一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置，包括砧座，水平滑軌，位于所述水平滑軌上的齒條，推動所述齒條沿所述水平滑軌運動的作動器，與所述齒條配合的小齒輪，與所述小齒輪配合的大齒輪，固定所述大齒輪和所述小齒輪的齒輪固定架以及繩索，所述砧座包括弧板、固定所述弧板的管纜彎曲支撐板及支撐桁架結構。本實用新型實現加載的過程中管纜由較大的曲率半徑逐漸連續過渡到較小的半徑，直到管纜鎧裝鋼絲達到屈服狀態。從而，確保試驗可精確得到管纜的最小彎曲半徑。
【專利說明】
一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種測試裝置，具體地說是一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置。
【背景技術】
[0002]我國海洋油氣資源儲量豐富，且大多數分布于南海等深水海域。而海纜、臍帶纜以及柔性管道等是深海油氣開采中不可或缺的裝備之一。這類裝備可統稱為海洋柔順性管纜，其結構通常由相應的功能構件及加強構件如鎧裝鋼絲等組成。針對不同的工程需求，應選用相應功能的管纜;海纜主要負責為海底采油設備提供電能，臍帶纜主要提供水上浮體與海底裝備之間電力、信號傳輸等相關功能，柔性管道主要負責裝備之間的油氣輸送。海洋柔順性管纜在存儲運輸、安裝鋪設和在位運行等工況時，由于受到工作荷載、浮體運動和復雜海洋環境等因素影響，容易造成多種力學行為失效。其中，當荷載作用下的管纜的彎曲半徑小于其最小彎曲半徑時，管纜的內部功能及承力構件將發生破壞，影響管纜功能的正常運行。因此，海洋工程管纜最小彎曲半徑是重要的設計參數之一。為了驗證管纜產品最小彎曲半徑是否達到設計要求，從而降低使用過程中發生彎曲破壞的概率，管纜服役前在實驗室內需要對其最小彎曲半徑進行測試認證。測量結果將作為重要的力學性能指標。
[0003]由于管纜結構復雜且種類繁多，不同種類的管纜其最小彎曲半徑相差很大，其變化范圍通常為Im?4m。目前實驗室現有的實驗裝置主要針對特定半徑變化范圍(管纜最小彎曲半徑附近)進行驗證性實驗，并非適用于每種管纜，而且不能實現連續準確地測量。根據市場調研發現，至今仍未有廠商生產該類試驗機。因此，多數管纜生產廠家或研究機構根據測試對象采用自制的實驗裝置來進行最小彎曲半徑測試。
[0004]依據實際工程需求，最小彎曲半徑常用于模擬海洋工程柔性管纜儲存于卷盤或卷筒的狀態。因此最小彎曲半徑測試設備裝置需要包含模擬卷筒的設備，以及可以施加彎矩使其發生彎曲變形的設備。除此以外，實驗過程需要配置測量設備，如應變片或傳感器等以便提取管纜彎曲過程相關參數指標(中間或直接物理量)。管纜最小彎曲半徑測試實驗流程通常按如下步驟:取樣、固定、布片、加載、測量和后處理模式展開。實驗開始前要制定相應測試方案并對管纜樣品進行選取，然后將待測試的管纜固定于試驗架上，根據實驗要求在測試位置進行應變片布置，并將其連接于數據采集設備。確保上述操作無誤后啟動加載設備，同時實時采集相關數據。最后，對所得數據進行分析處理并形成完善的實驗報告。
[0005]已有技術存在的缺陷或問題
[0006]目前實驗室內采用半圓形砧座開展管纜最小彎曲半徑測試(圖1)，主要通過以下步驟實現:
[0007]1、理論估算待試驗管纜I'的最小彎曲半徑，或者參考成型產品最小彎曲半徑設計值；
[0008]2、將理論估算值(或設計值)與砧座2'(圖2-圖4)上現有的彎曲半徑進行比較，選擇與其最接近的砧座2'所能提供的較大彎曲半徑進行測試，然后在相應的孔洞穿插鐵棒并通過螺栓固定；
