大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工程技術(shù)領(lǐng)域，更加具體的說(shuō)，針對(duì)大變形管道的三點(diǎn)彎曲/四點(diǎn)彎 曲的力學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域，涉及一種測(cè)試各種大變形管道及其焊接接頭的彎曲性能試驗(yàn)裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國(guó)海洋油氣資源的開(kāi)采和利用主要集中在淺海，由于技術(shù)能力限制，深水 海底油氣資源的利用嚴(yán)重滯后。其中，海底管線的鋪設(shè)技術(shù)是深水油氣資源開(kāi)采的關(guān)鍵技 術(shù)之一。從海底管線鋪管技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，"卷管式"鋪管是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展出來(lái)海底管 線鋪設(shè)技術(shù)，該技術(shù)適合深海，高效且安全，在美國(guó)、英國(guó)、挪威等國(guó)家廣泛使用。然而，我國(guó) 對(duì)該技術(shù)的研究工作開(kāi)展的不多，目前只掌握了適合淺海鋪設(shè)的"S"型鋪管技術(shù)，制約了向 深海的發(fā)展。鑒于南海的作業(yè)環(huán)境，Reel-lay是最適合的鋪管方法，可目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針 對(duì)海洋油氣大變形管道的性能檢測(cè)裝備及評(píng)估技術(shù)，因此，發(fā)展深海鋪管技術(shù)，首先開(kāi)發(fā)必 要的檢測(cè)裝備。
[0003] 由于在Reel-lay過(guò)程中，管道需在張力作用下經(jīng)歷上卷、解卷、拉直等反復(fù)大變 形過(guò)程。焊管在大變形彎曲過(guò)程中，環(huán)焊縫由于本身殘余應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用會(huì)發(fā)生裂 紋萌生、擴(kuò)展、甚至是嚴(yán)重的斷裂，由于焊接接頭承載能力的不均勻性和焊接殘余應(yīng)力分布 的復(fù)雜性，導(dǎo)致環(huán)焊縫彎曲斷裂具有較大的隨機(jī)性和突發(fā)性，往往在安全系數(shù)下服役時(shí)就 突然發(fā)生失效，造成不可估量的損失。如何準(zhǔn)確、可靠的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)焊縫彎曲開(kāi)裂過(guò) 程、確定開(kāi)裂的位置并評(píng)估開(kāi)裂的程度具有重要的意義。因此，設(shè)計(jì)出的管道彎曲性能試驗(yàn) 裝置必須可以模擬管道的大變形彎曲，反向彎曲（三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲）等過(guò)程，且能達(dá) 到實(shí)際服役過(guò)程中的變形量，同時(shí)采用聲發(fā)射技術(shù)能對(duì)彎曲過(guò)程中管道是否開(kāi)裂進(jìn)行監(jiān)測(cè) 和評(píng)估。
[0004] 因此，開(kāi)展"卷管式"鋪管中卷管式鋪管裝備研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性， 可為我國(guó)開(kāi)發(fā)深海油氣資源開(kāi)發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，為管道的抗變形能力提供試驗(yàn)設(shè)備。所以， 針對(duì)深海油氣輸送管道"卷管式"鋪設(shè)技術(shù)的需求，研制大型整管彎管模擬裝置具有重要的 實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī) 及其方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] 大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)，包括基座、固定臺(tái)、導(dǎo)軌、矯正壓頭、彎曲壓頭、絲 杠和液壓推進(jìn)器，其中：
[0008] 導(dǎo)軌設(shè)置在基座的中央位置，在基座的兩側(cè)固定設(shè)置固定臺(tái)，用于與待測(cè)管線通 過(guò)固定法蘭進(jìn)行固定相連；矯正壓頭和彎曲壓頭設(shè)置在導(dǎo)軌中，且能夠沿著導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)， 矯正壓頭和彎曲壓頭的工作面相對(duì)；絲杠的一端與彎曲壓頭固定連接，另一端與矯正壓頭 連接，并可通過(guò)矯正壓頭外側(cè)的絲杠螺母調(diào)整彎曲壓頭和矯正壓頭之間的距離，以適應(yīng)不 同管徑的待測(cè)管線在兩個(gè)壓頭之間進(jìn)行安裝和測(cè)試；在彎曲壓頭的外側(cè)與液壓推進(jìn)器的推 進(jìn)桿固定相連。
[0009] 在上述技術(shù)方案中，液壓推進(jìn)器與液壓控制器相連。
[0010] 在上述技術(shù)方案中，矯正壓頭的工作面為平面。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，彎曲壓頭的工作面為凸面，具有不同曲率半徑，與待測(cè)管線產(chǎn) 生一個(gè)或者兩個(gè)接觸位置，以形成三點(diǎn)或者四點(diǎn)彎曲。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，在彎曲壓頭的兩側(cè)與液壓推進(jìn)器的推進(jìn)桿固定相連，以使液 壓推動(dòng)力能夠平均作用。
