本發明涉及一種可以模擬海洋工程管道在復雜載荷條件下腐蝕過程的實驗設備。

背景技術：

腐蝕是淺海邊際油田海洋工程管道失效的主要誘因，新的管線的設計和已經服役多年的管道的校核都需要對其腐蝕情況進行充分的評估和預測。在油價低迷的情況下，對于深海油氣田的開發需要投入大量的人力、物力和財力，相比較而言，淺海邊際油田的開發則具有更高的經濟價值和戰略意義。導致海洋工程管道腐蝕的影響因素眾多，其中應力腐蝕(scc)是最主要的誘因之一，約占腐蝕失效事件的40％～60％；此外，管道所處海洋環境的溫度、ph值、含氧量等等因素，也會對管道的腐蝕造成嚴重的影響。海洋工程管道產生應力腐蝕的原因主要是海底地形變化引起的管道懸跨、彎曲，海流沖刷以及輸送介質的溫度變化引起的管道膨脹等等。溫度、ph值、含氧量的變化多是海洋環境和管內運輸介質共同作用導致的。目前國內外關于海洋工程管道的腐蝕實驗裝置多為實驗室內進行的縮尺比加速實驗裝置，并且可施加的載荷種類比較單一，很少有能夠同時施加拉壓應力、扭轉應力和彎矩等復雜載荷，尤其缺少彎矩載荷的施加功能，管道在海底經常會處于懸跨狀態，彎矩的實驗設備就顯得至關重要，并且是針對全尺寸海洋工程管道的裝置。在施加載荷的同時，能進行溫度、ph值、含氧量變化的全尺寸仿真實驗的設備更少。因此，有必要設計一套針對全尺寸海洋工程管道的腐蝕實驗裝置，以模擬載荷情況變化，海洋溶液參數變化對于管道性能影響的實驗裝置。目前已有的管道腐蝕研究相關實驗裝置不足之處主要有：

1.大部分是縮尺比的實驗設備，缺乏針對全尺寸海洋工程管道應力腐蝕的實驗設備及工藝流程設計，如申請號為cn101226135a、cn105136596a等等，都是通過縮尺比的管道試件或者材料研究腐蝕特性。

2.可以施加的載荷類型較局限，尤其是彎矩載荷的施加功能欠缺，如申請號為cn105136596a只能模擬恒位移載荷的裂尖應力腐蝕開裂狀態，申請號cn201610030544.1、cn201510296350.1的實驗裝置，加載的應力比較單一等等。

技術實現要素：
：

本發明的目的就是在充分考慮海底管道的實際環境基礎上，提供海洋工程管道的實驗裝置。該裝置需要采集真實的海水，并通過控制海水不同的溫度、ph值、含氧量等參數盡量模擬真實的海洋環境，可以同時進行實驗組和對照組實驗。在外加載荷方面，該裝置增加了彎矩載荷的施加模塊，可以實現拉壓應力、扭轉應力和彎矩的單獨作用和聯合作用，通過選擇恒載荷法和恒位移法的不同加載方式，研究海洋工程管道在海洋環境中受復雜載荷作用下的腐蝕變化情況，此外，還可以制成全尺寸模擬設備，彌補實驗室縮比尺加速腐蝕實驗的不足，實驗結果更接近實際情況。本發明的技術方案如下：

一種海洋工程管道腐蝕實驗設備，用于對實驗管道(8)進行腐蝕模擬實驗，包括：軸向載荷加載裝置，扭轉載荷加載裝置，彎曲載荷加載裝置，兩個腐蝕實驗水箱(10,13)和管道固定裝置和外壁(18)，其中，

兩個腐蝕實驗水箱(10,13)與實驗管道(8)的不同部位分別密封連接，并分別連通有氧氣柔性管(9,12)，用來控制腐蝕溶液的氧氣濃度；

實驗管道(8)的一端為加載端，另一端為固定端，軸向載荷加載裝置用于對實驗管道8的加載端施加軸向載荷，包括固定臺(1)，置于固定臺(1)上的液壓油缸(2)，其活塞(5)與實驗管道(8)的加載端固定連接；

