本發(fā)明涉及一種縮比尺海洋管道拉壓疲勞載荷下的流動(dòng)腐蝕試驗(yàn)裝置，利用該裝置可以實(shí)現(xiàn)縮比尺管道試件內(nèi)部流場(chǎng)和軸向循環(huán)拉壓載荷的聯(lián)合作用，近似模擬服役期間立管和海底管道在管內(nèi)流場(chǎng)和軸向拉壓疲勞載荷下的受力情況，探究軸向拉壓疲勞載荷與不同流場(chǎng)條件下的立管和海底管道的內(nèi)腐蝕機(jī)理和疲勞可靠性，預(yù)測(cè)管道服役期間的疲勞和腐蝕的危險(xiǎn)點(diǎn)。

背景技術(shù)：

隨著世界各國(guó)對(duì)能源的需求日漸增大和陸上石油的日益枯竭，人們將焦點(diǎn)投向了海洋。從上個(gè)世紀(jì)四十年代的第一條海底管道的鋪設(shè)至今，海洋油氣資源的勘探和開發(fā)技術(shù)已經(jīng)從淺海走向深海，并在諸多海域都建設(shè)了海洋平臺(tái)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)。但是海洋在帶給人類巨大福利的同時(shí)也蘊(yùn)藏著危險(xiǎn)，復(fù)雜的海況條件和腐蝕流動(dòng)介質(zhì)等無不在損耗著海洋結(jié)構(gòu)物。每年因疲勞和腐蝕失效的海洋結(jié)構(gòu)物都不在少數(shù)，其中尤以海底管道和立管居多。一旦海洋管道失效，將造成難以彌補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損失。因此，針對(duì)海底管道和立管的腐蝕機(jī)理和疲勞可靠性的研究具有重要意義。

海底管道和立管是海洋油氣資源開發(fā)系統(tǒng)的生命線，因其過于細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以也是該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。相較于陸上的輸送管道，海底管道除了內(nèi)部有高速的油氣混合流體通過外，還在管道外部受到復(fù)雜的波流載荷、地震、軸向力等的作用。海洋立管是連接海底井口和海上結(jié)構(gòu)物并進(jìn)行油氣開發(fā)和輸送的唯一途徑，在運(yùn)營(yíng)期間始終受到外壓、海洋波面和立管上部浮體的升沉運(yùn)動(dòng)引起的軸向循環(huán)拉壓載荷的作用。軸向循環(huán)載荷和內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)是深水管道腐蝕和疲勞失效的重要來源，在海底管道和立管設(shè)計(jì)中都是不可忽略的因素。

縮尺比管道疲勞和腐蝕試驗(yàn)是探究這類問題的有效途徑，國(guó)內(nèi)外的大量研究成果都表明，縮尺比管道和實(shí)際管道在滿足幾何尺寸相似、動(dòng)力相似和流動(dòng)模型相似的條件下，縮尺比的試驗(yàn)結(jié)果可以應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。本發(fā)明的試驗(yàn)裝置可以用于各種形式的深水縮尺比管道，如變截面管道、帶閥門的管道、直管和彎管等，以此來研究不同管道位置的內(nèi)腐蝕和疲勞情況。該裝置能夠模擬不同的管道內(nèi)部流場(chǎng)情況，研究流速、溫度、輸送介質(zhì)等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。在管內(nèi)輸送流體的同時(shí)，裝置可以施加軸向循環(huán)拉壓載荷，來分析管內(nèi)流場(chǎng)和軸向疲勞載荷耦合作用下的管道內(nèi)腐蝕和疲勞情況。該裝置還允許同時(shí)進(jìn)行兩根管道試件的試驗(yàn)，形成對(duì)比試驗(yàn)。