[0013] 在上述技術(shù)方案中，由彎曲壓頭和矯正壓頭組成的壓頭組，作用于待測(cè)管線的中 央位置。
[0014] 在上述技術(shù)方案中，在基座上設(shè)置標(biāo)尺，標(biāo)尺沿著待測(cè)管線的徑向和軸向進(jìn)行設(shè) 置，以測(cè)量待測(cè)管線的長(zhǎng)度、彎曲試驗(yàn)時(shí)的徑向彎曲量、彎曲壓頭和矯正壓頭的行走距離。
[0015] 在進(jìn)行使用時(shí)，根據(jù)待測(cè)管線的管徑大小，通過(guò)絲杠螺母和絲杠調(diào)整彎曲壓頭和 矯正壓頭之間的距離，以使其能夠容納待測(cè)管線，且彎曲壓頭的工作面與待測(cè)管線相接觸， 通過(guò)固定法蘭將待測(cè)管線的兩端與固定臺(tái)固定相連。再通過(guò)液壓推進(jìn)器的推進(jìn)桿推動(dòng)彎曲 壓頭前進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)待測(cè)管線的彎曲；彎曲試驗(yàn)后，通過(guò)推動(dòng)干的拉伸以使彎曲壓頭后退，利 用矯正壓頭對(duì)待測(cè)管線進(jìn)行回復(fù)。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)傳感器采集液壓信號(hào)，以得到力學(xué)信 號(hào)；通過(guò)標(biāo)尺采集形變信號(hào)。
[0016] 為更進(jìn)一步對(duì)管道環(huán)焊縫彎曲開(kāi)裂的檢測(cè)，在上述彎曲試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置聲發(fā)射系 統(tǒng)，包括發(fā)射采集裝置，所述聲發(fā)射采集裝置包括聲發(fā)射傳感器、信號(hào)放大器和聲發(fā)射數(shù)據(jù) 采集卡，其中：
[0017] 所述聲發(fā)射傳感器采集大變形管道環(huán)焊縫在彎曲過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射彈性波并 轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，之后輸出電壓信號(hào)至所述信號(hào)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)信號(hào)放大器輸出 的信號(hào)傳輸至所述聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡輸出的數(shù)字信 號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，再由設(shè)置在計(jì)算機(jī)中的聲發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)提 取和分析、波形和頻譜分析、彎曲開(kāi)裂的裂紋源定位分析。
[0018] 在上述技術(shù)方案中，采用信號(hào)傳輸線纜進(jìn)行聲發(fā)射傳感器、信號(hào)放大器和聲發(fā)射 數(shù)據(jù)采集卡的連接。
[0019] 在上述技術(shù)方案中，在管道環(huán)焊縫的兩側(cè)等距離的位置對(duì)稱設(shè)置聲發(fā)射傳感器， 優(yōu)選距離環(huán)焊縫lm處對(duì)稱設(shè)置且沿每側(cè)的管道環(huán)向均勻固定3個(gè)聲發(fā)射探頭，聲發(fā)射探頭 的環(huán)向間距為120°。
[0020] 在上述技術(shù)方案中，采用聲發(fā)射系統(tǒng)中常用的磁性?shī)A具進(jìn)行聲發(fā)射探頭和管道的 固定，為了降低信號(hào)衰減，所述聲發(fā)射傳感器和被測(cè)試件之間涂有耦合劑。
[0021] 在上述技術(shù)方案中，聲發(fā)射傳感器和信號(hào)放大器的數(shù)量一致，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)量為一個(gè)，即每個(gè)聲發(fā)射傳感器都采用獨(dú)立的信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后匯總到一個(gè)聲 發(fā)射數(shù)據(jù)采集卡中。
[0022] 進(jìn)行環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)時(shí)，待測(cè)管線的環(huán)焊縫位于彎曲壓頭中央位置，并與彎曲壓 頭工作面相接處。
[0023] 通過(guò)上述技術(shù)方案既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲試驗(yàn)中力學(xué)信號(hào)、形變信號(hào)，還可以針對(duì)聲 信號(hào)進(jìn)行采集和分析。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)將聲發(fā)射動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)首次應(yīng)用于大 變形管道環(huán)焊縫彎曲開(kāi)裂的在線檢測(cè)、開(kāi)裂程度評(píng)估、損傷源定位，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和 評(píng)估大變形管道環(huán)焊縫彎曲開(kāi)裂的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖），其中1為基 座，2為固定臺(tái)，3為固定法蘭，4為待測(cè)管線，5為導(dǎo)軌，6為矯正壓頭，7為彎曲壓頭。
