一种车辆载荷下埋地管道应力测试系统和测试方法

技术领域

本发明涉及石油天然气管道和应力测试技术领域，具体说是一种车辆载荷下埋地管道应力测试系统和测试方法。

背景技术

埋地管线在施工完毕时，其各个方向都是确定的，但是管线运行时由于受到内压、温度或外界压力(如车辆碾压)的作用，管线的纵向不确定，会造成纵向的伸长或缩短，由于管线的纵向变化，可能会使管线纵向失衡，造成管线受力过大造成破裂或其连接设备由于受力过大而破坏，因此对埋地管线进行受力分析是非常必要的。

现有车辆碾压下的埋地管道受力分析基本都是采用相关软件进行模拟仿真。如先利用ADAMS软件建立车辆、路面模型，然后验证模型的正确性；再提取不同条件下车辆行驶时地面受车轮碾压的受力数据；在ABAQUS中建立管道以及土壤模型，将ADAMS中提取的地面受力数据作为载荷添加到管道上方泥土；最后对管道进行受力分析。由于是利用软件进行模拟，其真实性和准确性难以得到验证，因此，现在亟需一套测试车辆碾压下埋地管道真实受力情况的实验装置以及管道整体真应力计算方法，可以真实准确地检测车辆载荷下埋地管道的轴线应变情况，并通过计算方法计算管道检测点整体真应力值。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种车辆载荷下埋地管道应力测试系统和测试方法。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种车辆载荷下埋地管道应力测试系统，包括实验管道，实验管道位于管道埋坑内，所述实验管道两端均设置盲板，所述盲板一端打孔焊接L型进气管道，盲板的另一端打孔焊接L型排气管道，所述进气管道连接压缩机；在实验管道上设置数个实验管道贴片组，每个实验管道贴片组包括沿实验管道轴向均匀排布的8个应力片；实验管道贴片组中应变片的数据传输线连接至应力应变仪，应力应变仪连接电脑，应力应变仪接收的测量数据实时显示在电脑上。

优选的一种车辆载荷下埋地管道应力测试系统，压缩机通过高压软管出气，进气管道末端为球阀，高压软管通过螺纹与球阀相连，排气管道末端为球阀，控制埋地管道排出高压气体。

本发明还包括一种车辆载荷下埋地管道应力测试方法，包括以下步骤：

①制作实验管道，实验管道材质规格同现场运行管道相同，在实验管道两端焊接盲板保证密封性；盲板一端打孔焊接L型进气管道，盲板的另一端打孔焊接L型排气管道，L型进气管道和L型排气管道用于为实验管道冲压及泄压；

②打磨实验管道，在实验管道上设置数个实验管道贴片组，每组实验管道贴片截面之间的间距l，每个贴片截面均匀选取8个部位进行初步打磨，对初步打磨好的测点使用打磨机沿管道轴线方向进行打磨，直至管道测点位置出现平面，所述平面的面积不少于10×30cm；

其中截面之间的距离l根据以下公式确定：

l＝αA1.16DP/h；

其中l为每个截面之间的距离，单位m；α为距离修正系数，取值为0.05～0.15，单位m/(a·MPa)；A为管道运行年限，单位a；D为管道直径，单位m；P为管道运行压力，单位MPa；h为管道埋深，单位m；

③焊接应变片，将应变片用点焊机焊接到光滑表面上，焊接时需在应变片两侧各点焊10次以上，保证其精密贴合管道；焊接完毕后用防水乳胶密封应变片，保证应变片不与水以及沙土接触，如图2所示，最后安装金属防护壳保护应变片不受外部挤压；

④将管道入坑内，利用吊车将管道放入预设的管道埋坑中，埋坑长度需大于管道长度1m以上，宽度需大于管道宽度半米以上，深度为实际工况管道埋深；

⑤连接应变片，首先将每一截面共八片应变片的数据线利用胶带捆绑在一起称为一组，然后将每组应变片的数据传输线连接至应力应变仪，并在数据传输线和仪器上标明所连接应变片的截面和方位信息；

⑥调试应力应变仪，应力应变仪采用动态应变测试仪，仪器共有30个通道可同时测量30片应变片的数据，仪器测量频率为200Hz，每秒采集200次数据，可精确测量车辆碾压时，管道的变形情况；仪器操作人员检查仪器连接是否正确，仪器是否插入屏蔽地线，仪器是否能正常工作，利用标准应变片测试仪器数据测试是否准确；应力应变仪测试数据波动范围应在3微应变以内；

⑦埋坑回填，首先利用细土对管道进行回填，待管道被细土埋没后，采用工程建渣对埋坑继续回填，回填完毕后需用26吨重量级压路机对埋坑进行反复碾压，保证埋坑中泥土的紧实，压实后需待泥土自然沉降至少3天方可进行实验；