已有的疲勞和腐蝕試驗(yàn)裝置大多是針對(duì)單一的應(yīng)力場(chǎng)或者流場(chǎng)，不能對(duì)多場(chǎng)耦合作用下的海洋管道的疲勞和腐蝕行為展開研究。而一些循環(huán)應(yīng)力下的流動(dòng)腐蝕裝置，雖然能在流場(chǎng)中給試件施加循環(huán)載荷，但只是針對(duì)金屬試片。金屬試片不同表面的腐蝕情況會(huì)相互影響，無法適用于內(nèi)外表面隔絕開來的管道，其流場(chǎng)條件也無法模擬海洋管道的輸送介質(zhì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種可模擬不同的管道內(nèi)部流動(dòng)情況、管道形式和軸向循環(huán)拉壓載荷下的海洋管道疲勞和腐蝕情況的縮尺比海洋管道軸向拉壓疲勞載荷下的流動(dòng)腐蝕試驗(yàn)裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種縮比尺海洋管道軸向疲勞載荷下的流動(dòng)腐蝕試驗(yàn)裝置，包括水箱1、調(diào)速水泵2、流體輸入管段3、固支法蘭5、荷載試驗(yàn)管件6、對(duì)照試驗(yàn)管件7、承力法蘭9、軸向拉壓載荷施加裝置10、流體輸出管段11，其中，

流體輸入管段3通過第一三通接頭實(shí)現(xiàn)對(duì)通過調(diào)速水泵2抽吸的水箱1里的流體的分流，流體輸出管段11通過第二三通接頭實(shí)現(xiàn)對(duì)流通到荷載試驗(yàn)管件6和對(duì)照試驗(yàn)管件7的流體的匯流，荷載試驗(yàn)管件6的一端通過固支法蘭5與流體輸入管段3相連，另一端通過承力法蘭9與流體輸出管段11相連；

軸向拉壓載荷施加裝置10包含傳力框架25、拉壓彈簧27、曲軸連桿機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)23，曲軸連桿機(jī)構(gòu)包括圓柱形滑塊28、連桿24、飛輪22、滑塊銷26和曲軸29，圓柱形滑塊28一端實(shí)心，與拉壓彈簧27固定連接；另一端空心，內(nèi)部設(shè)置一根中間截面較小的變截面滑塊銷26，與兩端帶有圓環(huán)的連桿24相接；曲軸29的一端與連桿相連，另一端與受伺服電機(jī)23驅(qū)動(dòng)的飛輪22相連；圓柱形滑塊28的外部設(shè)有固定滑筒21，用以限制滑塊只能做直線運(yùn)動(dòng)；U型傳力框架25一端與承力法蘭9固定連接，另一端與拉壓彈簧27固定連接；通過此裝置施加軸向疲勞拉壓載荷，并且載荷的大小和頻率都可調(diào)。

作為另一種實(shí)施方式，對(duì)照試驗(yàn)管件7的一端通過固支法蘭與流體輸入管段3相連，另一端通過承力法蘭與流體輸出管段11相連，承力法蘭與另一套軸向拉壓載荷施加裝置相連。

流體輸出管段11最好采用帶軟管接頭20的PVC軟管19和PVC直管12相結(jié)合的方式；流體輸入管段3最好采用PVC直管。

本發(fā)明針對(duì)海洋管道，提供了一種縮比尺海洋管道拉壓疲勞載荷下的流動(dòng)腐蝕試驗(yàn)裝置，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：

(1)實(shí)現(xiàn)縮比尺管道在管內(nèi)流場(chǎng)和軸向拉壓疲勞載荷的聯(lián)合作用下的疲勞和內(nèi)腐蝕試驗(yàn)，真實(shí)模擬海底管道和立管在服役期間的作業(yè)環(huán)境，為海洋管道的設(shè)計(jì)和檢測(cè)提供參考數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)情況的控制，研究不同輸送介質(zhì)、流速等對(duì)管道內(nèi)腐蝕的影響。

(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管道形式的模擬，如變截面管、帶閥門的管道、直管和彎管等，預(yù)測(cè)海洋管道疲勞和腐蝕的危險(xiǎn)點(diǎn)，指定更有針對(duì)性的檢測(cè)計(jì)劃。