[0009]3、將管纜I'放置于選定半徑的砧座2'上，在其相應位置處布置應變片等并進行調試；
[0010]4、通過手拉葫蘆3'及傳動裝置將砧座2'提起，同時將待試驗管纜I'兩端通過鏈條牽引固定。隨著砧座2'的逐漸升高，管纜I'逐漸與砧座2'貼合，直至完全貼合，記錄此時應變值；
[0011]5、將該應變值與構件的許用應變比較，通常情況下該值小于許用應變，然后，將砧座2'的彎曲半徑調整到臨近較小值，繼續試驗直到應變值大于許用應變。從而最終估計管纜I'的最小彎曲半徑取值范圍。
[0012]該種實驗裝置存在諸多缺點:
[0013]1、砧座能夠測量的管纜最小彎曲半徑具有小范圍跳躍性的缺點，只適用于某些管纜最小彎曲半徑的測量，且測量結果不精確；
[0014]2、依靠手拉葫蘆的加載方式，人工只能間歇式的施力；因而不能很好的控制加載速度。同時，由于手拉葫蘆的結構特點，每次施力后將會產生一定的回彈，其對后期數據處理帶來了較大的不便；
[0015]3、由于管纜兩端接頭采用鏈條牽引式固定，加載過程中會發生一定幅度的擺動，穩定性差，增大了實驗的誤差；
[0016]4、整個試驗操作需要多人協作才能完成，耗時、費力；
[0017]5、由于管纜試件需要跨過整個砧座，因此，需要較長的試件才能方便加載與操作，造成實驗樣品的浪費。
【實用新型內容】
[0018]針對以上問題，提出一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置。新裝置設計了具有線性曲率變化的弧板，同時采用作動器代替手拉葫蘆的方式進行加載。該裝置的設計能夠滿足絕大多數管纜最小彎曲半徑的測量。本實用新型采用的技術手段如下:
[0019]一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置，包括砧座，水平滑軌，位于所述水平滑軌上的齒條，推動所述齒條沿所述水平滑軌運動的作動器，與所述齒條配合的小齒輪，與所述小齒輪配合的大齒輪，固定所述大齒輪和所述小齒輪的齒輪固定架以及繩索，
[0020]所述砧座包括弧板、固定所述弧板的管纜彎曲支撐板及支撐桁架結構，
[0021]所述大齒輪一側的齒輪端面具有與所述大齒輪同軸的圓柱形纏繞部，所述繩索的一端固定在所述圓柱形纏繞部的側壁上，
[0022]所述弧板的水平截面的外沿的曲率半徑呈線性變化，所述弧板的曲率半徑大的一端與所述管纜彎曲支撐板固定連接，所述弧板上設有沿所述弧板彎曲方向延伸的水平通孔，所述水平通孔延伸至所述管纜彎曲支撐板，所述管纜彎曲支撐板靠近所述弧板外沿的一側設有接頭固定裝置，
[0023]工作狀態下，非加載力時，所述管纜的一端通過管纜接頭與所述接頭固定裝置垂直連接，所述繩索的另一端穿過所述水平通孔與所述管纜的自由端連接，所述繩索的中心線與所述管纜的中心線位于同一水平面內(即保證加載面始終保持在同一平面)，所述管纜在未彎曲時，所述管纜的固定端與所述水平通孔的開口處相切，
[0024]加載力時，所述作動器推動所述齒條，所述齒條帶動所述小齒輪，所述小齒輪帶動所述大齒輪，所述大齒輪旋轉使得所述繩索纏繞在所述圓柱形纏繞部的側壁上，所述繩索拉動所述管纜向所述水平通孔彎曲。
[0025]所述弧板的水平截面的外沿上某點處的曲率半徑滿足以下公式:
[0026]p = -l.5x+4,
[0027]在所述弧板的水平截面所在水平面內建立直角坐標系xOy，其中，所述弧板的水平截面的外沿與所述管纜彎曲支撐板相交處為坐標原點0，垂直于所述管纜彎曲支撐板且指向所述弧板延伸方向為X軸的正方向，平行于所述管纜彎曲支撐板且指向所述弧板彎曲方向為y軸正方向，P為所述弧板的水平截面的外沿上某點處的曲率半徑，X為所述弧板的水平截面的外沿上某點在X軸上所對應的值，0<χ<2，χ的范圍為本實用新型所建議的使用范圍。
