本發(fā)明涉及管道工程，特別是涉及一種模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架及方法。

背景技術：

1、作為能源輸送的主要方式，管道在輸送油、氣和水等方面具有效率高、輸送量大和成本低等優(yōu)勢。然而，由于管道常常處在惡劣環(huán)境中，進而受到自然因素如波浪、潮流和沉積物等影響，導致管道常常出現(xiàn)凹陷、裂紋、腐蝕等情況，這對能源的安全運輸構成了較大威脅。因此，管道的維修工作顯得尤為重要。

2、在對局部管道維修的過程中，需要先對管道進行局部開挖，使得維修段管道處于懸空狀態(tài)，然后通過水下機器人或者人工潛水等方式對管道進行檢測，最后通過夾具或者符合材料纏繞等方式進行維修，但是管道檢修或者維修設備在管道維修過程中產生的工作載荷可能會對管道原有的局部缺陷以及懸空段管道造成二次影響，因此，往往需要對維修過程中懸空處管道應變、位移等情況進行分析，從而來判斷管道在工作載荷作用后是否處于安全形變范圍內。

3、然而，目前的分析手段主要依賴于仿真分析，該方法存在一定的邊界條件假設，無法真實反饋實際管道情況。這種局限性使其在實際施工中難以準確評估動態(tài)載荷對管道整體結構的影響，從而可能導致對管道安全狀況的誤判。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架及方法，以解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，在模擬動態(tài)載荷作用下，實時監(jiān)測被測管道的應力應變、位移等參數(shù)變化情況。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明提供一種模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，包括固定支撐臺架、沖擊模塊、監(jiān)測模塊和控制系統(tǒng)，所述固定支撐臺架包括兩個夾持支撐部，兩個所述夾持支撐部分別用于夾持實驗管道的兩端，所述沖擊模塊滑動安裝于兩個所述夾持支撐部之間，且所述沖擊模塊包括水平?jīng)_擊部和垂直沖擊部，所述沖擊模塊和所述監(jiān)測模塊均與所述控制系統(tǒng)電連接，所述水平?jīng)_擊部用于活動安裝于實驗管道的一側，所述垂直沖擊部用于活動安裝于實驗管道的下方，所述監(jiān)測模塊的監(jiān)測端用于安裝于實驗管道的表面。

4、優(yōu)選的，所述夾持支撐部包括防傾倒底座和支撐臺，所述防傾倒底座內設有配重物，所述支撐臺固定于所述防傾倒底座上端，且所述支撐臺上端安裝有固定夾具，所述固定夾具用于夾持實驗管道。

5、優(yōu)選的，還包括水槽，所述固定支撐臺架和所述沖擊模塊均位于所述水槽內。

6、優(yōu)選的，兩個所述夾持支撐部之間安裝有兩個平行設置的滑軌機構，所述滑軌機構的長度方向與實驗管道的長度方向一致，所述水平?jīng)_擊部和所述垂直沖擊部分別滑動連接于兩個所述滑軌機構上。

7、優(yōu)選的，所述滑軌機構包括滑軌底座、滑軌本體、滑臺和驅動電機，所述滑軌底座的兩端分別連接于兩個所述夾持支撐部上，所述滑軌本體安裝于所述滑軌底座內，所述滑臺滑動連接于所述滑軌本體上，且所述滑臺上端用于安裝所述水平?jīng)_擊部下端或所述垂直沖擊部下端，所述驅動電機用于驅動所述滑臺沿所述滑軌本體滑動，所述驅動電機與所述控制系統(tǒng)電連接。

8、優(yōu)選的，所述水平?jīng)_擊部包括油缸支撐架和水平液壓油缸，所述油缸支撐架位于實驗管道的一側，所述油缸支撐架的下端滑動連接于兩個所述夾持支撐部之間，所述油缸支撐架的上端連接所述水平液壓油缸的固定端，所述水平液壓油缸的輸出端通過油缸抱箍連接實驗管道，所述水平液壓油缸的輸出端與所述油缸抱箍之間還設有壓力傳感器，所述壓力傳感器和所述控制系統(tǒng)電連接。

9、優(yōu)選的，所述垂直沖擊部包括垂直液壓油缸，所述垂直液壓油缸位于實驗管道的一側，所述垂直液壓油缸的下端滑動連接于兩個所述夾持支撐部之間，所述垂直液壓油缸的上端通過油缸抱箍連接實驗管道，所述垂直液壓油缸的輸出端與所述油缸抱箍之間還設有壓力傳感器，所述壓力傳感器和所述控制系統(tǒng)電連接。

10、優(yōu)選的，所述控制系統(tǒng)包括電路板和液壓控制元器件，所述電路板包括單片機和驅動器，所述驅動器與所述單片機電連接，所述驅動器與所述液壓控制元器件電連接，且所述水平?jīng)_擊部和所述垂直沖擊部均與所述液壓控制元器件連接。

