本發(fā)明屬于管道工程技術領域,涉及一種試驗裝置,尤其是涉及一種用于測試流體振動對管道疲勞損傷的試驗裝置。
背景技術:
當高速高壓的氣體、液體在管道中流動時,由于管道有彎曲及固定不牢固,會產(chǎn)生振動;氣液兩相流在管道中流動時,最常見的流型為段塞流,段塞流進入立管后,不僅會使管內(nèi)壓力和出口流量呈現(xiàn)周期性劇烈波動,還會誘導管線振動,這種振動帶來的危害是巨大的,例如,可造成精密儀器(如傳感器、儀表等)容易失效,影響資料的錄取和數(shù)據(jù)的準確性;同時,處于長時間的振動環(huán)境下,管道要承受遠大于其平穩(wěn)流動的負荷,給其強度帶來極大考驗,縮短管道的使用壽命,甚至引發(fā)管道本身、管道附件產(chǎn)生疲勞破壞;此外,長時間的振動還容易使連接部件松脫,影響其工作性能以至于發(fā)生安全事故。
為了減輕和抑制振動對管道造成的損害,需要更深入地了解管內(nèi)流體誘導管道振動疲勞損傷的機理。目前,工程中還缺乏一種裝置簡單、易于操作、測試費用低廉并能模擬振動沿管道傳播的流體振動對管道疲勞損傷的試驗裝置。
申請?zhí)枮?01410681414.5的中國專利公開了一種基于實時測量震動加速度數(shù)據(jù)的管道結構應力和疲勞監(jiān)控的新系統(tǒng),包括:1)震動傳感記錄器實時數(shù)據(jù)采集,監(jiān)控在管道結構不同位置采集得到的加速度信息;2)對采集到的加速度數(shù)據(jù)通過傅里葉變換,把數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)化到頻域下,可以得到所安裝位置受到激發(fā)的頻率以及震動的振幅;3)測量得到的激發(fā)頻率和預先分析得到的解析結果比較和篩選,由模態(tài)選擇和疊加方法精確得到所在測量位置的曲率和應力;4)通過反傅里葉變換后,把在頻域下的應力分布轉(zhuǎn)換為在時域下的應力分布,計算得到任何關鍵位置疲勞損傷。上述專利一種安裝在已建成管道的上的應力和疲勞監(jiān)測系統(tǒng),主要是通過安裝在管道上不同部位的傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行換算、比較和篩選,進而分析管道結構實際工作時的應力。不同于上述專利,本發(fā)明是在管道安裝前,通過動力加載裝置模擬管道即將承受的振動荷載對管道結構的影響,檢測分析管道的質(zhì)量是否符合預定的質(zhì)量控制要求。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種結構簡單、緊湊,經(jīng)濟實用,能模擬振動沿管道傳播過程,動荷載波形穩(wěn)定、可靠的用于測試流體振動對管道疲勞損傷的試驗裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
一種用于測試流體振動對管道疲勞損傷的試驗裝置,該裝置包括試驗箱、埋設在試驗箱中的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)、動荷載加壓系統(tǒng)、設置在動荷載加壓系統(tǒng)中并與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)相連接的加壓氣囊、與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)配合使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),所述的動荷載加壓系統(tǒng)向加壓氣囊施加簡諧振動荷載,加壓氣囊向測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)傳送波動氣流,所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中待測試管道因波動氣流而產(chǎn)生的變形及受力情況。
