用于高壓輸氣金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的模型試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于高壓輸氣金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的模型試驗(yàn)裝置及方法，屬于 氣體液體高壓管道輸送工程的技術(shù)與安全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓輸氣管道在運(yùn)行過程中，因管內(nèi)壓力變化、管道材料疲勞或受損，以及外部作 用等原因，導(dǎo)致管道在某處產(chǎn)生管壁裂紋進(jìn)而出現(xiàn)長距離擴(kuò)展，不僅會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失 和環(huán)境污染，還將形成地面人員傷亡、建筑物及設(shè)施破壞受損等災(zāi)難性事故。因此，為盡量 減小損失、加快事故發(fā)生后的搶修進(jìn)程，國內(nèi)外廣泛開展了大口徑高壓金屬管道的裂縫形 成及擴(kuò)展的力學(xué)行為研究。研究表明，結(jié)構(gòu)性止裂控制是輸氣金屬管道延性止裂的有效控 制方法，而高壓金屬管爆破試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)性止裂控制的重要手段。
[0003] 高壓輸氣管道氣壓爆破全尺寸原型試驗(yàn)需耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，且對(duì)試 驗(yàn)環(huán)境和場地的要求非常嚴(yán)格和苛刻，試驗(yàn)一旦失誤將造成重大損失。為確保全尺寸原型 試驗(yàn)的成功、降低試驗(yàn)成本，應(yīng)開展基于原型試驗(yàn)的小規(guī)模模型試驗(yàn)。本發(fā)明提出模型試驗(yàn) 的方法和流程，針對(duì)相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測試，獲得的管內(nèi)減壓波、裂紋起裂與擴(kuò)展，以 及管外沖擊波壓力場、管外地震波振動(dòng)場等參量測試和形成的測試方法與步驟，對(duì)于模型 試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供一種重要方法，對(duì)原型試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析也具有參考作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種用于高壓輸氣金屬 管氣壓爆破試驗(yàn)的模型試驗(yàn)裝置及方法，通過小模型測試金屬管氣壓爆破各種力學(xué)性能， 對(duì)全尺寸的原型進(jìn)行指導(dǎo)，節(jié)約人力物力，也提高了安全性。
[0005] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種用于高壓輸氣金屬管氣壓爆破試 驗(yàn)的模型試驗(yàn)裝置，包括金屬管、時(shí)間探針單元和將動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)，所述金屬管的兩端 安裝有封閉金屬管的堵頭，在金屬管管壁上安裝有若干個(gè)時(shí)間探針單元，在金屬管的中心 安裝有初始裂縫引入裝置，在金屬管一端安裝有壓力傳感器，在金屬管另一端安裝有溫度 傳感器，金屬管還與加壓系統(tǒng)連接;在地面上設(shè)有若干個(gè)自由場壓力傳感器和地面振動(dòng)傳 感器，在垂直金屬管軸線方向上安裝有高速攝影機(jī)，若干個(gè)時(shí)間探針單元、溫度傳感器、壓 力傳感器和地面振動(dòng)傳感器分別通過信號(hào)屏蔽電纜與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)連接，若干個(gè)自由 場壓力傳感器通過低噪聲同軸電纜與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)連接，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)輸出端與 計(jì)算機(jī)連接。
[0006] 作為優(yōu)選，所述金屬管位于地面上的管槽內(nèi)，管槽通過兩端的鋼筋混泥土錨固器 將金屬管固定，在管槽兩側(cè)地面上設(shè)有兩組摩擦粧，柔性索纏繞金屬管，柔性索的兩端分別 固定在金屬管兩側(cè)的摩擦粧上。
[0007] 作為優(yōu)選，在安裝壓力傳感器的金屬管截面外壁布置8個(gè)應(yīng)變片，8個(gè)應(yīng)變片分別 通過信號(hào)屏蔽電纜與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)連接。
[0008] 作為優(yōu)選，所述8個(gè)應(yīng)變片沿金屬管截面的22.5°、45°、90°、135°、225°、270°、 315°、337.5°分布，其中正對(duì)金屬管頂部為0°，順時(shí)針增大。
[0009] 作為優(yōu)選，所述自由場壓力傳感器有六個(gè)，分別在垂直金屬管軸向和與軸向成45° 夾角的方向，距離起裂點(diǎn)5m、10m、15m位置布置。
[0010] 作為優(yōu)選，所述地面振動(dòng)傳感器有六個(gè)，分別在垂直金屬管軸向和與軸向成45°夾 角的方向，距離起裂點(diǎn)l〇m、20m、30m位置布置。
[0011] 作為優(yōu)選，所述溫度傳感器位于金屬管長度1/3處，壓力傳感器位于金屬管長度1/ 4處，壓力傳感器安裝在偏離裂紋擴(kuò)展線30°的截面位置。
[0012] 作為優(yōu)選，所述初始裂縫引入裝置引入的初始裂紋長度必須大于2c，其中：
[0013]
[0014]