⑧管道冲压，通过进排气管道对实验管道进行冲压操作，所述冲压操作如下：关闭排气口阀门，利用高压软管连接压缩机与进气管道对实验管道进行冲压，冲压完毕后关闭进气阀门保持实验管道处于设定压力不变，冲压时需开启应力应变仪记录管道应变数据；

⑨开展实验，实验需要三名实验人员，一人在应力应变仪处操控仪器记录设备，一人指挥车辆行动，一人负责实验环境安全；待设备调试完毕后仪器操作人员通过对讲机告知车辆指挥人员实验可以开始进行，车辆指挥人员指挥车辆按照设定路线和设定行驶条件对管道进行碾压，待仪器操作人员确认数据采集完毕后，告知车辆指挥人员通知车辆返回起点；

⑩管道泄压，待实验完毕后对实验管道进行泄压，保证管道安全；并进行实验数据处理，具体过程如下：

实验可以测得管道在内压以及车辆碾压下管道的实验轴向应变εat，但该应变不是管道真实轴向应变，在管道铸造与运行的时候会导致管道产生初始轴向应变εao；管道的真实应变εar应由这两部分组成；

ε

ε

εar为现场管道真实应变；εat为实验管道的测试应变；εao为现场管道的初始应变；C为修正系数；P为管道运行压力，单位MPa；A为管道运行年限，单位a；D为管道直径，单位m；

管道应力通过管道应变计算，上述实验所检测应变δar为管道轴向应变，根据下式可计算出管道轴向应力：

δ

式中δar为管道轴向真实应力，单位MPa；E为管道钢材弹性模量，单位MPa；

管道轴向应力δar并不能反应管道的整体应力，管道整体应力δr由管道轴向应力和管道环向应力组成，可通过下式计算管道整体应力：

式中：A

优选的，步骤①中实验管道制作完成后在管道外表面涂上防护漆，避免实验过程中埋地管道受到腐蚀。

优选的，步骤②中打磨时首先使用80目的砂纸进行粗打磨，直至磨去管道表面腐蚀坑，再用240目以上的细砂纸进行打磨。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明的车辆载荷下埋地管道应力测试系统和测试方法，可以测试车辆碾压下埋地管道真实受力情况，通过管道整体真应力计算方法，可以真实准确地检测车辆载荷下埋地管道的轴线应变情况，并通过计算方法计算管道检测点整体真应力值。

附图说明

图1为一种车辆载荷下埋地管道应力的测试系统组成示意图；

图2为应变片和金属保护壳的连接示意图；

图3为车辆载荷下埋地管道应力测试过程中人员、车辆、管道的设置示意图；

图4为车辆碾压管道应变数据示意图；

附图标记：

1实验管道，2盲板，3进气管道，4排气管道，5压缩机，6应力应变仪，7电脑，8管道埋坑，11应力片，12金属防护壳。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种车辆载荷下埋地管道应力测试系统和测试方法，以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述。

实施例1

一种车辆载荷下埋地管道应力的测试系统，如图1所示，包括实验管道1，实验管道1位于管道埋坑8内，所述实验管道1两端均设置盲板2，所述盲板2一端打孔焊接L型进气管道3，盲板2的另一端打孔焊接L型排气管道4，所述进气管道3连接压缩机5；在实验管道1上设置数个实验管道贴片组，每个实验管道贴片组包括沿实验管道轴向均匀排布的8个应力片11；实验管道贴片组中应变片11的数据传输线连接至应力应变仪6，应力应变仪6连接电脑7，应力应变仪6接收的测量数据实时显示在电脑7上。

压缩机5可以通过高压软管出气，进气管道末端为球阀，高压软管通过螺纹与球阀相连，排气管道末端为球阀，控制埋地管道排出高压气体，保证埋地管道的压力处于安全范围内。

实施例2

采用实施例1的一种车辆载荷下埋地管道应力的测试系统进行应力测试的方法，包括以下步骤：

①制作实验管道1，实验管道1材质规格同现场运行管道相同，在实验管道1两端焊接盲板2保证密封性；盲板2一端打孔焊接L型进气管道3，盲板2的另一端打孔焊接L型排气管道4，L型进气管道3和L型排气管道4用于为实验管道冲压及泄压；

②打磨实验管道1，在实验管道1上设置数个实验管道贴片组，每组实验管道贴片截面之间的间距l，每个贴片截面均匀选取8个部位进行初步打磨，对初步打磨好的测点使用打磨机沿管道轴线方向进行打磨，直至管道测点位置出现平面，所述平面的面积不少于10×30cm；