扭轉載荷加載裝置包括向實驗管道(8)的加載端的同一個橫截面上施加扭轉彎矩的兩個液壓油缸(6，7)；

管道固定裝置用于固定實驗管道(8)的固定端；

彎曲載荷加載裝置加載在兩個腐蝕實驗水箱(10，13)之間的實驗管道(8)的外部，所述的彎曲載荷加載裝置包括套環(16)和兩個液壓油缸(11，14)，套環(16)固定在兩個腐蝕實驗水箱(10，13)之間的實驗管道(8)的外部，兩個液壓油缸(11，14)通過套環(16)同時向實驗管道(8)施加垂直向下的載荷。

優選地，外壁(18)由保溫材料制成，整個海洋工程管道腐蝕實驗設備置于外壁(18)圍成的倉室空間內，倉室空間內設有控溫裝置；倉室空間內設有加濕裝置。

本發明適用于于全尺寸海洋工程管道在復雜載荷作用下的應力腐蝕實驗，具有以下優點：

1.針對全尺寸海洋工程管道進行實驗，采用海水配置的腐蝕溶液，盡可能模擬海洋工程管道在真實情況下的應力腐蝕情況；

2.相比于類似專利，增加了彎矩加載實驗的功能，能夠模擬海洋油氣管道在海底出現懸跨時，復雜載荷條件下的腐蝕實驗情況；

3.實現軸向載荷恒位移、恒載荷加載，扭轉載荷加載，彎曲載荷加載等復雜載荷加載的情況。可以通過不同載荷的組合，從而實現拉扭、壓扭、壓力彎矩組合等等復雜加載情況。

4.本裝置在實驗中設置了兩個腐蝕水箱，可以同時進行實驗組和對照組實驗，控制其他條件相同，研究單一變量變化對于管道的應力腐蝕影響規律，能夠提高實驗效率。

附圖說明

圖1整體布置圖

圖中標號說明：1—固定臺；2—液壓油缸；3—法蘭；4—法蘭；5—活塞；6—液壓油缸；7—液壓油缸；8—實驗管道；9—氧氣柔性管；10—腐蝕實驗水箱；11—液壓油缸；12—氧氣柔性管；13—腐蝕實驗水箱；14—液壓油缸；15—套環連接孔；16—半圓形套環；17—導軌；18—外壁；19—法蘭；20—導軌；21—銷；22—三角形規定框架；23—法蘭；24—導軌。

圖2軸向加載裝置圖，(a)為立體圖，(b)為正視圖

圖中標號說明：1—固定臺；2—液壓油缸；3—法蘭；5—活塞；

固定臺1和液壓油缸2固定在地面上，法蘭3和液壓油缸的活塞5以及液壓油缸2都是一體的。實驗過程中，活塞5通過法蘭3將軸向載荷傳遞給實驗管道8。

圖3扭轉載荷加載裝置

圖中標號說明：3—法蘭；6—液壓油缸；7—液壓油缸；

液壓油缸6、7都固定在地面，通過螺栓和法蘭3連接。實驗過程中，液壓油缸6施加垂直向上的載荷，液壓油缸7施加相同大小的垂直向下的載荷，兩個載荷形成了扭轉力矩。

圖4彎曲載荷加載裝置

圖5彎曲載荷加載裝置

圖中標號說明：圖4中14—液壓油缸；15—套環連接孔；圖5中11—液壓油缸；12—氧氣柔性管；16—半圓形套環；

上下兩個半圓形套環16通過圖4中的連接孔15相連，液壓油缸11、14的軸承上有螺紋，軸承穿過連接孔，用螺栓緊固即可。實驗過程中，液壓油缸11、14同時施加相同的垂直向下的載荷，由于實驗管道8兩端固定，相當于對實驗管道8施加了彎曲載荷。

