專利名稱：管材外壓變形的力學實驗系統裝置及實驗方法
技術領域：
本發明涉及力學實驗裝置，具體涉及管材外壓變形的力學實驗系統裝置及實驗方法。
背景技術：
管材在外壓作用下發生失穩變形在實際工業生產、日常生活中是常見的一種結構性破壞形式。例如鍋爐管材；深水管線，公路或鐵路下的管材等都會因外界的靜壓或動載荷的作用，如果所受外載超過其所能承受的最小失穩壓力時，這些管材就可能發不同程度的失穩變形(壓偏)，造成由此而引起的一系列后果。利用實驗方法來研究管材在外壓作用下變形機理是十分科學有效方便的研究手段。目前在管材外壓變形力學實驗裝置研究領域中，已推出了幾款專利產品。例如一種薄壁管件外壓失穩試驗裝置(申請號200920032926. 3)，一種深水立管疲勞實驗裝置(申請號201010577791. 6)。但這些實驗裝置大都存在系統構復雜、準確性低，特別是不易觀察，實驗操作困難及制造成本高。同時，它們的共同缺點是不能完全消除管材的邊緣應力， 而且不能直接用肉眼隨時觀察，這就必然帶來實驗過程復雜，不易記錄到失穩點等缺陷。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構簡單，輸液管線和高壓倉體無堵塞，無泄漏，拆裝方便，密封性能好，消除了管材的邊緣應力，便于在實驗過程中對變形過程進行控制和直接觀察，有利于采集實驗數據及實驗方式的調整的管材外壓變形的力學實驗系統裝置。本發明的另一目的是提供實驗方法。為了克服現有技術的不足，本發明的技術方案是這樣解決的一種管材外壓變形的力學實驗系統裝置包括電源、電源開關、繼電器、電路控制板、電動機、皮帶輪、壓縮機、安全閥、儲液罐、過濾器，本發明的特殊之處在于所述壓縮機依次與電源、電源開關、 繼電器、控制板、電動機、皮帶輪連接，所述儲液罐右側通過管道與安全閥一端連接，所述安全閥另一端通過管道分別與壓縮機、第二加壓閥一端連接，所述儲液罐左側通過管道與泄壓閥一端連接，所述儲液罐通過管道與過濾器連接，所述過濾器與第一加壓閥一端連接， 所述第一加壓閥另一端與壓縮機連接，所述泄壓閥另一端與第二加壓閥另一端通過管道與高壓倉體連接，高壓倉體上分別連接壓力表、排油閥，所述高壓倉體內腔置有試樣管材，所述高壓倉的底部連接一個支承架，支承架與地基固定連接，所述高壓倉體兩端分別連接端蓋，所述端蓋設有旋轉插孔，所述旋轉插孔與第二加壓閥另一端連接，所述端蓋通過密封壓環、密封圈、密封圈支環與高壓倉體連接，所述高壓倉體依次分別與增壓孔接管、高壓倉體、 排氣口及安全閥口、排液管連接。所述端蓋、增壓孔接管、排氣口及安全閥口、排液管與高壓倉體為螺紋連接。一種所述的系統裝置的實驗方法，按下述步驟進行
(1)、對實驗系統進行全面檢驗，確保實驗工藝正確，每一部件性能良好；(2)、關閉泄壓閥及打開第一加壓閥、第二加壓閥；
(3)、向儲液罐加入一定量的液體；
(4)、打開排氣口調好安全閥；
(5)關閉排液管；
(6)、打開電源開關接通電源后，電動機帶動壓縮機開始工作；
(7)、液體由儲液罐開始被壓入高壓倉體中，當液體從排氣孔溢出時，關閉排氣口；
(8)、繼續增壓，觀察壓力表及相關各種數據記錄器；
(9)、當壓力接近管材屈服變形時，降低增壓速度，讓壓力緩慢上升，由手動增加；
(10)、當高壓倉體壓力突然下降時即為管材的失穩破壞應力；
(11)、當管材屈服變形時，記錄各種實驗數據；
(12)、當記錄完各種實驗數據后，停止增壓操作；