其中截面之间的距离l根据以下公式确定：

l＝αA1.16DP/h；

其中l为每个截面之间的距离，单位m；α为距离修正系数，取值为0.05～0.15，单位m/(a·MPa)；A为管道运行年限，单位a；D为管道直径，单位m；P为管道运行压力，单位MPa；h为管道埋深，单位m；

③焊接应变片11，将应变片11用点焊机焊接到光滑表面上，焊接时需在应变片11两侧各点焊10次以上，保证其精密贴合管道；焊接完毕后用防水乳胶密封应变片，保证应变片11不与水以及沙土接触，最后安装金属防护壳12保护应变片11不受外部挤压；

④将管道入坑内，利用吊车将管道放入预设的管道埋坑中，埋坑长度需大于管道长度1m以上，宽度需大于管道宽度半米以上，深度为实际工况管道埋深；

⑤连接应变片，首先将每一截面共八片应变片的数据线利用胶带捆绑在一起称为一组，然后将每组应变片的数据传输线连接至应力应变仪，并在数据传输线和仪器上标明所连接应变片的截面和方位信息；

⑥调试应力应变仪6，应力应变仪6采用动态应变测试仪，仪器共有30个通道可同时测量30片应变片的数据，仪器测量频率为200Hz，每秒采集200次数据，可精确测量车辆碾压时，管道的变形情况；仪器操作人员检查仪器连接是否正确，仪器是否插入屏蔽地线，仪器是否能正常工作，利用标准应变片测试仪器数据测试是否准确；应力应变仪测试数据波动范围应在3微应变以内；

⑦埋坑回填，首先利用细土对管道进行回填，待管道被细土埋没后，采用工程建渣对埋坑继续回填，回填完毕后需用26吨重量级压路机对埋坑进行反复碾压，保证埋坑中泥土的紧实，压实后需待泥土自然沉降至少3天方可进行实验；

⑧管道冲压，通过进排气管道对实验管道进行冲压操作，所述冲压操作如下：关闭排气口阀门，利用高压软管连接压缩机与进气管道对实验管道进行冲压，冲压完毕后关闭进气阀门保持实验管道处于设定压力不变，冲压时需开启应力应变仪记录管道应变数据；

⑨开展实验，如图3所示，实验需要三名实验人员，一人在应力应变仪处操控仪器记录设备，一人指挥车辆行动，一人负责实验环境安全；待设备调试完毕后仪器操作人员通过对讲机告知车辆指挥人员实验可以开始进行，车辆指挥人员指挥车辆按照设定路线和设定行驶条件对管道进行碾压，待仪器操作人员确认数据采集完毕后，告知车辆指挥人员通知车辆返回起点；

⑩管道泄压，待实验完毕后对实验管道进行泄压，保证管道安全；并进行实验数据处理，具体过程如下：

实验可以测得管道在内压以及车辆碾压下管道的实验轴向应变εat，但该应变不是管道真实轴向应变，在管道铸造与运行的时候会导致管道产生初始轴向应变εao；管道的真实应变εar应由这两部分组成；

ε

ε

εar为现场管道真实应变；εat为实验管道的测试应变；εao为现场管道的初始应变；C为修正系数；P为管道运行压力，单位MPa；A为管道运行年限，单位a；D为管道直径，单位m；

管道应力通过管道应变计算，上述实验所检测应变δar为管道轴向应变，根据下式可计算出管道轴向应力：

δ

式中δar为管道轴向真实应力，单位MPa；E为管道钢材弹性模量，单位MPa；

管道轴向应力δar并不能反应管道的整体应力，管道整体应力δr由管道轴向应力和管道环向应力组成，可通过下式计算管道整体应力：

式中：A

步骤①中可以在实验管道制作完成后在管道外表面涂上防护漆，避免实验过程中埋地管道受到腐蚀。

步骤②中可以在打磨时首先使用80目的砂纸进行粗打磨，直至磨去管道表面腐蚀坑，再用240目以上的细砂纸进行打磨。

车辆碾压过程管道应变测试中，实验人员开启动态应变测试仪，待测试数据波动范围正常后，由实验人员指挥车辆按照规定路线对管道进行碾压，车辆行驶至终点后，实验人员停止数据采集，记录碾压时管道产生的应变数据并保存。车辆总重20t，管道内压1MPa，车辆碾压时管道应变数据如图4所示，al1-01～08代表8个传感器采集的管道应变数据，管道应变数据出现两次波峰，分别代表车辆前轮和车辆后轮行驶到管道上方时管道应变增大，第一次前轮碾压造成管道产生98με，第二次后轮碾压造成管道产生108με。车辆完全经过管道后，管道应变回复到原状。