[0015] 式中A。為夏比沖擊試樣裂紋的面積，通常為8Xl(T5m2;Cv為管材夏比沖擊吸收功， 單位J;c為初始裂縫長度的一半，單位mm;E為管材楊氏模量，單位Pa; 〇。為金屬管的流變應(yīng) 力、金屬管屈服應(yīng)力〇s和拉伸強(qiáng)度的平均值，單位Pa; 〇h為金屬管的環(huán)向應(yīng)力，單位Pa;Mt 為膨脹因子;R為金屬管半徑，單位mm; t為金屬管壁厚，單位mm。
[0016] 作為優(yōu)選，所述時(shí)間探針單元為直徑0.2mm~0.8mm、長度為金屬管外壁面周長的 漆包銅線，時(shí)間探針單元中心位于初始裂紋所在的管壁母線上，時(shí)間探針單元繞金屬管截 面180°安裝在金屬管外壁面上，垂直于管壁母線，時(shí)間探針單元在管壁上的布置間距為D/3 ~D，D為金屬管直徑，所述時(shí)間探針單元沿管壁用502膠固定，再用環(huán)氧樹脂粘貼膠將時(shí)間 探針單元覆蓋。
[0017] -種如上述的用于高壓輸氣金屬管氣壓爆破試驗(yàn)的模型試驗(yàn)方法，包括以下步 驟；
[0018] (1)選擇合適的金屬管韌性：金屬管的韌性值范圍可通過下式計(jì)算：Cv = kX 〇h2 (Rt)V3,式中Cv為金屬管夏比沖擊吸收功，單位J;〇h為金屬管環(huán)向應(yīng)力，單位MPa;R為金屬管 半徑，單位mm;t為金屬管壁厚，單位mm;k為常數(shù)，3.57ΧΠΓ 5。為實(shí)現(xiàn)裂紋長距離擴(kuò)展，試驗(yàn) 金屬管的韌性應(yīng)小于Cv;
[0019] (2)確定金屬管的管內(nèi)目標(biāo)壓力：管內(nèi)目標(biāo)壓力可根據(jù)下式進(jìn)行核算確定：
，式中P為管內(nèi)目標(biāo)壓力，單位MPa; 〇s為金屬管屈服應(yīng)力，單位MPa; 1為管 內(nèi)壓力設(shè)計(jì)系數(shù)，取0.68~0.8; t為金屬管壁厚，單位m; R為金屬管半徑，單位m;
[0020] (3)確定金屬管初始裂紋長度:初始裂縫的長度通過以下公式得出：
[0021]
[0022]
[0023] 式中A。為夏比沖擊試樣裂紋的面積，通常為8Xl(T5m2;Cv為管材夏比沖擊吸收功， 單位J;c為初始裂縫長度的一半，單位mm;E為管材楊氏模量，單位Pa; 〇。為金屬管的流變應(yīng) 力、金屬管屈服應(yīng)力〇s和拉伸強(qiáng)度的平均值，單位Pa; 〇h為金屬管的環(huán)向應(yīng)力，單位Pa;Mt 為膨脹因子;R為金屬管半徑，單位mm;t為金屬管壁厚，單位mm，為實(shí)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展，引入初 始裂縫的長度必須大于2c;
[0024] (4)安裝試驗(yàn)系統(tǒng):將應(yīng)變片、壓力傳感器、溫度傳感器、時(shí)間探測單元安裝在金屬 管上，金屬管兩端焊接上堵頭，將金屬管放置在管槽內(nèi)固定，合理布置自由場壓力傳感器和 地面振動(dòng)傳感器，連接動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；
[0025] (5)選擇試驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。
[0026] 在本發(fā)明中，金屬管氣壓爆破試驗(yàn)具有產(chǎn)生強(qiáng)沖擊與振動(dòng)荷載等特性，為防止金 屬管出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象，試驗(yàn)金屬管需具有一定強(qiáng)度和韌性。因此，試驗(yàn)金屬管應(yīng)選擇含碳 量適中，強(qiáng)度、塑性和焊接等綜合性能較好的無縫鋼管。為便于模型試驗(yàn)的實(shí)施，同時(shí)考慮 相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)獲取所需的條件，試驗(yàn)選用金屬管的管徑宜為〇. 3~0.6m，長度宜為3~10m， 壁厚宜為8~12_。試驗(yàn)溫度對(duì)管材的止裂韌性有較大影響，隨著溫度的升高管材的韌性相 應(yīng)增加。溫度過高金屬管易發(fā)生止裂，過低則出現(xiàn)脆斷。根據(jù)材料韌脆轉(zhuǎn)換特性，試驗(yàn)的溫 度宜為10°C~30°C。
[0027] 在本發(fā)明中，所述堵頭厚度為1~1.5倍所述金屬管壁厚，并通過焊接方式與所述 金屬管內(nèi)壁連接;所述堵頭外壁焊接井字型加強(qiáng)筋，同時(shí)與所述金屬管內(nèi)壁焊接。
[0028] 為測試相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)需在金屬管上設(shè)置時(shí)間探針單元、壓力傳感器、溫度傳感器、 應(yīng)變片，以及管外的自由場空氣壓力、地面振動(dòng)傳感器和高速攝影儀等測試單元，并通過高 頻信號(hào)傳輸電纜與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而構(gòu)建一個(gè)多通道高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)測試系 統(tǒng)。
[0029] 在本發(fā)明中，加壓系統(tǒng)包括空氣壓縮裝置、加壓與泄壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置、高壓輸氣管 單元以及實(shí)時(shí)壓力監(jiān)控單元組成。加壓與泄壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置安裝在距金屬管道端部0.3~ 0.5m位置處;空氣壓縮裝置設(shè)置在距金屬管100~150倍管徑范圍內(nèi)；實(shí)時(shí)壓力監(jiān)控單元安 裝在空氣壓縮裝置上;空氣壓縮裝置通過高壓輸氣管單元與金屬管連接。
[0030] 在本發(fā)明中，管槽在試驗(yàn)地域的巖土介質(zhì)中開挖而成，主要用于設(shè)置和約束試驗(yàn) 管道，其尺寸由試驗(yàn)管道的直徑、長度等確定;錨固器由鋼筋混凝土澆筑而成，設(shè)置在金屬 管兩端，用于限制金屬管在泄壓過程的軸向運(yùn)動(dòng);摩擦粧-柔性索由鋼筋混凝土粧(金屬管） 和柔