[发明专利]超重力条件下管道抗隆起性能测试装置

说明书

技术领域

本发明属于管道隆起离心试验技术领域，具体涉及一种超重力条件下埋地管道隆起土体抗力性能测试装置。

背景技术

长输管道是全球范围内油气运输的主要方式和途径，具有管径大、运距长、压力高、输量大的特点。然而在断层、高温高压等情况下，浅埋管道较易发生屈曲变形，其中大部分失稳破坏形式表现为竖向隆起变形。正确提供管道隆起过程中上覆土体所能提供的竖向抗力，有助于确定合理的管线工程设计方案，有针对性地提出加固措施，保证管线工程的安全。

离心机能够再现原型应力应变场，可直接测量原型大直径管道上覆土体抗力，是研究大直径管道竖向隆起特性的有效工具。然而，尚未有可用于离心机上的管道抗隆起性能测试装置，管道隆起土体抗力性能的测试通常采用常重力试验方法，仅能对小直径管道进行研究；试验过程中，管道隆起现象主要通过给管道施加一个竖向外力的手段来实现，管道与加载装置采用刚性连接。如果将现有的试验测试装置应用于离心模式试验，一方面千斤顶加载装置体积及自重过大，在高加速场中安装及调整极不方便；另一方面，受加载装置刚性连接的限制，离心机加速过程中管道与土体间位移无法协调，从而导致试验测试结果错误。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超重力条件下埋地管道隆起土体抗力性能测试装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超重力条件下管道抗隆起性能测试装置，包括离心机、模型箱、管道装置、传力杆系统、位移测试装置、管道拉拔力加载系统以及反力梁。所述的模型箱安装于离心机吊篮内，模型箱中铺设有地基土体，地基土体中埋有管道装置。所述管道装置包括模型管道，管道传力环以及管道拉杆三部分；管道传力环套在模型管道外部，管道拉杆与管道传力环机械连接。所述反力梁由两根方钢组成，两根方钢平行固定于模型箱上。所述管道拉拔力加载系统包括安装于模型箱外侧的电机、减速螺旋升降器系统、螺杆、荷载加载平台以及位于螺杆端部的六角螺丝；电机固定在减速螺旋升降器系统上，减速螺旋升降器系统固定在荷载加载平台上，荷载加载平台通过螺栓与反力梁固定。传力杆系统包括轴力计和传力筒；轴力计下端与管道装置连接在一起；所述的传力筒包括传力筒内六角螺栓、中空传力筒和传力筒连接杆；中空传力筒通过内六角螺栓与轴力计连接，通过连接杆与管道拉拔力加载系统固定，中空传力筒和传力筒内六角螺栓互不接触。位移测试装置包括激光位移传感器和激光接受片；激光位移传感器与荷载加载平台刚性连接，激光接受片安装于轴力计上方。

进一步地，所述的地基土体材料需根据具体试验条件选用，包括砂土、粘土、粉土等多种土质地基。

进一步地，所述的模型管道材料可为铝、钢、混凝土、pvc或有机玻璃等，具体尺寸根据试验情况选择；所述的管道传力环内径比模型管道外径大1mm，管道传力环顶部开有直径10mm螺孔，管道拉杆通过该螺孔与管道传力环机械连接，管道拉杆直径10mm。管道传力环与拉杆均由铝材制成，自重较轻，且能保证试验所需的强度和刚度。

进一步地，所述的中空传力筒和传力筒内六角螺栓间留有间距(约8mm)，电机启动前，两者间互不接触，以保证离心机在加速阶段管土位移协调。

进一步地，所述的电机与减速螺旋升降器系统通过螺丝固定，可方便拆换。电机运行过程中可带动减速螺旋升降器系统，使螺杆产生向上或者向下的位移。螺杆端部的六角螺丝用于固定传力杆系统，保证试验过程中螺杆、传力筒连接杆以及中空传力筒间不产生相对变形。荷载加载平台四角处开有孔洞，通过4个直径为12mm的螺栓与反力梁固定。

进一步地，所述反力梁由两根长70cm、截面尺寸为4cm×6cm的方钢组成，方钢两端相应位置处开有螺孔，通过4个直径为12mm的螺栓与模型箱固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的结构简单，操作性强，拆装方便，且易于改造，可根据原有系统构架开发新的用途。

(2)管道拉拔力加载系统和模型箱相互独立，避开了试验模型箱在制样后内部空间尺寸狭窄的限制，且适宜于各种模型制样方式。

(3)本发明适用性广，可适用于粘土、粉土等多种土质类型的地基。

(4)传力杆系统中设置传力筒装置，满足加载系统刚性连接的基础上，实现离心机加速过程中管道与土体间位移协调，保证试验测试结果正确可靠。

(5)本设备原理简单，可用于不同管径、不同埋置位置、不同埋深比的管道隆起试验，同时可以模拟不同隆起速率及隆起位移。

(6)本发明的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。