(13)、關閉電源；
(14)、關閉第一加壓閥和第二加壓閥；
(15)、打開泄壓閥，讓液體回流入儲液罐中；
(16)、打開排液管后，再打開排氣口；
(17)、待高壓倉體無液體后，用人工將插銷插入旋轉插孔內，轉動端蓋后卸下端蓋；
(18)、分別取出密封壓環、密封圈和密封圈支環；
(19 )、取出實驗管材觀察其變形狀況，完成操作過程。所述液體為液壓油或水或乳化液。本發明與現有技術相比，具有結構簡單，輸液管線和高壓倉體無堵塞，無泄漏，拆裝方便，密封性能好，消除了管材的邊緣應力，便于在實驗過程中對變形過程進行控制和直接觀察，有利于采集實驗數據及實驗方式的調整的特點，廣泛用于對管材的彎曲加載和軸向力加載，可以分別完成在這兩種載荷的情況下的管材變形實驗。
圖1為本發明的管材外壓變形的力學實驗系統裝置結構示意圖； 圖2為圖1的高壓倉剖視結構示意圖。
具體實施例方式附圖為本發明的實施例。下面結合附圖對發明內容作進一步說明
參照圖1、圖2所示，一種管材外壓變形的力學實驗系統裝置包括電源、電源開關、繼電器、電路控制板、電動機、皮帶輪、壓縮機、安全閥、儲液罐、過濾器，所述壓縮機7依次與電源、電源開關、繼電器、控制板、電動機、皮帶輪連接，所述儲液罐9右側通過管道與安全閥8 —端連接，所述安全閥8另一端通過管道分別與壓縮機7、第二加壓閥17 —端連接，所述儲液罐9左側通過管道與泄壓閥12 —端連接，所述儲液罐9通過管道與過濾器 10連接，所述過濾器10與第一加壓閥11 一端連接，所述第一加壓閥11另一端與壓縮機7 連接，所述泄壓閥12另一端與第二加壓閥17另一端通過管道與高壓倉體14-7連接，高壓倉14-7上分別連接壓力表13、排油閥18，所述高壓倉體14-7內腔置有試樣管材15，所述高壓倉體14-7的底部連接一個支承架16，支承架16與地基固定連接，所述高壓倉體14-7 兩端分別連接端蓋14-2，所述端蓋14-2設有旋轉插孔14-1，所述旋轉插孔14_1與第二加壓閥17另一端連接，所述端蓋14-2通過密封壓環14-3、密封圈14-4、密封圈支環14_5與高壓倉體14-7連接，所述高壓倉體14-7依次分別與增壓孔接管14-6、排氣口及安全閥口 14-8、排液管14-9連接。所述端蓋、增壓孔接管、排氣口及安全閥口、排液管與高壓倉體為螺紋連接。下面對零部件作用簡介如下
1、控制板通過對控制板的操作，可以在遠端對電源進行控制，從而控制了整個實驗系統的運行。2、安全閥8:—旦實驗系統操作失誤而引起系統超過設定壓力時，該閥門會自動打開，保護了系統中的設備不因超壓而損壞。3、儲液罐9 收集和提供增壓液的，可對增壓液處理后循環使用。4、第一加壓閥11及第二加壓閥17 當需要給高壓倉增壓時，可打開該閥。5、泄壓閥12 ；當需要對高壓倉泄壓時，可打開該閥。6、壓力表13 可以隨時觀察高壓倉體內的壓力。7、高壓倉體14-7 管材在高壓倉內受到外壓的作用，達到對管村進行實驗的目的。8、旋轉插孔14-1 ；利用該孔可使安裝端蓋時更加容易，減輕了操作人員擰緊端蓋時的力量。9、端蓋14-2 ；用來密封高壓倉體14-7，即通過壓緊密封壓環14_3實現的。10、密封壓環14-3 可直接壓緊密封圈14-4，使壓緊力更均勻，消除了沒有它時端蓋與密封圈14-4的摩擦，起到了保護了密封圈14-4作用。可以根據不同管材的外徑使用相應內徑的密封壓環14-3。11、密封圈14-4:直接套在管材上，有一定的緊度，加之在外力的擠壓下會被壓偏，這樣提高了其密封性。可以根據不同管材的外徑使用相應內徑的密封圈14-4。12、密封圈支環14-5 它對密封圈14_4有一個支撐作用，提高了其密封性能。可以根據不同管材的外徑使用相應內徑的密封圈支環14-5。13、增壓孔接管14-6 增壓液可通過此管進入高壓倉體14_7中，同時在其上安裝有壓力表13 ；
