CN105547859A - 一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置及方法 - Google Patents

一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置及方法，包括底座，分别设置在底座两端的用于给试验管道的两端提供下压力矩的外压杆组件、设置在底座中部设有两组液压机构。外压杆组件模拟试验管道受到弯矩时所受荷载；两组液压机构用于模拟试验管道在受到振动的状态。试验管道的一端密封，另一端连接加压***，加压***给试验管道内提供气压或者液压，用于模拟天然气管道内输送的气体或者液体；两组液压机构和加压***分别信号连接工控计算机。本试验装置满足了燃气管道的性能和寿命测试的要求，为燃气管道性能和寿命测试项目，提供了模拟燃气管道受竖向振动荷载和弯矩加载的试验的平台。

Description

一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及管道性能和寿命测试的试验装置，尤其涉及一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置及方法。
背景技术
随着现代化建设的程度越来越高，生命线***也变得日益复杂，而天燃气输气管道***更是其中的重要***之一。因管道使用环境复杂性，在铺设过程中有可能会产生一定的弯曲，还有管道使用过程中地形变动等因素也会导致管道产生过大弯曲变形而造成一定的损坏。另外，管道长期承受来自路面和地下来来往往的交通工具或者工程施工等因素引起的振动荷载，还有地震等外力作用也可以引起管道的振动,都会对管道的疲劳寿命有很大影响。管道工作时，管内流动的介质的压力、流速等因素的波动，也同样会引起管道的振动。所以，在管道的弯曲变形、振动荷载以及管到压力等因素的相互作用下，管道的性能和寿命必然会受到一定的影响。为了继续给用户提供安全和可靠的气体能源，保障生命线***的正常运行，在模拟燃气管道受到振动荷载、弯矩荷载情况下，对燃气管道进行不同缺陷程度和不同内压下的性能和疲劳测试，研究这些因素对管线性能和寿命的影响具有重要意义。
电液伺服控制***具有良好的控制性能和鲁棒性，常被用来实现电液位置、速度、加速度和力的控制；能远距离输入电信号，实现连续、成比例控制，输出的液压功率大、惯性小、精度高、响应速度快；在工程中得到了广泛的应用。因此，可以用电液伺服***来模拟竖向振动荷载。在此基础上，开发一种天然气管道的施加振动和弯矩荷载的试验装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、操作方便、运行稳定的模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置及方法。进而对天然气管在外力作用下的性能和疲劳寿命进行测试。
本发明通过下述技术方案实现：
一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，包括底座2；分别设置在底座2两端的用于给试验管道1的两端提供下压力矩的外压杆组件3，以模拟试验管道1受到弯矩荷载时的弯曲变形；
设置在底座2中部设有两组液压机构4，试验管道1承载在两组液压机构4上并通过紧固件与之固定连接；所述两组液压机构4用于模拟试验管道1在受到振动的状态；
试验管道1的一端密封，另一端连接加压***，加压***给试验管道1内提供气压或者液压，用于模拟天然气管道内输送的气体或者液体；
两组液压机构4和加压***分别信号连接工控计算机9。
所述液压机构4包括，液压缸4.1、位移传感器8、电液伺服阀6、液压油源控制***5和振动控制器7；
所述液压缸4.1的上油腔和下油腔分别通过管路连接电液伺服阀6，所述电液伺服阀6通过管路连接液压油源控制***5；
所述位移传感器8、电液伺服阀6和液压油源控制***5分别与振动控制器7信号连接；所述振动控制器7信号连接工控计算机9；所述工控计算机9通过对振动控制器7的控制，使液压缸4.1的活塞杆完成所需伸缩行程、伸缩速度和伸缩频率，以模拟试验管道1在受到振动时的状态。