所述的動荷載加壓系統(tǒng)包括加壓氣囊固定箱、設置在加壓氣囊固定箱上部且與加壓氣囊固定箱滑動連接的動荷載加壓板、設置在動荷載加壓板上的偏心對轉(zhuǎn)齒輪單元、與偏心對轉(zhuǎn)齒輪單元傳動連接的驅(qū)動電機以及與驅(qū)動電機對稱設置的配重塊,該配重塊的質(zhì)量與驅(qū)動電機的質(zhì)量相同。
所述的動荷載加壓板與加壓氣囊固定箱之間設有用于安置加壓氣囊的固定腔,所述的動荷載加壓板與加壓氣囊固定箱相連接的部位還設有滑動棒,并通過滑動棒可上下往復移動地設置在加壓氣囊固定箱上。
所述的偏心對轉(zhuǎn)齒輪單元包括一對質(zhì)量相同且相互嚙合的轉(zhuǎn)動齒輪、分別位于兩轉(zhuǎn)動齒輪同一位置上且形狀質(zhì)量完全相同的偏心塊、設置在其中一個轉(zhuǎn)動齒輪與驅(qū)動電機之間的傳動鏈條。
所述的偏心塊為扇形偏心塊。
所述的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)包括埋設在試驗箱中的試驗管道、設置在試驗管道內(nèi)部的管道內(nèi)氣囊、N個沿管道內(nèi)氣囊長度方向均勻布設在管道內(nèi)氣囊中的隔板以及設置在隔板上的延時氣壓閥,所述的管道內(nèi)氣囊底部通過氣管與加壓氣囊相連,所述的試驗管道底部設有可拆卸的底板,N個隔板將管道內(nèi)氣囊分隔成N+1個隔艙,其中,N≥1,且N為整數(shù)。
所述的延時氣壓閥設置在隔板的正中心,且所述的延時氣壓閥包括插設在隔板上的氣壓閥閥體、設置在氣壓閥閥體內(nèi)的通氣孔、套設在氣壓閥閥體上且將通氣孔覆蓋的橡膠膜以及夾設在橡膠膜上的彈簧管夾。
所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括沿氣流方向依次設置在氣管上的閥門、氣體壓力表及氣體流量計、設置在試驗管道外側(cè)壁上的加速度傳感器、速度傳感器及應變片。
所述的試驗箱的頂板與試驗管道之間設有試驗管道豎向加壓單元,該試驗管道豎向加壓單元包括設置在試驗管道頂部且與試驗管道貼緊設置的豎向加壓板、布設在豎向加壓板上的第一鋼管以及一端與試驗箱頂板下表面固定連接,另一端插設在第一鋼管中的第二鋼管。
所述的第一鋼管上沿軸向開設有多個第一螺栓孔,所述的第二鋼管上沿軸向開設有與多個第一螺栓孔一一對應的第二螺栓孔,在工作狀態(tài)下,將螺栓依次插入第一螺栓孔及相應的第二螺栓孔中,將第一鋼管與第二鋼管固定連接。
本發(fā)明中,所述的加壓氣囊采用彈性纖維制成。
在實際應用中,動荷載加壓系統(tǒng)中的驅(qū)動電機通過傳動鏈條帶動兩個大小、重量都相同的相互嚙合的轉(zhuǎn)動齒輪轉(zhuǎn)動,兩個轉(zhuǎn)動齒輪上的同一位置分別固定有完全相同的偏心塊,由于偏心塊轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的水平分力相互抵消,而豎向分力相互疊加,通過動荷載加壓板向加壓氣囊輸出簡諧振動荷載。在與驅(qū)動電機對稱的位置處安裝配重塊,該配重塊的質(zhì)量與驅(qū)動電機相同。為防止動荷載加壓板水平晃動,在加壓氣囊固定箱與動荷載加壓板之間設置滑動棒。在加壓氣囊固定箱的限制下,氣囊受力只能通過氣管向管道內(nèi)氣囊傳送動荷載。
所述的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中,試驗管道加裝底板后,被埋置于試驗箱中,通過豎向加壓板限制試驗管道和管道內(nèi)氣囊的豎向運動,而且可以通過一端嵌套在第一鋼管中的第二鋼管以及螺栓來調(diào)節(jié)豎向加壓板深入試驗箱中的深度。實際安裝時,將管道內(nèi)氣囊塞入試驗管道后,安裝試驗管道的底板,然后將其埋置于試驗箱的地層中,管道內(nèi)氣囊內(nèi)部由剛性樹脂板(即隔板)分割為若干個隔艙,每個剛性樹脂板的中心安裝一個延時氣壓閥;加壓氣囊內(nèi)的氣體受壓后,首先進入管道內(nèi)氣囊中最底部的隔艙,當最底部的隔艙與其緊鄰上方的隔艙之間的壓力差超過彈簧管夾的夾合力和橡膠膜的緊固力時,氣體可從最底部的隔艙進入其緊鄰上方的隔艙,以此類推,直至受壓氣體進入最上方的隔艙中。