[0028]所述齒輪固定架上設有兩條豎直設置的通槽，所述兩條通槽分別通過螺栓螺母與固定板I和固定板Π連接，所述固定板I通過齒輪軸I與所述大齒輪連接，所述固定板Π通過齒輪軸π與所述小齒輪連接。
[0029]所述弧板位于所述水平通孔下方的板面上設有多個沿所述弧板彎曲方向排列的管纜支撐桿連接孔，所述管纜支撐桿連接孔上設有支撐所述管纜保持水平的管纜支撐桿，所述管纜支撐桿通過螺栓螺母與所述管纜支撐桿連接孔連接。
[0030]所述大齒輪設有多個以所述大齒輪的軸線為軸均勻分布的孔I，所述孔I貫穿所述大齒輪的齒輪端面和所述圓柱形纏繞部的端面，
[0031]所述小齒輪設有多個以所述小齒輪的軸線為軸均勻分布的孔Π，所述孔Π貫穿所述小齒輪的齒輪端面。
[0032]所述檢測裝置還包括支撐臺，所述支撐臺上設有所述管纜彎曲支撐板和所述弧板。
[0033]所述弧板的上沿設有曲率半徑值。
[0034]本實用新型具有以下優點:
[0035]1、相比于原彎曲半徑間隙跳躍的砧座，本實用新型通過設計一具有曲率半徑線性變化的弧板代替現有砧座，實現加載的過程中管纜由較大的曲率半徑逐漸連續過渡到較小的半徑，直到管纜鎧裝鋼絲達到屈服狀態。從而，確保試驗可精確得到管纜的最小彎曲半徑。
[0036]2、弧板內沿設置桁架，保證了弧板自身結構強度及剛度要求，實現大口徑管纜的加載測試需求。
[0037]3、弧板上設有沿弧板彎曲方向延伸的水平通孔，繩索從中穿過并對管纜加載，使加載更加靈活、方便，且保證加載面始終保持同一平面。
[0038]4、相比于手拉葫蘆加載，本實用新型通過作動器驅動齒條來完成大、小齒輪的旋轉進而通過繩索牽動管纜的自由端實現彎矩的加載，這種加載方式更加方便、省力且便于控制。
[0039]5、相比半圓形砧座測試方法，本實用新型僅需要原來管纜試件長度的一半便可滿足測量要求，節省了樣品消耗。
[0040]6、通過大、小齒輪(兩級齒輪)放大作動器行程，從而實現管纜自由端產生較大的位移，實現較大范圍的彎曲曲率半徑變化從而準確確定最小彎曲半徑值。
[0041]7、對齒輪的加工時，可以對齒寬、齒厚等一系列參數進行選擇設計，從而使管纜最小彎曲半徑測試實現準靜態加載，保證實驗測量的精度。
[0042]8、通過孔I和孔Π的設置，節省材料同時也保證了大、小齒輪結構強度。
[0043]9、相比原實驗裝置，極大的減少了人員安排，實驗成本更加低廉。
[0044]基于上述理由本實用新型可在性能測試等領域廣泛推廣。
【附圖說明】
[0045]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0046]圖1是現有試驗裝置的結構示意圖。
[0047]圖2是現有試驗裝置的站座的主視圖。
[0048]圖3是圖2的左視圖。
[0049]圖4是圖2的俯視圖。
[0050]圖5是本實用新型的一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置的空間結構示意圖。
[0051]圖6是本實用新型的一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置的主視圖。
[0052]圖7是圖6的左視圖。
[0053]圖8是圖6的俯視圖。
[0054]圖9是本實用新型的大齒輪的主視圖。
[0055]圖10是圖9的左視圖。
[0056]圖11是圖10的俯視圖。
[0057]圖12是本實用新型的站座的不意圖。