所述加压***包括压缩机10、增压泵11、压力控制器12、第一压力传感器13、第二压力传感器14；
所述压缩机10通过工质输送管连接试验管道1的未密封端，所述增压泵11设置于工质输送管的管路上，在压缩机10至增压泵11的工质输送管管路上设有第一压力传感器13，在增压泵11至连接试验管道1的工质输送管管路上设有第二压力传感器14；
所述第一压力传感器13和第二压力传感器14分别与压力控制器12信号连接；所述压力控制器12信号连接工控计算机9；
所述外压杆组件3包括外压杆3.1、外压板3.2、丝杠3.3、丝杠连接板3.4；
所述外压杆3.1的下端连接底座2的端部，外压杆3.1的上端依次穿过外压板3.2和丝杠连接板3.4；所述外压板3.2置于试验管道1的上方；所述丝杠3.3设置在丝杠连接板3.4的中部，丝杠3.3与丝杠连接板3.4之间采用螺纹配合；当转动丝杠3.3使其向下运动时，使试验管道1的两端向下运动发生弯曲变形，以模拟试验管道1在受到弯矩荷载时的弯曲变形测试。
所述试验管道1承载在两组液压机构4上并通过紧固件与之固定连接，其中，该紧固件包括固定在液压缸4.1的活塞杆端部的支撑弯模4.3和卡扣4.4，所述试验管道1被限制在支撑弯模4.3于卡扣4.4之间。
所述支撑弯模4.3和卡扣4.4与试验管道1的接触面为面接触。
一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的方法，具体包括如下步骤。
模拟试验管道1受到弯矩荷载时的弯曲变形步骤：
由位于底座2两端的外压杆组件3对试验管道1两端施加载荷使其弯曲变形，即外压板3.2压在试验管道1的上表面，通过旋转丝杠3.3的端部与外压板3.2相抵，并使其推动试验管道1向下运动，从而使试验管道1的两端向下运动发生弯曲变形；完成模拟试验管道1受到弯矩荷载时的弯曲变形测试；
模拟试验管道1内压测试步骤：
按照试验要求，在工控计算机9输入对应指令，控制压缩机10和增压泵11对试验管道1内进行加压，加压是指气压或者液压；通过第一压力传感器13和第二压力传感器14监测和反馈压力信息，压力控制器12根据监测和反馈到的压力信息，对加压***进行调节，使试验管道1内的液体或者气体压力达到试验要求并保持稳定；完成模拟试验管道1内压测试；
模拟试验管道1在受到振动时的步骤：
在工控计算机9输入试验要模拟的振动波形的控制信号，工控计算机9给电液伺服阀6发出控制信号，控制两组液压缸4.1动作，即控制液压缸4.1的活塞杆完成所需的伸缩速度和伸缩频率动作，驱动试验管道1发生振动；同时，利用位移传感器8对液压缸4.1活塞杆的伸缩行程进行监测和反馈，工控计算机9根据反馈信号进行活塞杆的位置伺服控制，使液压缸4.1有稳定的输出，并得到实验所需要的波形图；完成模拟试验管道1在受到振动时的测试。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明通过外压杆组件3，以模拟试验管道1受到弯荷载矩时的弯曲变形；
通过两组液压机构4，以模拟试验管道1在受到振动的状态；通过加压***，以模拟天然气管道内输送的气体或者液体；
本发明能够按照试验要求使试验管道1产生不同程度的弯曲，实现不同波形的振动波模拟，以及能按照试验要求对试验管道1内部施加不同的压力，并对试验数据的实时采集和处理，同时能通过对液压缸4.1、位移传感器8、电液伺服阀6、液压油源控制***5和振动控制器7等的控制，进行波形调节和压力调节；采用电液伺服控制***模拟振动荷载，具有良好的控制性能和鲁棒性，能远距离输入电信号，实现连续、成比例控制，输出的液压功率大、惯性小、精度高、响应速度快。
本发明通过试验管道1满足了燃气管道的性能和寿命测试的要求，为燃气管道性能和寿命测试项目，提供了模拟燃气管道受竖向振动荷载和弯矩加载的试验的平台。从而对天然气管道的性能和疲劳寿命进行测试和评估，确保施工时，可提供性能可靠、安全的天然气管道。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明局部立体结构示意图。