(4)可以同時(shí)進(jìn)行兩組縮比尺管道試驗(yàn)，滿足試驗(yàn)對(duì)比要求。

(5)裝置簡(jiǎn)單，適用于多種管道流動(dòng)腐蝕和疲勞試驗(yàn)。

附圖說明

圖1整體布置圖

圖中標(biāo)號(hào)說明：1—水箱；2—調(diào)速水泵；3—流體輸入管段；4—法蘭；5—固支法蘭；6—荷載試驗(yàn)管件；7—對(duì)照試驗(yàn)管件；8—管托；9—承力法蘭；10—軸向拉壓載荷施加裝置；11—流體輸出管段

圖2流體輸入管道段

圖中標(biāo)號(hào)說明：4—法蘭；12—PVC直管；13—管道彎頭；14—水閥；15—流量計(jì)；16—三通接頭；17—螺母；18—螺栓

圖3流體輸出管道段

圖中標(biāo)號(hào)說明：12—PVC直管；13—管道彎頭；14—水閥；15—流量計(jì)；16—三通接頭；19—PVC軟管；20—軟管接頭

圖4軸向拉壓載荷施加裝置

圖中標(biāo)號(hào)說明：21—固定滑筒；22—飛輪；23—伺服電機(jī)；24—連桿；25—傳力框架；29—曲軸

圖5去除固定滑筒的軸向拉壓載荷施加裝置

圖中標(biāo)號(hào)說明：22—飛輪；23—伺服電機(jī)；24—連桿；25—傳力框架；26—滑塊銷；27—拉壓彈簧；28—滑塊；29—曲軸

具體實(shí)施方式

如圖1所示，縮比尺海洋管道軸向拉壓疲勞載荷下的流動(dòng)腐蝕試驗(yàn)裝置主要包括：水箱1、調(diào)速水泵2、流體輸入管段3、法蘭4、固支法蘭5、荷載試驗(yàn)管件6、對(duì)照試驗(yàn)管件7、管托8、承力法蘭9、軸向拉壓載荷施加裝置10、流體輸出管段11。流體輸入管段3和流體輸出管段11一端與水箱1連通，另一端采用法蘭與試驗(yàn)管件連接，構(gòu)成管內(nèi)流體通道。水箱1中的試驗(yàn)流體根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)換。調(diào)速水泵2控制由水泵進(jìn)入流體輸入管段3的流體流速，試驗(yàn)流體經(jīng)流體輸入管段3進(jìn)入試驗(yàn)管件6、7，并由流體輸出管段11流入水箱，構(gòu)成循環(huán)。整個(gè)管內(nèi)流場(chǎng)流速、輸送介質(zhì)可控。而且，當(dāng)流體輸出管段11和流體輸入管道3上的水閥14依次關(guān)閉時(shí)，可使試驗(yàn)管件內(nèi)充滿靜止流體，研究靜止流場(chǎng)下的管道疲勞和內(nèi)腐蝕試驗(yàn)。固支法蘭5由法蘭和法蘭固定座焊接而成，使試驗(yàn)管件在來流端保持固定。帶柄的承力法蘭9與軸向拉壓載荷施加裝置10焊接，保證在管內(nèi)流場(chǎng)下能夠?qū)υ囼?yàn)管道施加軸向拉壓載荷。裝置高出地面的管段和試驗(yàn)管件6、7下方安放管托8，使整個(gè)裝置足夠穩(wěn)定，保持管內(nèi)流場(chǎng)不受影響，避免重力因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

如圖2所示，流體輸入管段3包含兩個(gè)管道彎頭13和一個(gè)三通16，在PVC直管12上設(shè)置了開孔，用來安裝水閥14和流量計(jì)15。流體輸入管段3上的水閥14進(jìn)一步控制流入試驗(yàn)管件6、7的試驗(yàn)流體的流速，流速大小由流量計(jì)15的讀值獲取。流體輸入管段3設(shè)置三通16，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入流場(chǎng)的分流，可以進(jìn)行各種對(duì)比試驗(yàn)，探究不同流速對(duì)管道內(nèi)腐蝕的影響，軸向拉壓載荷下管內(nèi)流場(chǎng)對(duì)管道疲勞損傷的耦合作用等。