14、排氣口及安全閥口 14-8 ；當液體注入高壓倉體14-7時，要打開該口，有利于排出高壓倉體14-7的空氣。15、排液管14-9 當泄壓后，高壓倉體14_7中仍存留一些液體，可以通過打開該管將這部分液體放出。一種所述的系統裝置的實驗方法，按下述步驟進行
(1)、對實驗系統進行全面檢驗，確保實驗工藝正確，每一部件性能良好；
(2)、關閉泄壓閥12及打開第一加壓閥11、第二加壓閥17；
(3)、向儲液罐9加入液壓油或水；
(4)、打開排氣口14-8調好安全閥，調節安全閥泄放壓力為高壓倉體的設定壓力。(5)關閉排液管14-9;(6)、打開電源開關接通電源后，電動機帶動壓縮機7開始工作；
(7)、液體由儲液罐9開始被壓入高壓倉體14-7中，當液體從排氣孔14-8溢出時，關閉排氣孔14-8 ；
(8)、繼續增壓，觀察壓力表13及相關各種數據記錄器；
(9)、當壓力接近管材屈服變形時，降低增壓速度，讓壓力緩慢上升，由手動增加；
(10)當管材突然變形，即高壓倉體(14-7)壓力突然下降時即為管材的失穩破壞應力；
(11)記錄加壓過程中的各種實驗數據；
(12)當管材失穩破壞后，停止增壓操作；
(13)、關閉電源；
(14)、關閉第一加壓閥11和第二加壓閥17；
(15)、打開泄壓閥12，讓液體回流入儲液罐9中；
(16)、打開排液管14-9后，再打開排氣口14-8 ；
(17)、待高壓倉體14-7無液體后，用人工將插銷插入旋轉插孔14-1內，轉動端蓋14-2 后卸下端蓋；
(18)、分別取出密封壓環14-3、密封圈14-4和密封圈支環14-5； (19 )、取出實驗管材15觀察其變形狀況，完成操作過程。所述液體為液壓油或水或乳化液。綜上所述，通過控制板對電動機運行的控制，使其帶動壓縮機工作，壓縮機將來自儲液罐的液體(水或油或乳化液)加壓后壓入高壓倉體14-7，當高壓倉體14-7的壓力超過管材最小屈服強度時，即管材可承受的最大彈性壓力時，管材發生失穩變形，也稱之為管材的擠毀性破壞。完成加壓變形后，同時也完成了各種實驗數據的記錄。然后泄壓，取出管材進行變形量的測量等后繼工作，液體通過泄壓閥后返回到儲液罐以備循環使用，此時即完成了對管材的外壓實驗過程。管材高壓倉體14-7是該實驗系統中最為重要的裝置，它是一個可拆卸的鋼制密閉體，可依照厚壁容器類型設計。因為它要承受很高的內壓，內徑要大于待測管材的外徑， 并有一定的環空間，在管材與高壓倉體14-7之間的密封可采用橡膠環，保證倉內有足夠的實驗壓力而不發生密封泄漏情況，同時可使管材有一定的軸向位移。該實驗系統與現有全封閉式實驗裝置不同，可以在實驗過程中記錄實驗數據的同時，隨時觀察到管材在外壓作用下的變形情況，具有直觀性的特點。為了穩定地對高壓倉體14-7施加壓力，管材試樣的外徑應與高壓倉體14-7內徑留有至少3 5mm的差值，使管材受力均勻。密封圈14_4應緊套在管材試樣的外側，即保證其在高壓下有良好地密封性，否則，在管材試樣在未達到完全屈服點之前，液體在高壓作用下會通過密封圈14-4與管村外側的間隙中從高壓倉體14-7中泄漏。要求高壓倉體14-7兩密封圈之間的距離應是管材外徑8倍以上。這樣就能進一步保證消除邊緣應力的影響。管材的表面必需平整沒有瑕疵，確保封蓋完好沒有泄露，確保實驗系統裝置工作正常，如輸液管線和高壓倉體14-7無堵塞，無泄漏，各種記錄計正常工作， 同時確保實驗系統及其環境的安全性。本發明與現有技術的技術方案主要區別