图3为本发明液压油源***结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至3所示。本发明公开了一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，包括底座2；分别设置在底座2两端的用于给试验管道1的两端提供下压力矩的外压杆组件3，以模拟试验管道1受到弯矩荷载时的弯曲变形；
设置在底座2中部设有两组液压机构4，试验管道1承载在两组液压机构4上并通过紧固件与之固定连接；所述两组液压机构4用于模拟试验管道1在受到振动的状态；
试验管道1的一端密封，另一端连接加压***，加压***给试验管道1内提供气压或者液压，用于模拟天然气管道内输送的气体或者液体；
两组液压机构4和加压***分别信号连接工控计算机9。
所述液压机构4包括，液压缸4.1、位移传感器8、电液伺服阀6、液压油源控制***5和振动控制器7。所述液压缸4.1的上油腔和下油腔分别通过管路连接电液伺服阀6，所述电液伺服阀6通过管路连接液压油源控制***5。所述位移传感器8、电液伺服阀6和液压油源控制***5分别与振动控制器7信号连接；所述振动控制器7信号连接工控计算机9；所述工控计算机9通过对振动控制器7的控制，使液压缸4.1的活塞杆完成所需伸缩行程、伸缩速度和伸缩频率，以模拟试验管道1在受到振动时的状态。
所述加压***包括压缩机10、增压泵11、压力控制器12、第一压力传感器13、第二压力传感器14；
所述压缩机10通过工质输送管连接试验管道1的未密封端，所述增压泵11设置于工质输送管的管路上，在压缩机10至增压泵11的工质输送管管路上设有第一压力传感器13，在增压泵11至连接试验管道1的工质输送管管路上设有第二压力传感器14；
所述第一压力传感器13和第二压力传感器14分别与压力控制器12信号连接；所述压力控制器12信号连接工控计算机9；
所述外压杆组件3包括外压杆3.1、外压板3.2、丝杠3.3、丝杠连接板3.4；
所述外压杆3.1的下端连接底座2的端部，外压杆3.1的上端依次穿过外压板3.2和丝杠连接板3.4；所述外压板3.2置于试验管道1的上方；所述丝杠3.3设置在丝杠连接板3.4的中部，丝杠3.3与丝杠连接板3.4之间采用螺纹配合；当转动丝杠3.3使其向下运动时，使试验管道1的两端向下运动发生弯曲变形，以模拟试验管道1在受到弯矩荷载时的弯曲变形测试。
所述试验管道1承载在两组液压机构4上并通过紧固件与之固定连接，其中，该紧固件包括固定在液压缸4.1的活塞杆端部的支撑弯模4.3和卡扣4.4，所述试验管道1被限制在支撑弯模4.3于卡扣4.4之间。
所述支撑弯模4.3和卡扣4.4与试验管道1的接触面为面接触。
本发明液压油源控制***5的液压原理如图3所示。图中：油箱5.1、液压泵5.3、安全阀5.9、卸荷阀5.10、调压阀5.11、电液伺服阀6和液压缸4.1，构成伺服控制回路。
电液伺服阀6为三位四通伺服阀，其四个接口分别与油箱5.1、液压泵5.3、液压缸4.1的上腔和下腔，即上油腔和下油腔连接，其中进油口与液压泵5.3通过单向阀5.5连接。电液伺服阀6的的开口情况由工控计算机9控制，通过控制电液伺服阀6的开口情况，可对液压缸4.1的活塞杆运动进行无极调速和改变运动方向；
本实施例中，采用电液比例溢流阀作为安全阀5.9，其安全压力值由工控计算机9给定的电信号决定。安全阀5.9的进油口与液压泵5.3连接，出油口与油箱5.1连接。采用两位两通电磁阀作为卸荷阀5.10，其卸荷信号是由工控计算机9给定的电信号决定。卸荷阀5.10的进油口与安全阀5.9的控制端口连接，出油口与油箱5.1连接，当其接受到卸荷信号时，卸荷阀5.10接通，从而控制安全阀5.9油路接通直接卸荷。
本实施例中，采用电液比例溢流阀作为调压阀5.11，其压力信号值由工控计算机9给定的电信号决定；调压阀5.11的进油口与液压泵5.3通过单向阀5.5连接，出油口与油箱5.1连接。
为了能够监测液压缸4.1活塞杆动作的位置以便于工控计算机9发出相应的控制信号，在液压缸顶部还同时安装了位移传感器8；