[0058]圖13是圖12的左視圖。
[0059]圖14是圖12的俯視圖。
【具體實施方式】
[0060]如圖5-圖14所示，一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置，
[0061]包括砧座，水平滑軌2，位于所述水平滑軌2上的齒條3，推動所述齒條3沿所述水平滑軌2運動的作動器4，與所述齒條3配合的小齒輪5，與所述小齒輪5配合的大齒輪6，固定所述大齒輪6和所述小齒輪5的齒輪固定架7以及繩索9，
[0062]所述砧座包括弧板1、固定所述弧板I的管纜彎曲支撐板8及支撐桁架結構20，
[0063]所述大齒輪6—側的齒輪端面具有與所述大齒輪6同軸的圓柱形纏繞部10，所述繩索9的一端固定在所述圓柱形纏繞部10的側壁上，
[0064]所述弧板I的水平截面的外沿的曲率半徑呈線性變化，所述弧板I的曲率半徑大的一端與所述管纜彎曲支撐板8固定連接，所述弧板I上設有沿所述弧板I彎曲方向延伸的水平通孔11，所述水平通孔11延伸至所述管纜彎曲支撐板8，所述管纜彎曲支撐板8靠近所述弧板I外沿的一側設有接頭固定裝置12，
[0065]工作狀態下，非加載力時，所述管纜13的一端通過管纜接頭與所述接頭固定裝置12垂直連接，所述繩索9的另一端穿過所述水平通孔11與所述管纜13的自由端連接，所述繩索9的中心線與所述管纜13的中心線位于同一水平面內，所述管纜13在未彎曲時，所述管纜13的固定端與所述水平通孔11的開口處相切，
[0066]加載力時，所述作動器4推動所述齒條3，所述齒條3帶動所述小齒輪5，所述小齒輪5帶動所述大齒輪6，所述大齒輪6旋轉使得所述繩索9纏繞在所述圓柱形纏繞部10的側壁上，所述繩索9拉動所述管纜13向所述水平通孔11彎曲。
[0067]所述弧板I的水平截面的外沿上某點處的曲率半徑滿足以下公式:
[0068]p = -l.5x+4,
[0069]在所述弧板I的水平截面所在水平面內建立直角坐標系xOy，其中，所述弧板I的水平截面的外沿與所述管纜彎曲支撐板8相交處為坐標原點0，垂直于所述管纜彎曲支撐板8且指向所述弧板I延伸方向為X軸的正方向，平行于所述管纜彎曲支撐板8且指向所述弧板I彎曲方向為y軸正方向，P為所述弧板I的水平截面的外沿上某點處的曲率半徑，X為所述弧板I的水平截面的外沿上某點在X軸上所對應的值，O < X < 2。
[0070]所述齒輪固定架7上設有兩條豎直設置的通槽15，所述兩條通槽15分別通過螺栓螺母與固定板116和固定板Π 17連接，所述固定板116通過齒輪軸118與所述大齒輪6連接，所述固定板Π 17通過齒輪軸Π 19與所述小齒輪5連接。
[0071]所述弧板I位于所述水平通孔11下方的板面上設有多個沿所述弧板I彎曲方向排列的管纜支撐桿連接孔21，所述管纜支撐桿連接孔21上設有支撐所述管纜13保持水平的管纜支撐桿22，所述管纜支撐桿22通過螺栓螺母與所述管纜支撐桿連接孔21連接。
[0072]所述大齒輪6設有多個以所述大齒輪6的軸線為軸均勻分布的孔123，所述孔123貫穿所述大齒輪6的齒輪端面和所述圓柱形纏繞部10的端面，
[0073]所述小齒輪5設有多個以所述小齒輪5的軸線為軸均勻分布的孔Π24，所述孔Π 24貫穿所述小齒輪5的齒輪端面。
[0074]所述檢測裝置還包括支撐臺14，所述支撐臺14上設有所述管纜彎曲支撐板8和所述弧板I。
[0075]所述弧板I的上沿設有曲率半徑值。