如圖3所示，流體輸出管段11包含兩個(gè)管道彎頭13和一個(gè)三通16，在PVC直管12上開孔安裝水閥14和流量計(jì)15，PVC軟管19端頭帶有軟管接頭20。PVC軟管19允許位移，避免對(duì)軸向拉壓載荷的影響，軟管長(zhǎng)度可根據(jù)試驗(yàn)管件的長(zhǎng)度和試驗(yàn)的其它需要進(jìn)行調(diào)整。

如圖4和圖5所示，軸向拉壓載荷施加裝置10由伺服電機(jī)23、拉壓彈簧27、傳力框架25和曲軸連桿機(jī)構(gòu)組成。曲軸連桿機(jī)構(gòu)由圓柱形滑塊28、連桿24、飛輪22、滑塊銷26和曲軸29組成。圓柱形滑塊28一端實(shí)心，與拉壓彈簧27焊接；另一端空心，內(nèi)部設(shè)置一根中間截面較小的圓柱形變截面滑塊銷26，與帶拉環(huán)的連桿24相接。曲軸29焊在飛輪22上，連桿24的另一端通過拉環(huán)與曲軸29連接，連接方式同滑塊銷26相同，由此限制連桿的左右位移。拉壓彈簧27的另一端與傳力框架25焊接?；瑝K28外部設(shè)有一固定在地面的固定滑筒21，使滑塊只能在滑筒內(nèi)做直線運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)23接收特定的電流信號(hào)開始工作，帶動(dòng)飛輪22的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過曲軸29和連桿24使滑塊28在固定滑筒21內(nèi)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使拉壓彈簧27拉伸或壓縮，并借由剛性的傳力框架25傳到承力法蘭9和試驗(yàn)管件上，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)管件軸向疲勞拉壓載荷的施加。軸向拉壓載荷施加裝置10可以根據(jù)試驗(yàn)需要添加到試驗(yàn)管件7上，安裝方式和試驗(yàn)管件6相同，以實(shí)現(xiàn)不同載荷幅值和頻率等的對(duì)比試驗(yàn)。軸向載荷的頻率由伺服電機(jī)23控制，載荷的幅值由拉壓彈簧的剛度控制。

在進(jìn)行具體試驗(yàn)時(shí)，先打開流體輸入管段3和流體輸出管段11上的水閥，接通調(diào)速水泵2，使試驗(yàn)流體進(jìn)入循環(huán)管道通道，待流量計(jì)15讀數(shù)穩(wěn)定后，關(guān)閉調(diào)速水泵2和所有水閥14。檢查好裝置的密封性后，根據(jù)具體試驗(yàn)方案決定是否重新接通調(diào)速水泵2和打開特定管段上水閥。需要施加軸向疲勞載荷的試驗(yàn)接通伺服電機(jī)23，經(jīng)由曲軸連桿機(jī)構(gòu)和拉壓彈簧27對(duì)試驗(yàn)管件6或7進(jìn)行特定載荷形式的施加。試驗(yàn)管件與實(shí)際管件滿足幾何相似，軸向拉壓載荷根據(jù)管道在海洋中的實(shí)際受力情況進(jìn)行計(jì)算，管內(nèi)流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)的流動(dòng)形式相同(層流或者紊流)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉調(diào)速水泵2和伺服電機(jī)，待管內(nèi)流體流出后卸下試驗(yàn)管件，剖開試驗(yàn)管件，觀察管件內(nèi)外表面的疲勞情況和內(nèi)表面的腐蝕情況，量取疲勞裂紋長(zhǎng)度和腐蝕深度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。