加壓裝置、管壁裂紋擴展速度測試裝置及加壓和測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及加壓裝置、管壁裂紋擴展速度測試裝置及加壓和測試方法，屬于氣體液體高壓管道輸送工程的技術與安全領域。
【背景技術】
[0002]高壓輸氣管道在運行過程中，因管內壓力變化、管道材料疲勞或受損，以及外部作用等原因，導致管道在某處產生管壁裂紋進而出現長距離擴展，不僅會造成嚴重經濟損失和環境污染，還將形成地面人員傷亡、建筑物及設施破壞受損等災難性事故。因此，為盡量減小損失、加快事故發生后的搶修進程，國內外廣泛開展了大口徑高壓金屬管道的裂縫形成及擴展的力學行為研究。研究表明，結構性止裂控制是輸氣金屬管道延性止裂的有效控制方法，而高壓金屬管爆破試驗是研究結構性止裂控制的重要手段。
[0003]輸氣金屬管內加壓至目標值是實施高壓金屬輸氣管氣壓爆破試驗的前提和重要環節之一。裂紋在高壓氣體作用下沿管壁擴展，同時裂口泄壓也導致減壓波在高壓管中傳播。通過測試裂紋在管壁上的擴展速度和氣體減壓波在管內的傳播速度、觀察裂紋的止裂位置，可對比分析確定金屬管的止裂韌性。因此，設計合理的氣金屬管內加壓裝置和金屬管裂紋擴展速度測試方法，是全尺寸爆破試驗的關鍵問題之一。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種加壓裝置、管壁裂紋擴展速度測試裝置及加壓和測試方法，通過三類空氣壓縮裝置可將輸氣管內的壓力加壓到目標值，然后進行管壁裂紋擴展速度測試，安全高效。
[0005]技術方案:為解決上述技術問題，本發明的一種加壓裝置，包括將高壓氣體輸送到金屬管的高壓氣體輸送管、A類空氣壓縮裝置、B類空氣壓縮裝置和C類空氣壓縮裝置，所述高壓氣體輸送管通過一級閥與金屬管連通，所述A類空氣壓縮裝置安裝在高壓氣體輸送管上，所述高壓氣體輸送管末端設有三通轉換器，三通轉換器分別與B類空氣壓縮裝置和C類空氣壓縮裝置連接。
[0006]作為優選，所述A類空氣壓縮裝置包括第一二級閥、第一轉換接頭和第一輸氣管，所述第一輸氣管通過第一轉換接頭與第一二級閥連接，第一二級閥將第一輸氣管與高壓氣體輸送管連通。
[0007]作為優選，所述B類空氣壓縮裝置包括第二二級閥、第二轉換接頭和第二輸氣管，所述第二輸氣管通過第二轉換接頭與第二二級閥連接，第二二級閥將第二輸氣管與三通轉換器連通。
[0008]作為優選，所述C類空氣壓縮裝置包括第三二級閥、第三轉換接頭和第三輸氣管，所述第三輸氣管通過第三轉換接頭與第三二級閥連接，第三二級閥將第三輸氣管與三通轉換器連通。
[0009]一種上述加壓裝置的加壓方法，包括以下步驟:
[0010](I)按照要求連接好A類空氣壓縮裝置、B類空氣壓縮裝置、C類空氣壓縮裝置和高壓氣體輸送管；
[0011](2)采用A類空氣壓縮裝置加壓，當管內壓力小于等于2MPa時，按IMPa作為臺階值、暫停加壓15分鐘，再加壓至2MPa ;當管內壓力大于2MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到4MPa ；
[0012]2)采用B和C類空氣壓縮裝置加壓，當管內壓力小于等于8MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，再加壓至8MPa ;當管內壓力大于8MPa時，按0.25MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到目標壓力值。