由于伺服控制回路对油源的清洁程度和温度有较高的要求，在压力油路和回油路安装了过滤器5.2、5.4、5.7，在回油路上安装了冷却器5.6以及油箱设置了温度计5.8监测油源温度。
工作时，加压***根据试验要求输入加压信号，通过压缩机10和增压泵的11共同作用，使试验管道1的管压达到试验的要求；同时，还利用第一压力传感器13和第二压力传感器14监测和反馈压缩机出口和增压泵11出口的压力，压力控制器12根据监测信号调节加压***，保证试验管道1内的压力稳定。
另外，电液伺服阀6根据在工控计算机9输入的振动波形信号及其它控制信号，使两组液压缸的活塞杆按照指令进行动作，驱动试验管道1发生振动，从而模拟试验管道受到振动荷载的作用；同时，还利用位移传感器8对液压缸的位置进行监测和反馈，工控计算机9根据反馈信号进行位置伺服控制，电液伺服阀6起到换向阀和流量控制阀的作用，从而实现对两组液压缸的活塞杆伸出位置、速度、加速度等物理量的控制；在电液伺服阀6和位移传感器8的共同作用下，保证液压缸有稳定的输出，从而得到稳定的波形图。
本发明模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的方法，可通过如下步骤实现。
模拟试验管道1受到弯矩荷载时的弯曲变形步骤：
由位于底座2两端的外压杆组件3对试验管道1两端施加载荷使其弯曲变形，即外压板3.2压在试验管道1的上表面，通过旋转丝杠3.3的端部与外压板3.2相抵，并使其推动试验管道1向下运动，从而使试验管道1的两端向下运动发生弯曲变形；完成模拟试验管道1受到弯矩荷载时的弯曲变形测试；
模拟试验管道1内压测试步骤：
按照试验要求，在工控计算机9输入对应指令，控制压缩机10和增压泵11对试验管道1内进行加压，加压是指气压或者液压；通过第一压力传感器13和第二压力传感器14监测和反馈压力信息，压力控制器12根据监测和反馈到的压力信息，对加压***进行调节，使试验管道1内的液体或者气体压力达到试验要求并保持稳定；完成模拟试验管道1内压测试；
模拟试验管道1在受到振动时的步骤：
在工控计算机9输入试验要模拟的振动波形的控制信号，工控计算机9给电液伺服阀6发出控制信号，控制两组液压缸4.1动作，即控制液压缸4.1的活塞杆完成所需的伸缩速度和伸缩频率动作，驱动试验管道1发生振动；同时，利用位移传感器8对液压缸4.1活塞杆的伸缩行程进行监测和反馈，工控计算机9根据反馈信号进行活塞杆的位置伺服控制，使液压缸4.1有稳定的输出，并得到实验所需要的波形图；完成模拟试验管道1在受到振动时的测试。
在实际应用时，上述三个步骤可单独分别进行试验，也可组合同时进行试验，顺序也可不分先后。两组液压缸的振动波形可以不同，也可以相同，二者共同作用驱动试验管道振动。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，其特征在于包括
底座(2)；
分别设置在底座(2)两端的用于给试验管道(1)的两端提供下压力矩的外压杆组件(3)，以模拟试验管道(1)受到弯矩荷载时的弯曲变形；
设置在底座(2)中部设有两组液压机构(4)，试验管道(1)承载在两组液压机构(4)上并通过紧固件与之固定连接；所述两组液压机构(4)用于模拟试验管道(1)在受到振动的状态；
试验管道(1)的一端密封，另一端连接加压***，加压***给试验管道(1)内提供气压或者液压，用于模拟天然气管道内输送的气体或者液体；
两组液压机构(4)和加压***分别信号连接工控计算机(9)。
2.根据权利要求1所述模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，其特征在于，所述液压机构(4)包括，液压缸(4.1)、位移传感器(8)、电液伺服阀(6)、液压油源控制***(5)和振动控制器(7)；
所述液压缸(4.1)的上油腔和下油腔分别通过管路连接电液伺服阀(6)，所述电液伺服阀(6)通过管路连接液压油源控制***(5)；
所述位移传感器(8)、电液伺服阀(6)和液压油源控制***(5)分别与振动控制器(7)信号连接；所述振动控制器(7)信号连接工控计算机(9)；所述工控计算机(9)通过对振动控制器(7)的控制，使液压缸(4.1)的活塞杆完成所需伸缩行程、伸缩速度和伸缩频率，以模拟试验管道(1)在受到振动时的状态。