所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,氣體流量計、氣體壓力表、閥門安裝在氣管上,用以控制氣管的開啟、監(jiān)測氣體流量和壓力;而應變片、加速度傳感器、速度傳感器安裝于試驗管道的外側(cè),用于監(jiān)測管道的變形和受力。
與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明整體結構簡單、緊湊,模塊化清晰,經(jīng)濟實用性好,可模擬振動的傳播過程對管道的疲勞損傷,并且動荷載波形穩(wěn)定、可靠,適用性廣,操作更加簡便快捷,具有很好的應用前景。
附圖說明
圖1為本發(fā)明整體結構示意圖;
圖2為本發(fā)明中延時氣壓閥的結構示意圖;
圖中標記說明:
1—試驗管道、2—管道內(nèi)氣囊、21—隔板、3—延時氣壓閥、31—通氣孔、32—橡膠膜、33—彈簧管夾、34—氣壓閥閥體、4—試驗箱、41—豎向加壓板、42—第二鋼管、43—第一鋼管、44—螺栓、5—轉(zhuǎn)動齒輪、51—偏心塊、6—驅(qū)動電機、61—傳動鏈條、7—配重塊、8—動荷載加壓板、81—滑動棒、9—加壓氣囊、10—加壓氣囊固定箱、11—底板、12—氣管、13—氣體流量計、14—氣體壓力表、15—閥門、16—地層、17—應變片、18—加速度傳感器、19—速度傳感器。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例:
如圖1所示,一種用于測試流體振動對管道疲勞損傷的試驗裝置,該裝置包括試驗箱4、埋設在試驗箱4中的測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)、動荷載加壓系統(tǒng)、設置在動荷載加壓系統(tǒng)中并與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)相連接的加壓氣囊9、與測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)配合使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),動荷載加壓系統(tǒng)向加壓氣囊9施加簡諧振動荷載,加壓氣囊9向測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)傳送波動氣流,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中試驗管道1因波動氣流而產(chǎn)生的變形及受力情況。
其中,動荷載加壓系統(tǒng)包括加壓氣囊固定箱10、設置在加壓氣囊固定箱10上部且與加壓氣囊固定箱10滑動連接的動荷載加壓板8、設置在動荷載加壓板8上的偏心對轉(zhuǎn)齒輪單元、與偏心對轉(zhuǎn)齒輪單元傳動連接的驅(qū)動電機6以及與驅(qū)動電機6對稱設置的配重塊7,該配重塊7的質(zhì)量與驅(qū)動電機6的質(zhì)量相同。動荷載加壓板8與加壓氣囊固定箱10之間設有用于安置加壓氣囊9的固定腔,動荷載加壓板8與加壓氣囊固定箱10相連接的部位還設有滑動棒81,并通過滑動棒81可上下往復移動地設置在加壓氣囊固定箱10上。偏心對轉(zhuǎn)齒輪單元包括一對質(zhì)量相同且相互嚙合的轉(zhuǎn)動齒輪5、分別位于兩轉(zhuǎn)動齒輪5同一位置上且形狀質(zhì)量完全相同的偏心塊51、設置在其中一個轉(zhuǎn)動齒輪5與驅(qū)動電機6之間的傳動鏈條61。偏心塊51為扇形偏心塊。