圖6管道固定裝置

圖中標號說明：20—導軌；21—銷；22—三角形固定框架；23—法蘭；24—導軌；

根據實驗管道8的長度將三角形固定框架22通過三個銷21分別固定在導軌17、導軌20和導軌24上，導軌24固定在外壁的頂上，導軌17、導軌20固定在地面上，將與實驗管道8焊接的法蘭19和三角形固定框架22上的法蘭23通過八個螺栓固定連接。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作進一步描述：

如圖1所示，全尺寸海洋工程管道腐蝕實驗設備，主要用于測量全尺寸實驗管道8在施加復雜載荷的條件下，在海水腐蝕溶液中的狀態變化，其中包括：軸向載荷加載裝置1、2、5，扭轉載荷加載裝置6、7，彎曲載荷加載裝置11、14、15、16，腐蝕實驗水箱9、10、12、13，管道固定裝置17、19、20、21、22、23、24，實驗設備固定保溫外壁18。其中，腐蝕實驗水箱10、腐蝕實驗水箱13通過防腐蝕的橡膠墊圈與實驗管道8密封連接，實驗管道8和軸向載荷、扭轉載荷加載裝置通過法蘭3和法蘭4連接，實驗管道8和彎曲載荷加載裝置通過鋼制套環16連接，實驗管道8和固定裝置通過法蘭19和法蘭23連接。

軸向載荷加載裝置包括固定臺1，固定在固定臺1上的液壓油缸2和活塞5。連接裝置包括兩個相同規格的法蘭3和法蘭4，其中法蘭3和活塞5是一體的，法蘭4焊接固定在實驗管道8上，法蘭3和法蘭4通過8個螺栓連接，確保不會出現相對位移。液壓油缸2缸體內可以雙向加入液壓油，因此可以提供雙向的軸向載荷，液壓油缸2的油壓推動活塞5進行軸向的雙向移動，活塞5和法蘭3固定連接，活塞5的軸向力通過法蘭3和法蘭4傳遞到實驗管道8的一端截面。由于法蘭4和實驗管道8截面均勻接觸，軸向載荷會均勻施加在實驗管道8上。通過電子數控設備可以調節恒位移加載、恒載荷加載，并且調控加載速度加載不同情況的軸向載荷。

環向扭轉載荷加載裝置包括液壓油缸6以及對稱位置放置的同樣規格的液壓油缸7，法蘭3和法蘭4。液壓油缸6、液壓油缸7固定在地面上，法蘭3和法蘭4之間、法蘭4和實驗管道8的連接方式和上文描述相同，施加扭矩的液壓油缸6和液壓油缸7通過螺栓固定在法蘭3側面中間位置的螺栓上，如圖1所示。在施加扭轉載荷時，對稱放置的液壓油缸6和液壓油缸7分別提供垂直于地面的相反方向的載荷，例如，液壓油缸6提供垂直地面向上的載荷，液壓油缸7提供垂直地面向下的載荷，兩個載荷共同作用會形成扭轉彎矩。如果需要提供相反方向的扭轉彎矩，可以改變液壓油缸6和液壓油缸7的載荷方向。

彎曲載荷加載裝置包括兩個半圓形套環16，液壓油缸14以及對稱放置在管道另一側同樣規格的液壓油缸11。液壓油缸11和液壓油缸14固定在地面上，半圓形套環16的內徑和實驗管道8的外徑相同，確保半圓形套環16能夠無縫貼合在實驗管道8上。半圓形套環16在實驗管道8側面通過螺母和液壓油缸11和液壓油缸14的軸承固定連接，液壓油缸11和液壓油缸14的軸承穿過套環的連接孔，在連接孔的下面和上面分別加一個螺母，螺母通過軸承上的螺紋緊固，從而將實驗管道8、半圓形套環16以及液壓油缸11、14連接成為一體。施加彎曲載荷時，液壓油缸11、14同時對半圓形套環16施加垂直于地面向下的力f，套環將力傳導給實驗管道8，半圓形套環16位置與實驗管道8固定端位置之間的距離為l，彎矩m＝f*l。