[0013]—種管壁裂紋擴展速度測試裝置，包括上述的加壓裝置、與加壓裝置連通的高壓輸氣金屬管、若干個時間探針單元和動態信號采集系統，在金屬管中心管壁上安裝有起線型聚能切割器，所述時間探針單元纏繞在金屬管上，每個時間探針單元和一個電阻元件串聯成一個并聯支路，穩壓電源給每個并聯支路供電，動態信號采集系統各通道分別采集每個并聯支路中電阻元件的電壓，動態信號采集系統輸出端與計算機連接。
[0014]作為優選，所述時間探針單元為直徑0.2mm?0.8mm、長度為金屬管外壁面周長的漆包銅線。
[0015]作為優選，所述時間探針單元在管壁上的布置間距為0.25m?1.0m,時間探針單元中心位于初始裂紋所在的管壁母線上，時間探針單元繞金屬管截面180°安裝在金屬管外壁面上，垂直于管壁母線。
[0016]一種上述的管壁裂紋擴展速度測試方法，包括以下步驟:
[0017](I)用打磨機將安裝時間探針單元處的金屬管外壁面進行表面拋光除銹，將線型聚能切割器安裝在金屬管中心上，與金屬管母線平行，將時間探針單元沿管壁安裝位置纏繞金屬管，然后用502膠固定，再用環氧樹脂粘貼膠將時間探針單元覆蓋，使其與管壁緊密粘連，將加壓裝置與金屬管連通；
[0018](2)每個時間探針單元的一端通過電阻元件與穩壓電源的正極連接，另一端與穩壓電源負極連接；動態信號采集系統各通道信號輸入端分別與各電阻元件正極連接，接地端與各電阻元件負極連接；動態信號采集系統的數據輸出端與計算機連接；
[0019](3)采用A類空氣壓縮裝置加壓，當管內壓力小于等于2MPa時，按IMPa作為臺階值、暫停加壓15分鐘，再加壓至2MPa ;當管內壓力大于2MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到4MPa ；
[0020](4)采用B和C類空氣壓縮裝置加壓，當管內壓力小于等于8MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，再加壓至8MPa ;當管內壓力大于8MPa時，按0.25MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到金屬管的目標壓力值；
[0021](5)設初始裂縫尖端位置L。為0，初始裂縫位置時間探針單元形成電壓階躍信號的時刻t。為O ;其余時間探針單元從初始裂縫開始依次標記為L !,L2^L3……L1，與其對應的計算機上形成電壓階躍信號的時間依次記為h、t2、t3……h，其中L1表示第i個時間探針單元到初始裂縫尖端的距離，h表示裂紋傳播到第i個時間探針單元的時間；則裂紋經過相鄰時間探針單元的平均速度V1= (L -L1 O/(U-U i)，其中i = 1、2、3……η ;然后以位移[(L1-L1 D/2+LJ為乂軸和速度V1SY軸繪出距離-速度曲線，即可得到裂紋擴展到相應位置時所對應的裂紋擴展區間速度。
[0022]在本發明中，將時間探針單元、電阻元件和穩壓電源連接成閉合回路，使用動態信號采集系統采集電阻元件的電壓，利用時間探針單元通斷狀態的改變形成電壓階躍信號，以獲得裂紋尖端的到達時間，由兩個階躍信號產生的時間差間接得到裂紋擴展區間速度。
[0023]在本發明中，綜合考慮材料的力學、電學性能等因素，選擇直徑為0.2mm?0.8mm的漆包銅線作為時間探針單元，使其既有一定的動抗拉強度，以承受爆破沖擊荷載作用，又能隨管壁的裂開而同步斷開；時間探針單元(時間線)的長度應等于金屬管外壁面的周長，以確保可靠獲得斷裂信號，同時便于與測試裝置的連接和自身的防護。根據高壓高韌性金屬管裂紋傳播特性，試驗時金屬管裂紋從初始裂紋兩端開始，沿金屬管軸向擴展，當達到止裂條件時，擴展方向會發生偏轉。為準確測試金屬管裂紋各階段的擴展速度，時間探針單元中心應位于初始裂紋所在的管壁母線上，對稱中心點繞金屬管截面180°安裝在金屬管外壁面上，垂直于管壁母線。由于高壓高韌性金屬管裂紋預估傳播速度為100m/s?350m/s，為準確捕捉到裂紋速度的變化，時間探針單元布置的間隔宜取0.25m?1.0m。