1.目前的實驗裝置都將將待實驗管材放在高壓倉體14-7的內部，而本實驗裝置是將其實驗的一部分安裝在高壓倉體14-7的外部，拆裝方便及可觀察實驗過程，這也是本發明的特點之一。2.待實驗管的內管與大氣相通，可以忽略管內壓的作用，這樣所得到的外壓實驗結果更加準確。3.給出了增加系統，并且在這個系統中考慮了安全因素，如有處設有安全閥，使該系統更安全可靠。4.可以用油也可用水或乳化液作為增壓液，且增壓液可循環使用。5.增壓泵可電驅動也可手動，對增加速度可方便地控制與調整，如當管材處在臨界屈服點時，可以降低增壓速度，有利于觀察實驗過程的微小變化及數據的記錄以及獲得準確的數據。6.采用端蓋加密封圈密封結構，增強了密封性能，也便于各部件的安裝。7.最大限度的消除了邊緣應力問題，使實驗過程的管材的變形過程更加符合實際管材的變形過程。8.在實驗過程中，可以通過觀察側向管孔內部情況，直接觀察管材的變形過程，便于加壓過程的控制，使實驗更加安全，也對整個實驗過程有一個直觀的感覺。9.結構不同
(1)實驗管材的直徑可以有較大的變化，只需改變密封壓環14-3、密封圈14-4及密封圈支環14-5的內徑就可對不同外徑的管材進行實驗，所以實驗裝置具有可調節功能。(2)制造成本明顯降低，實驗裝置較小，占地也就小，實驗過程容易。(3)端蓋14-2加密封壓環14-3及密封圈支環14_5的密封結構端蓋通過密封壓環14-3對密封圈有一個壓緊作用力，保證了在高壓下密封圈的強度和嚴密性，同時也不易使密封圈在安裝與使用過程中受損，提高了系統密封性能，延長了使用時間和擴大了應用范圍。(4)高壓倉體14-7中的管材內側沒有任何內支撐，管材外側只有密封圈的彈性支撐，結構的特點是使管材處于無約束狀態，更接近于實際的無限長管材的應力狀態，從而得到更加準確的實驗數據。(5)端蓋14-2、增壓孔接管14-6、排氣口及安全閥口 14_8及排液管與高壓倉體 14-7都是采用螺紋方式連接的，這樣安裝方便，提高了它們的密封性，保證其足夠的強度。10、結構相對簡單，制造加工容易，成本降低。11、可以很方便的通過局部的結構變化，實現對管材的彎曲加載和加軸向力加載， 可以分別完成在這兩種載荷的情況下的管材變形實驗。
權利要求
1.一種管材外壓變形的力學實驗系統裝置，該系統裝置包括電源、電源開關、繼電器、電路控制板、電動機、皮帶輪、壓縮機、安全閥、儲液罐、過濾器，其特征在于所述壓縮機(7)依次與電源、電源開關、繼電器、控制板、電動機、皮帶輪連接，所述儲液罐(9) 右側通過管道與安全閥(8) —端連接，所述安全閥(8)另一端通過管道分別與壓縮機(7)、 第二加壓閥(17) —端連接，所述儲液罐(9)左側通過管道與泄壓閥(12)—端連接，所述儲液罐(9)通過管道與過濾器(10)連接，所述過濾器(10)與第一加壓閥(11) 一端連接，所述第一加壓閥(11)另一端與壓縮機(7)連接，所述泄壓閥(12)另一端與第二加壓閥(17) 