和固定杆 加载油缸和固定杆用法兰与横梁相连，可由法兰垫板沿着横梁的内槽左右无级 移动和|占|定。两个加载油缸的最小距离是250 mm,最大距离是750 mm;两根i古i定 杆的最小距离是650 mm,最大距离是1700 miiio固定块连接固定杆，加载块连接 加载油缸，且均为半圆形

16、凹槽，能使试样管均匀受力。加载油缸和固定杆的连接 方式如图9所示。(4) 弯曲载荷估算 仅受弯曲载荷下，管段纯弯曲部分的弯矩为:式中f加载油缸的作用力，nli加载油缸与固定杆中心线的间距，mm图9加载油缸和固定杆的连接方式下载原图为了简化讣算，以外径d二280. 0 mm的塑料管为例估算加载油缸的最大力，其内 径d=229.2mni, l取350. 0伽。由材料力学弯曲应力公式15可知,圆管的抗弯 截面系数为：计算得出w=l. 19x10mmo圆管的最大正应力为:根据文献16知聚乙烯的应力达到屈服强度时，管材发生永久性的变形而失效, 屈服强度。二25 mpa,且:由(1) (4)式可得:f&l

17、t;85 k no因此，保守起见，加载油缸的最大力设计为 100 k no油缸的公称压力根据最大试验力，并参照gb/t 7938-87液压缸的公称压力系 列uz1，设定为25 mpao油缸的行程依据gb/t 234980液压气动系统及元 件油缸行程系列18,设定为800 mmo(5) 力传感器和光栅尺 力传感器采用双剪切梁传感器，量程为100k n,精度等级为0. 5级，工作温度 范围为-10、70°c。如图10所示，油缸的载荷逵直施加在力传感器的中部，加载 块与传感器通过销连接，力传感器由此产牛剪切变形，并将信号由导线输出。油 缸位移通过光栅尺测量，光栅尺的量程为870mm,测量误

18、差0.5%。图1 0双剪切梁传感器的结构下载原图 2. 4装备总体结构根据以上设计，将机械结构、液压冋路和测试系统搭建并组装，装备总体结构如 图11所示。图1 1装备总体结构图下载原图3装备应用zhang等19使用该装置开展了 20°c下dn110psp内压和弯曲组合载荷试验，内 压设定为2. 8 mpao共进行4组重复试骑，可成功将psp打破，试样管失效瞬间 如图12所示。其中3组试验值有效、重复性良好，根据3组试验值的平均值得 dn110 psp的失效条件为:弯矩m>939. 3n - m,加载位移s>245. 0 mmo并用有限 元法分析psp的承载能力，计算结果与

19、试验结果相符，验证了该装置的可靠性。 该装备创新性地将内压、弯曲和温度控制系统结合起来，实现对复合管道加载复 杂载荷，此前国内尚无加载复杂载荷的试验装备，目前，该装备的设计方案获 得了国家发明专利20和实用新型专利21授权,具有一定的创新性和实用性， 可为相关装备的设计提供借鉴、促进复合管道的工程应用。4结论仃)设计并搭建一套试验装备以模拟海洋复杂载荷条件，可在控制温度 (2070°c)和弯曲速率(广200 mm/min)的基础上,对dn90dn280的复合管同 时施加内压和弯曲载荷。试样管能在水箱外安装夹具，通过机械自动控制，将试 样管移动至水箱内，测试复合管在弯曲大变形下的力学性

20、能。(2)装备可成功开展内压和弯曲组合载荷试验，具有可靠性。装备的设计方案获 得了国家专利授权，具有实用性和创新性。参考文献1 liu s, qu q z. study on the development and management of marine resources in chinaj.meteorological&environniental research, 2013 (7) : 18-20.2 zheng j y, li x, xu p, et al.analyses on the shorttenn mechanical properties of plastic

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