[0024]在本發明中，管體進氣孔設置在金屬管管體頂部，距離端部1.8米，采用A類空氣壓縮裝置加壓，其高壓輸送管以螺紋連接方式與相對應的二級閥連接，并通過一級閥將高壓氣體傳輸至管內。當管內壓力小于等于2MPa時，按IMPa作為臺階值、暫停加壓15分鐘，再加壓至2MPa ;暫停期間抵近檢查、查看空氣壓縮裝置壓力指示計等方式，檢查測試金屬管管體及測試單元安裝部位、焊接部位的密封情況。當管內壓力大于2MPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到4MPa ;暫停期間采用同樣方式檢查密封情況。
[0025]管內壓力達到4MPa后，關閉A類空氣壓縮裝置對應的二級閥；采用B和C類空氣壓縮裝置加壓。當管內壓力小于等于SMPa時，按0.5MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，再加壓至8MPa ;當管內壓力大于8MPa時，按0.25MPa作為臺階值、暫停加壓10分鐘，直至加壓到12MPa，此時關閉一級閥，等待試驗。暫停期間空氣壓縮裝置壓力指示計、遠程視頻監控以及不同位置壓力傳感器的實時傳輸數據監測等多種手段，對加壓系統各單元的狀態進行監控。
[0026]有益效果:本發明的加壓方法，采用的臺階式間隔停頓加壓流程，以及轉換靈活的加壓泄壓方式和全過程的多手段監控，可實現金屬管的管內壓力漸進達到目標值，方法安全、可靠，能滿足試驗要求；本發明的金屬管氣壓爆破試驗的管壁裂紋擴展速度測試裝置，時間探針單元與金屬管壁緊密粘連，可確保管壁張開與時間探針的斷開同步進行，提高試驗數據的準確度；本發明的測試方法，通過利用斷裂信號在電阻上呈現電壓階躍信號，測試方法安全可靠。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的加壓系統詳細結構示意圖。
[0028]圖2為本發明的加壓系統組成示意圖。
[0029]圖3是本發明測試裝置連接示意圖。
[0030]圖4是本發明圖3的電路設計示意圖。
[0031]圖5是本發明時間探針單元安裝位置示意圖。
[0032]圖6是本發明時間探針單元安裝間距示意圖。
[0033]圖7是本發明的動態信號采集系統上顯示波形圖。
[0034]圖8是本發明的裂紋速度-距離曲線圖。
【具體實施方式】
[0035]如圖1和圖2所示，本發明的一種加壓裝置，包括將高壓氣體輸送到金屬管I的高壓氣體輸送管、A類空氣壓縮裝置21、B類空氣壓縮裝置22和C類空氣壓縮裝置23，所述高壓氣體輸送管通過一級閥19與金屬管I連通，所述A類空氣壓縮裝置21安裝在高壓氣體輸送管上，所述高壓氣體輸送管末端設有三通轉換器12，三通轉換器12分別與B類空氣壓縮裝置22和C類空氣壓縮裝置23連接。其中，A類空氣壓縮裝置21包括第一二級閥11、第一轉換接頭17和第一輸氣管18，所述第一輸氣管18通過第一轉換接頭17與第一二級閥11連接，第一二級閥11將第一輸氣管18與高壓氣體輸送管連通。所述B類空氣壓縮裝置22包括第二二級閥、第二轉換接頭13和第二輸氣管14，所述第二輸氣管14通過第二轉換接頭13與第二二級閥連接，第二二級閥將第二輸氣管14與三通轉換器12連通。所述C類空氣壓縮裝置23包括第三二級閥、第三轉換接頭15和第三輸氣管16，所述第