另一端通過管道與高壓倉體(14-7)連接，高壓倉體(14-7)上分別連接壓力表(13)、排油閥 (18)，所述高壓倉體(14-7)內腔置有試樣管材(15)，高壓倉體(14-7)的底部連接一個支承架(16)，支承架(16)與地基固定連接，所述高壓倉體(14-7)兩端分別連接端蓋(14-2)， 所述端蓋(14-2)設有旋轉插孔(14-1)，所述旋轉插孔(14-1)與第二加壓閥(17)另一端連接，所述端蓋(14-2)通過密封壓環(14-3)、密封圈(14-4)、密封圈支環(14_5)與高壓倉體(14-7)連接，所述高壓倉體(14-7)依次分別與增壓孔接管(14-6)、排氣口及安全閥口 (14-8)、排液管(14-9)連接。
2.根據權利要求1所述的管材外壓變形的力學實驗系統裝置，其特征在于所述端蓋、 增壓孔接管、排氣口及安全閥口、排液管與高壓倉體為螺紋連接。
3.—種如權利要求1所述的系統裝置的實驗方法，按下述步驟進行(1)對實驗系統進行全面檢驗，確保實驗工藝正確，每一部件性能良好；(2)關閉泄壓閥(12)及打開第一加壓閥(11)、第二加壓閥(17)；(3)向儲液罐(9)加入可注滿高壓倉體約一倍體積液體；(4)打開排氣口(14-8)調好安全閥；(5)關閉排液管(14-9);(6)打開電源開關(2)接通電源(1)后，電動機(5)帶動壓縮機(7)開始工作；(7)液體由儲液罐(9)開始被壓入高壓倉體(14-7)中，當液體從排氣孔(14-8)溢出時， 關閉排氣孔(14-8);(8)繼續增壓，觀察壓力表(13)及相關各種數據記錄器；(9)當壓力接近管材屈服變形時，降低增壓速度，讓壓力緩慢上升，可由手動增加；(10)當管材突然變形，即高壓倉體(14-7)壓力突然下降時即為管材的失穩破壞應力；(11)記錄加壓過程中的各種實驗數據；(12)當管材失穩破壞后，停止增壓操作；(13)關閉電源;(14)關閉第一加壓閥(11)和第二加壓閥(17)；(15)打開泄壓閥(12)，讓液體回流入儲液罐(9)中；(16)打開排液管(14-9)后，再打開排氣Π(14-8)；(17)待高壓倉體(14-7)無液體后，用人工將插銷插入旋轉插孔(14-1)內，轉動端蓋 (14-2)后卸下端蓋；(18)分別取出密封壓環(14-3)、密封圈(14-4)和密封圈支環(14-5)；(19)取出實驗管材(15)觀察其變形狀況，完成操作過程。
4.根據權利要求3所述的系統裝置的實驗方法，其特征在于所述液體為液壓油或水或乳化液。
全文摘要
本發明公開了管材外壓變形的力學實驗系統裝置。裝置的儲液罐與安全閥連接，安全閥與壓縮機、加壓閥連接，儲液罐與泄壓閥、過濾器連接，加壓閥與壓縮機連接，泄壓閥、加壓閥與高壓倉連接，高壓倉體內腔置有試樣管材，兩端連接端蓋，端蓋通過密封壓環、密封圈、密封圈支環與高壓倉體連接。實驗步驟關閉泄壓閥及打開加壓閥，向儲液罐加入液體，打開排氣口，關閉排液管，電動機帶動壓縮機工作，液體由儲液罐被壓入高壓倉體中，繼續增壓，觀察數據記錄器，當壓力接近管材屈服變形時，降低增壓速度，當壓力突然下降時即為管材失穩破壞應力。結構簡單，高壓倉體無堵塞、泄漏，拆裝方便，密封性好，消除管材邊緣應力，廣泛用于對管材彎曲和軸向力加載。
文檔編號G01N3/12GK102426142SQ20111027094
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者康勇 申請人:西安石油大學