測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)包括埋設在試驗箱4中的試驗管道1、設置在試驗管道1內(nèi)部的管道內(nèi)氣囊2、N個沿管道內(nèi)氣囊2長度方向均勻布設在管道內(nèi)氣囊2中的隔板21以及設置在隔板21上的延時氣壓閥3,管道內(nèi)氣囊2底部通過氣管12與加壓氣囊9相連,試驗管道1底部設有可拆卸的底板11,N個隔板21將管道內(nèi)氣囊2分隔成N+1個隔艙,其中,N≥1,且N為整數(shù)。延時氣壓閥3設置在隔板21的正中心,且延時氣壓閥3包括插設在隔板21上的氣壓閥閥體34、設置在氣壓閥閥體34內(nèi)的通氣孔31、套設在氣壓閥閥體34上且將通氣孔31覆蓋的橡膠膜32以及夾設在橡膠膜32上的彈簧管夾33,如圖2所示。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括沿氣流方向依次設置在氣管12上的閥門15、氣體壓力表14及氣體流量計13、設置在試驗管道1外側(cè)壁上的加速度傳感器18、速度傳感器19及應變片17。
本實施例中,試驗箱4的頂板與試驗管道1之間設有試驗管道豎向加壓單元,該試驗管道豎向加壓單元包括設置在試驗管道1頂部且與試驗管道1貼緊設置的豎向加壓板41、布設在豎向加壓板41上的第一鋼管43以及一端與試驗箱4頂板下表面固定連接,另一端插設在第一鋼管43中的第二鋼管42。第一鋼管43上沿軸向開設有多個第一螺栓孔,第二鋼管42上沿軸向開設有與多個第一螺栓孔一一對應的第二螺栓孔,在工作狀態(tài)下,將螺栓44依次插入第一螺栓孔及相應的第二螺栓孔中,將第一鋼管43與第二鋼管42固定連接。
在實際應用中,動荷載加壓系統(tǒng)中的驅(qū)動電機6通過傳動鏈條61帶動兩個大小、重量都相同的相互嚙合的轉(zhuǎn)動齒輪5轉(zhuǎn)動,兩個轉(zhuǎn)動齒輪5上的同一位置分別固定有完全相同的偏心塊51,由于偏心塊51轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的水平分力相互抵消,而豎向分力相互疊加,通過動荷載加壓板8向加壓氣囊9輸出簡諧振動荷載。在與驅(qū)動電機6對稱的位置處安裝配重塊7,該配重塊7的質(zhì)量與驅(qū)動電機6相同。為防止動荷載加壓板8水平晃動,在加壓氣囊固定箱10與動荷載加壓板8之間設置滑動棒81。在加壓氣囊固定箱10的限制下,加壓氣囊9受力只能通過氣管12向管道內(nèi)氣囊2傳送動荷載。
測試管道內(nèi)壓系統(tǒng)中,試驗管道1加裝底板11后,被埋置于試驗箱4中,通過豎向加壓板41限制試驗管道1和管道內(nèi)氣囊2的豎向運動,而且可以通過一端嵌套在第一鋼管43中的第二鋼管42以及螺栓44來調(diào)節(jié)豎向加壓板41深入試驗箱4中的深度。實際安裝時,將管道內(nèi)氣囊2塞入試驗管道1后,安裝試驗管道1的底板11,然后將其埋置于試驗箱4的地層16中,管道內(nèi)氣囊2內(nèi)部由剛性樹脂板(即隔板21)分割為若干個隔艙,每個剛性樹脂板的中心安裝一個延時氣壓閥3;加壓氣囊9內(nèi)的氣體受壓后,首先進入管道內(nèi)氣囊2中最底部的隔艙,當最底部的隔艙與其緊鄰上方的隔艙之間的壓力差超過彈簧管夾33的夾合力和橡膠膜32的緊固力時,氣體可從最底部的隔艙進入其緊鄰上方的隔艙,以此類推,直至受壓氣體進入最上方的隔艙中。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,氣體流量計13、氣體壓力表14、閥門15安裝在氣管12上,用以控制氣管12的開啟、監(jiān)測氣體流量和壓力;而應變片17、加速度傳感器18、速度傳感器19安裝于試驗管道1的外側(cè),用于監(jiān)測管道的變形和受力。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改,并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此,本發(fā)明不限于上述實施例,本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示,不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。