3.根据权利要求1所述模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，其特征在于，所述加压***包括压缩机(10)、增压泵(11)、压力控制器(12)、第一压力传感器(13)、第二压力传感器(14)；
所述压缩机(10)通过工质输送管连接试验管道(1)的未密封端，所述增压泵(11)设置于工质输送管的管路上，在压缩机(10)至增压泵(11)的工质输送管管路上设有第一压力传感器(13)，在增压泵(11)至连接试验管道(1)的工质输送管管路上设有第二压力传感器(14)；
所述第一压力传感器(13)和第二压力传感器(14)分别与压力控制器(12)信号连接；所述压力控制器(12)信号连接工控计算机(9)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，其特征在于，所述外压杆组件(3)包括外压杆(3.1)、外压板(3.2)、丝杠(3.3)、丝杠连接板(3.4)；
所述外压杆(3.1)的下端连接底座(2)的端部，外压杆(3.1)的上端依次穿过外压板(3.2)和丝杠连接板(3.4)；所述外压板(3.2)置于试验管道(1)的上方；所述丝杠(3.3)设置在丝杠连接板(3.4)的中部，丝杠(3.3)与丝杠连接板(3.4)之间采用螺纹配合；当转动丝杠(3.3)使其向下运动时，使试验管道(1)的两端向下运动发生弯曲变形，以模拟试验管道(1)受到弯矩荷载时的弯曲变形测试。
5.根据权利要求4所述模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，其特征在于，所述试验管道(1)承载在两组液压机构(4)上并通过紧固件与之固定连接，其中，该紧固件包括固定在液压缸(4.1)的活塞杆端部的支撑弯模(4.3)和卡扣(4.4)，所述试验管道(1)被限制在支撑弯模(4.3)于卡扣(4.4)之间。
6.根据权利要求5所述模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置，其特征在于，所述支撑弯模(4.3)和卡扣(4.4)与试验管道(1)的接触面为面接触。
7.一种模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任一项所述模拟天然气管道受振动和弯矩荷载的试验装置实现，具体包括如下步骤：
模拟试验管道(1)受到弯矩荷载时的弯曲变形测试步骤
由位于底座(2)两端的外压杆组件(3)对试验管道(1)两端施加载荷使其弯曲变形，即外压板(3.2)压在试验管道(1)的上表面，通过旋转丝杠(3.3)的端部与外压板(3.2)相抵，并使其推动试验管道(1)向下运动，从而使试验管道(1)的两端向下运动发生弯曲变形；完成模拟试验管道(1)受到弯矩荷载时的弯曲变形测试；
模拟试验管道(1)内压测试步骤
按照试验要求，在工控计算机(9)输入对应指令，控制压缩机(10)和增压泵(11)对试验管道(1)内进行加压，加压是指气压或者液压；通过第一压力传感器(13)和第二压力传感器(14)监测和反馈压力信息，压力控制器(12)根据监测和反馈到的压力信息，对加压***进行调节，使试验管道(1)内的液体或者气体压力达到试验要求并保持稳定；完成模拟试验管道(1)内压测试；
模拟试验管道(1)在受到振动荷载时的步骤
在工控计算机(9)输入试验要模拟的振动波形的控制信号，工控计算机(9)给电液伺服阀(6)发出控制信号，控制两组液压缸(4.1)动作，即控制液压缸(4.1)的活塞杆完成所需的伸缩速度和伸缩频率动作，驱动试验管道(1)发生振动；同时，利用位移传感器(8)对液压缸(4.1)活塞杆的伸缩行程进行监测和反馈，工控计算机(9)根据反馈信号进行活塞杆的位置伺服控制，使液压缸(4.1)有稳定的输出，并得到实验所需要的波形图；完成模拟试验管道(1)在受到振动时的测试。
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