[0025] 圖2是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖），其中1為基 座，5為導(dǎo)軌，6為矯正壓頭，7為彎曲壓頭，8為絲杜，9為推進(jìn)桿，10為液壓推進(jìn)器，11為液 壓控制器。
[0026] 圖3是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖（側(cè)視圖），其中1為基 座，2為固定臺(tái)，5為導(dǎo)軌，6為矯正壓頭，7為彎曲壓頭，8為絲杠，9為推進(jìn)桿，10為液壓推進(jìn) 器，11為液壓控制器。
[0027] 圖4是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)中采用聲發(fā)射探頭的布設(shè)示意圖 ⑴。
[0028] 圖5是本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)中采用聲發(fā)射探頭的布設(shè)示意圖 (2)，其中4為待測(cè)管線，12為聲發(fā)射探頭。
[0029] 圖6是大變形焊接管道彎曲開(kāi)裂聲發(fā)射檢測(cè)定位三維模型。
[0030] 圖7是大變形焊接管道彎曲開(kāi)裂聲發(fā)射檢測(cè)定位二維展開(kāi)圖。
[0031] 圖8是大變形焊接管道彎曲過(guò)程中聲發(fā)射幅值示意圖。
[0032] 圖9是大變形焊接管道彎曲過(guò)程中聲發(fā)射能量示意圖。
[0033] 圖10是大變形焊接管道彎曲過(guò)程中聲發(fā)射有效值RMS示意圖。
[0034] 圖11是大變形焊接管道彎曲過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度示意圖。
[0035] 圖12是大變形焊接管道彎曲開(kāi)裂聲發(fā)射定位結(jié)果的三維示意圖。
[0036] 圖13是大變形焊接管道彎曲開(kāi)裂聲發(fā)射定位結(jié)果的二維展開(kāi)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0038] 由附圖1-3所示，本發(fā)明大變形管道環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)機(jī)，包括基座、固定臺(tái)、導(dǎo) 軌、矯正壓頭、彎曲壓頭、絲杠和液壓推進(jìn)器，其中：
[0039] 導(dǎo)軌設(shè)置在基座的中央位置，在基座的兩側(cè)固定設(shè)置固定臺(tái)，用于與待測(cè)管線通 過(guò)固定法蘭進(jìn)行固定相連；矯正壓頭和彎曲壓頭設(shè)置在導(dǎo)軌中，且能夠沿著導(dǎo)軌進(jìn)行移動(dòng)， 矯正壓頭和彎曲壓頭的工作面相對(duì)；絲杠的一端與彎曲壓頭固定連接，另一端與矯正壓頭 連接，并可通過(guò)矯正壓頭外側(cè)的絲杠螺母調(diào)整彎曲壓頭和矯正壓頭之間的距離，以適應(yīng)不 同管徑的待測(cè)管線在兩個(gè)壓頭之間進(jìn)行安裝和測(cè)試；在彎曲壓頭的外側(cè)與液壓推進(jìn)器的推 進(jìn)桿固定相連。
[0040] 在上述技術(shù)方案中，液壓推進(jìn)器與液壓控制器相連。
[0041 ] 在上述技術(shù)方案中，矯正壓頭的工作面為平面。
[0042] 在上述技術(shù)方案中，彎曲壓頭的工作面為凸面，具有不同曲率半徑，與待測(cè)管線產(chǎn) 生一個(gè)或者兩個(gè)接觸位置，以形成三點(diǎn)或者四點(diǎn)彎曲。
[0043] 在上述技術(shù)方案中，在彎曲壓頭的兩側(cè)與液壓推進(jìn)器的推進(jìn)桿固定相連，以使液 壓推動(dòng)力能夠平均作用。
[0044] 在上述技術(shù)方案中，由彎曲壓頭和矯正壓頭組成的壓頭組，作用于待測(cè)管線的中 央位置。
[0045] 在上述技術(shù)方案中，在基座上設(shè)置標(biāo)尺，標(biāo)尺沿著待測(cè)管線的徑向和軸向進(jìn)行設(shè) 置，以測(cè)量待測(cè)管線的長(zhǎng)度、彎曲試驗(yàn)時(shí)的徑向彎曲量、彎曲壓頭和矯正壓頭的行走距離。
[0046] 在進(jìn)行使用時(shí)，根據(jù)待測(cè)管線的管徑大小，通過(guò)絲杠螺母和絲杠調(diào)整彎曲壓頭和 矯正壓頭之間的距離，以使其能夠容納待測(cè)管線，且彎曲壓頭的工作面與待測(cè)管線相接觸， 通過(guò)固定法蘭將待測(cè)管線的兩端與固定臺(tái)固定相連。再通過(guò)液壓推進(jìn)器的推進(jìn)桿推動(dòng)彎曲 壓頭前進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)待測(cè)管線的彎曲（產(chǎn)生1一4%的彎曲形變）；彎曲試驗(yàn)后，通過(guò)推動(dòng)干的 拉伸以使彎曲壓頭后退，利用矯正壓頭對(duì)待測(cè)管線進(jìn)行回復(fù)。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)傳感器采 集液壓信號(hào)，以得到力學(xué)信號(hào)；通過(guò)標(biāo)尺采集形變信號(hào)。
[0047] 為更進(jìn)一步對(duì)管道環(huán)焊縫彎曲開(kāi)裂的檢測(cè)，在上述彎曲試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置聲發(fā)射系 統(tǒng)，包括六通道的發(fā)射采集裝置，所述六通道的聲發(fā)射采集裝置包括聲發(fā)射傳感器、