腐蝕實驗水箱10、13分布在半圓形套環16的兩側，距半圓形套環16的距離相同，以確保腐蝕實驗管段受到相同的彎曲載荷作用。腐蝕實驗水箱10、13和實驗管道8的連接部分通過防腐蝕的橡膠墊圈密封連接。腐蝕實驗水箱10、13內有防腐蝕的氧氣柔性管9和氧氣柔性管12，可以控制腐蝕溶液的氧氣濃度。實驗過程中，腐蝕實驗水箱10是實驗組，腐蝕實驗水箱13是對照組，通過控制變量的方法研究單一變量對于實驗管道8的影響。

管道的固定端是由三角形固定框架22、法蘭23、導軌17、導軌20和導軌24，以及每個導軌中相同位置放置的銷21組成。外壁18是由建筑保溫材料制成，可以起到固定以及保溫的作用，整個實驗裝置都置于外壁18圍成的倉室空間內，為了便于理解，圖中只展示了小部分的外壁18。三角形固定框架22上焊接固定了法蘭23，可以在導軌上滑動，實驗過程中，實驗管道8和法蘭19焊接連接成為一體，根據實驗管道8的長度調整三角形固定框架22在導軌上的位置，確定位置后用八個螺栓將法蘭19和法蘭23固定連接，再用三個銷21將三角形固定框架22固定在導軌17、導軌20和導軌24上。

實驗進行前，先將實驗管道8穿過兩個腐蝕水箱10、13，將防腐蝕的橡膠墊圈套在實驗管道8上，但并不進行密封。然后將法蘭4和法蘭19分別焊接在實驗管道8的兩端，并根據實驗管道8的長度將三角形固定框架22固定在導軌17、20、24上。如圖2所示，三角形固定框架22固定后將管道一端的法蘭4和軸向載荷加載裝置的法蘭3固定連接，并且通過螺栓將施加扭轉載荷的液壓油缸6、7和法蘭3、4一并固定在一起。如圖6所示，管道另一端的法蘭19和三角形固定框架22上的法蘭23固定連接。如圖4、5所示，將兩個半圓形套環16通過螺母和施加彎曲載荷的液壓油缸11、14的軸承固定連接，組成彎曲載荷加載模塊。

施加載荷的過程中，可以通過數控系統控制軸向位移加載裝置的模式，調節恒載荷、恒位移軸向載荷加載，通過如圖2中的加載模塊施加。扭轉載荷的大小、方向通過數控加載裝置進行施加，通過如圖3中的加載模塊施加。彎曲載荷加載時，要先根據公式m＝f*l，其中l為彎曲載荷加載模塊距離管道固定端的距離，計算出f的大小，再通過彎曲載荷加載模塊，如圖4、5中的裝置施加。通過調控不同載荷類型的組合，實現恒載荷拉伸壓縮、恒位移拉伸壓縮、扭轉、彎曲等不同加載模式。

實驗管道8載荷加載情況確定后，實驗管道8狀態已經固定，之后用防腐蝕的橡膠墊圈將實驗管道8和腐蝕實驗水箱10、13密封連接。

實驗過程中，可采集海水試樣，根據需要調配海水試樣的ph值、溶液濃度等參數，并控制腐蝕溶液的溫度。如圖1所示，設置實驗組腐蝕實驗水箱10，對照組腐蝕實驗水箱13，通過控制變量的實驗方法，研究參數變化對于實驗管道8性能的影響規律。

實驗過程中，實驗倉室內有控溫裝置，同時，外壁18是由建筑保溫材料構成，保溫效果良好。此外，倉室內還有加濕裝置，能夠控制倉室內的濕度。