[0076]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種新型的海洋工程柔順性管纜最小彎曲半徑測試裝置，其特征在于:包括砧座，水平滑軌，位于所述水平滑軌上的齒條，推動所述齒條沿所述水平滑軌運動的作動器，與所述齒條配合的小齒輪，與所述小齒輪配合的大齒輪，固定所述大齒輪和所述小齒輪的齒輪固定架以及繩索， 所述砧座包括弧板、固定所述弧板的管纜彎曲支撐板及支撐桁架結構， 所述大齒輪一側的齒輪端面具有與所述大齒輪同軸的圓柱形纏繞部，所述繩索的一端固定在所述圓柱形纏繞部的側壁上， 所述弧板的水平截面的外沿的曲率半徑呈線性變化，所述弧板的曲率半徑大的一端與所述管纜彎曲支撐板固定連接，所述弧板上設有沿所述弧板彎曲方向延伸的水平通孔，所述水平通孔延伸至所述管纜彎曲支撐板，所述管纜彎曲支撐板靠近所述弧板外沿的一側設有接頭固定裝置， 工作狀態下，非加載力時，所述管纜的一端通過管纜接頭與所述接頭固定裝置垂直連接，所述繩索的另一端穿過所述水平通孔與所述管纜的自由端連接，所述繩索的中心線與所述管纜的中心線位于同一水平面內，所述管纜在未彎曲時，所述管纜的固定端與所述水平通孔的開口處相切， 加載力時，所述作動器推動所述齒條，所述齒條帶動所述小齒輪，所述小齒輪帶動所述大齒輪，所述大齒輪旋轉使得所述繩索纏繞在所述圓柱形纏繞部的側壁上，所述繩索拉動所述管纜向所述水平通孔彎曲。2.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述弧板的水平截面的外沿上某點處的曲率半徑滿足以下公式: P = -1.5x+4， 在所述弧板的水平截面所在水平面內建立直角坐標系xOy，其中，所述弧板的水平截面的外沿與所述管纜彎曲支撐板相交處為坐標原點0，垂直于所述管纜彎曲支撐板且指向所述弧板延伸方向為X軸的正方向，平行于所述管纜彎曲支撐板且指向所述弧板彎曲方向為y軸正方向，P為所述弧板的水平截面的外沿上某點處的曲率半徑，X為所述弧板的水平截面的外沿上某點在X軸上所對應的值，O < X < 2。3.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述齒輪固定架上設有兩條豎直設置的通槽，所述兩條通槽分別通過螺栓螺母與固定板I和固定板Π連接，所述固定板I通過齒輪軸I與所述大齒輪連接，所述固定板Π通過齒輪軸Π與所述小齒輪連接。4.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述弧板位于所述水平通孔下方的板面上設有多個沿所述弧板彎曲方向排列的管纜支撐桿連接孔，所述管纜支撐桿連接孔上設有支撐所述管纜保持水平的管纜支撐桿，所述管纜支撐桿通過螺栓螺母與所述管纜支撐桿連接孔連接。5.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述大齒輪設有多個以所述大齒輪的軸線為軸均勻分布的孔I，所述孔I貫穿所述大齒輪的齒輪端面和所述圓柱形纏繞部的端面， 所述小齒輪設有多個以所述小齒輪的軸線為軸均勻分布的孔Π，所述孔Π貫穿所述小齒輪的齒輪端面。6.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述測試裝置還包括支撐臺，所述支撐臺上設有所述管纜彎曲支撐板和所述弧板。7.根據權利要求1所述的測試裝置，其特征在于:所述弧板的上沿設有曲率半徑值。
【文檔編號】G01B5/20GK205619862SQ201620416712
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】楊志勛, 楊鈺城, 盧青針, 閻軍, 陳金龍, 吳尚華, 尹原超, 岳前進
【申請人】大連理工大學