11、優(yōu)選的，所述監(jiān)測模塊包括光纖應變傳感陣列、光纖解調儀、上位機、拉力傳感器、位移傳感器和多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述光纖應變傳感陣列為所述監(jiān)測模塊的監(jiān)測端，所述光纖應變傳感陣列安裝于實驗管道的外表面，且所述光纖應變傳感陣列沿實驗管道的軸向和環(huán)向放置，所述光纖應變傳感陣列通過線纜連接所述光纖解調儀，所述光纖解調儀通過線纜連接所述上位機，所述光纖應變傳感陣列、所述拉力傳感器和所述位移傳感器均與所述多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接，并通過所述多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，所述多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接所述上位機，所述上位機電連接所述控制系統(tǒng)。

12、本發(fā)明還提供一種模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗方法，使用上述技術方案中任一項所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，包括以下步驟：

13、s1.將實驗管道安裝在兩個夾持支撐部上，分別將水平?jīng)_擊部或垂直沖擊部的輸出端連接實驗管道，并根據(jù)實驗需要選擇是否設置水槽；

14、s2.通過控制系統(tǒng)輸出控制信號，使水平?jīng)_擊部或垂直沖擊部移動至指定位置；

15、s3.控制系統(tǒng)控制水平?jīng)_擊部實現(xiàn)水平伸縮動作，?或者控制垂直沖擊部實現(xiàn)垂直升降動作，以使實驗管道受到模擬動態(tài)工作載荷并產生動態(tài)應變及位移，同時，監(jiān)測模塊的監(jiān)測端實時傳輸實驗管道的應變、位移以及載荷作用力數(shù)據(jù)，完成對實驗管道的應變、位移以及載荷力實時監(jiān)測；

16、s4.在一次模擬工況結束后，若需要對實驗管道其余位置再次施加載荷，移動水平?jīng)_擊部或者垂直沖擊部至指定位置并重復s3；若需要對不同規(guī)格的實驗管道進行模擬實驗，更換夾持支撐部上的固定夾具以及水平?jīng)_擊部和垂直沖擊部上的油缸抱箍。

17、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術取得了以下技術效果：

18、本發(fā)明提供的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架及方法，固定支撐臺架包括兩個夾持支撐部，兩個夾持支撐部分別用于夾持實驗管道的兩端，沖擊模塊滑動安裝于兩個夾持支撐部之間，進而能夠對沖擊位置進行調整，實現(xiàn)通過更換不同直徑的實驗管道，并在實驗管道的不同位置和工況條件下進行實驗，實時監(jiān)測實驗管道指定位置的動態(tài)應變，模擬懸空管道維修施工期間的工作載荷對管道應變狀態(tài)的影響，從而實現(xiàn)對管道在不同荷載條件下的應變狀態(tài)分析，這將與后續(xù)針對實際管道的應變監(jiān)測裝置所得到的動態(tài)應變數(shù)據(jù)形成對比，從而評估監(jiān)測裝置的有效性和準確性；沖擊模塊包括水平?jīng)_擊部和垂直沖擊部，沖擊模塊和監(jiān)測模塊均與控制系統(tǒng)電連接，能夠使實驗管道所受的工況條件得以控制，以更加精確地模擬實際管道所受工作載荷，水平?jīng)_擊部用于活動安裝于實驗管道的一側，進而為實驗管道提供水平方向上的載荷模擬，垂直沖擊部用于活動安裝于實驗管道的下方，進而為實驗管道提供豎直方向上的載荷模擬，監(jiān)測模塊的監(jiān)測端用于安裝于實驗管道的表面，以實時監(jiān)測實驗管道的應變數(shù)據(jù)，并將得到的應變數(shù)據(jù)進行傳輸，以使實驗管道的應變情況能夠被實時監(jiān)測。

技術特征：

1.一種模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：包括固定支撐臺架、沖擊模塊、監(jiān)測模塊和控制系統(tǒng)，所述固定支撐臺架包括兩個夾持支撐部，兩個所述夾持支撐部分別用于夾持實驗管道的兩端，所述沖擊模塊滑動安裝于兩個所述夾持支撐部之間，且所述沖擊模塊包括水平?jīng)_擊部和垂直沖擊部，所述沖擊模塊和所述監(jiān)測模塊均與所述控制系統(tǒng)電連接，所述水平?jīng)_擊部用于活動安裝于實驗管道的一側，所述垂直沖擊部用于活動安裝于實驗管道的下方，所述監(jiān)測模塊的監(jiān)測端用于安裝于實驗管道的表面。

2.根據(jù)權利要求1所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：所述夾持支撐部包括防傾倒底座和支撐臺，所述防傾倒底座內設有配重物，所述支撐臺固定于所述防傾倒底座上端，且所述支撐臺上端安裝有固定夾具，所述固定夾具用于夾持實驗管道。

3.根據(jù)權利要求1所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：還包括水槽，所述固定支撐臺架和所述沖擊模塊均位于所述水槽內。

4.根據(jù)權利要求1所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：兩個所述夾持支撐部之間安裝有兩個平行設置的滑軌機構，所述滑軌機構的長度方向與實驗管道的長度方向一致，所述水平?jīng)_擊部和所述垂直沖擊部分別滑動連接于兩個所述滑軌機構上。

5.根據(jù)權利要求4所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：所述滑軌機構包括滑軌底座、滑軌本體、滑臺和驅動電機，所述滑軌底座的兩端分別連接于兩個所述夾持支撐部上，所述滑軌本體安裝于所述滑軌底座內，所述滑臺滑動連接于所述滑軌本體上，且所述滑臺上端用于安裝所述水平?jīng)_擊部下端或所述垂直沖擊部下端，所述驅動電機用于驅動所述滑臺沿所述滑軌本體滑動，所述驅動電機與所述控制系統(tǒng)電連接。

6.根據(jù)權利要求1所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：所述水平?jīng)_擊部包括油缸支撐架和水平液壓油缸，所述油缸支撐架位于實驗管道的一側，所述油缸支撐架的下端滑動連接于兩個所述夾持支撐部之間，所述油缸支撐架的上端連接所述水平液壓油缸的固定端，所述水平液壓油缸的輸出端通過油缸抱箍連接實驗管道，所述水平液壓油缸的輸出端與所述油缸抱箍之間還設有壓力傳感器，所述壓力傳感器和所述控制系統(tǒng)電連接。

7.根據(jù)權利要求1所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：所述垂直沖擊部包括垂直液壓油缸，所述垂直液壓油缸位于實驗管道的一側，所述垂直液壓油缸的下端滑動連接于兩個所述夾持支撐部之間，所述垂直液壓油缸的上端通過油缸抱箍連接實驗管道，所述垂直液壓油缸的輸出端與所述油缸抱箍之間還設有壓力傳感器，所述壓力傳感器和所述控制系統(tǒng)電連接。

8.根據(jù)權利要求6或7所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：所述控制系統(tǒng)包括電路板和液壓控制元器件，所述電路板包括單片機和驅動器，所述驅動器與所述單片機電連接，所述驅動器與所述液壓控制元器件電連接，且所述水平?jīng)_擊部和所述垂直沖擊部均與所述液壓控制元器件連接。

9.根據(jù)權利要求1所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，其特征在于：所述監(jiān)測模塊包括光纖應變傳感陣列、光纖解調儀、上位機、拉力傳感器、位移傳感器和多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述光纖應變傳感陣列為所述監(jiān)測模塊的監(jiān)測端，所述光纖應變傳感陣列安裝于實驗管道的外表面，且所述光纖應變傳感陣列沿實驗管道的軸向和環(huán)向放置，所述光纖應變傳感陣列通過線纜連接所述光纖解調儀，所述光纖解調儀通過線纜連接所述上位機，所述光纖應變傳感陣列、所述拉力傳感器和所述位移傳感器均與所述多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接，并通過所述多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，所述多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接所述上位機，所述上位機電連接所述控制系統(tǒng)。

10.一種模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗方法，其特征在于：使用權利要求1-9中任一項所述的模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架，包括以下步驟：

技術總結
本發(fā)明公開了一種模擬海底管道動態(tài)載荷作用的實驗臺架及方法，涉及管道工程技術領域，包括固定支撐臺架、沖擊模塊、監(jiān)測模塊和控制系統(tǒng)，固定支撐臺架包括兩個夾持支撐部，兩個夾持支撐部分別用于夾持實驗管道的兩端，沖擊模塊滑動安裝于兩個夾持支撐部之間，且沖擊模塊包括水平?jīng)_擊部和垂直沖擊部，沖擊模塊和監(jiān)測模塊均與控制系統(tǒng)電連接，水平?jīng)_擊部用于活動安裝于實驗管道的一側，垂直沖擊部用于活動安裝于實驗管道的下方，監(jiān)測模塊的監(jiān)測端用于安裝于實驗管道的表面。本發(fā)明能夠在模擬動態(tài)載荷作用下，實時監(jiān)測被測管道的應變、位移、載荷作用力等多參數(shù)變化情況。

技術研發(fā)人員：陳家旺,任雪玉,孫尚,韓博,周建玲,葛晗,林彥奇,吳宇凡,司玉林
受保護的技術使用者：浙江大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/4/24