一种测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验装置及方法与流程

本发明属于石油天然气开采技术领域，尤其涉及一种测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验装置及方法。

背景技术：

目前，随着国民经济的快速发展，在全国范围内广泛分布的油气输送管道很多都存在着隐患，国务院办公厅和各省市高度重视，分别出台了油气输送管道安全隐患整改文件。在油气的输送过程中，带压流体流经管道，会使管道发生一定程度的变形，并引发应力集中的现象，造成管道长期疲劳损坏，不利于管道的长期安全使用。因此，测量带压流体充满或流经管道时的管壁应力或应变，对管道安全运行至关重要。同时，在管道的输送过程中，油气需要克服管道内壁的摩擦阻力，产生一定的压耗。因此，测量管壁应力或应变以及管道内壁的摩擦阻力系数，有利于监控管道的工作状态，保障油气管道输送的安全进行。

近年来，测量管道应力的新技术逐渐涌现，但均未考虑在有一定束缚的振动条件下及有束缚的非振动条件下管路应力的测量，未能有效模拟实际的工况，且现有设备大多针对水平管路的摩擦阻力系数与应力的测量，未能实现对竖直管路的有关测量。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

技术实现要素：

本发明提供了一种测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验装置及方法，旨在模拟测量管道管壁局部应力与摩擦阻力系数，进而分析油气输送管道的工作状态，降低事故分发生率，有效地保障油气管道的安全输送。

本发明所采用的技术方案为：

一种测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验装置，包括空压机、第一气瓶、增压泵、多条相互并联的储气支路、多条相互并联的高压水平管路、多个双轴式应变花、多个差压传感器、多条引压管线、应变仪、数据采集模块、计算机、多根弯管、多条相互并联的高压竖直管路、第二气瓶及多个回压器；所述增压泵分别与空压机和第一气瓶相连，各条储气支路上均设置有相连的储气罐和一号压力变送器，各储气罐的进气口端通过管路与所述增压泵相连，各一号压力变送器分别设置在与其相连的储气罐的出气口端，且各储气罐分别通过管路与多条高压水平管路相连；所述高压水平管路的条数与高压竖直管路的条数相等，每条高压水平管路均通过一根弯管与高压竖直管路相连，各条高压水平管路的内径均不相同，相互连接的高压水平管路和高压竖直管路的内径相等，每条高压水平管路配备有引压管线和差压传感器，差压传感器通过引压管线安装在高压水平管路上，各所述一号压力变送器和差压传感器均通过屏蔽线与数据采集模块相连，数据采集模块与计算机相连；各所述高压水平管路上每隔一米、各弯管上每隔一米、各高压竖直管路上每隔一米均贴有一个双轴式应变花，各双轴式应变花通过屏蔽线与应变仪相连，应变仪与计算机相连；各所述高压竖直管路的末端分别设置有一个所述回压器，各所述回压器均与第二气瓶相连。

各所述储气支路上还分别设置有一号截止阀、压力表、二号截止阀及高压减压阀，各条储气支路上，一号截止阀的出气口与储气罐的进气口相连，压力表的进气口与储气罐的出气口相连，二号截止阀的进气口连接一号变送器的出气口，二号截止阀的出气口连接高压减压阀的进气口。

各所述储气支路与高压水平管路相连的管路上设置有四号压力变送器和放空阀，所述四号压力变送器和放空阀之间的管路上设置有用于检测实验前、实验中和实验后管路内气体温度的温度传感器，四号压力变送器通过屏蔽线与所述数据采集模块相连。

各所述高压水平管路的进气口处均设置有一个一号高压球阀，各所述高压水平管路的出气口处均设置有一个二号高压球阀。

各所述高压竖直管路上均设置有二通、三通及二号压力变送器，每套高压竖直管路均分段设置，且分段为偶数段，每两段为一组，同组内的相连两段之间通过二通相连，相邻两组之间通过三通相连，三通的另一端接二号压力变送器或堵死。

用于连接每条所述高压水平管路与高压竖直管路的弯管均有三种型号，各型号的弯管的曲率半径不同，各弯管的内径和与弯管相连的高压水平管路的内径相同。

所述实验装置还包括干燥机、过滤器、三号压力变送器、安全阀及单向阀，所述干燥机和过滤器均与空压机相连，所述三号压力变送器、安全阀及单向阀分别设置在增压泵与储气支路之间的管路上，其中，三号压力变送器的进气口与增压泵的出气口相连，三号压力变送器的出气口与安全阀的进气口相连，安全阀的出气口与单向阀的进气口相连，单向阀的出气口与各所述储气支路相连。

所述实验装置还包括机架和用于固定高压水平、竖直管路的若干个卡箍，所述机架由铝合金制成，各卡箍均包括卡箍本体和定位槽，定位槽开设在卡箍本体的中央位置，定位槽的截面呈半圆状，定位槽内嵌有硅胶套。

所述卡箍中央开设有螺栓孔。

本发明还提供了一种利用上述的测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验装置测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，将空压机与干燥机和过滤器相连，经干燥和过滤后的气体作为增压泵的驱动气源，打开各储气支路上的一号截止阀，增压泵将增压后的气体分别输送到各储气支路上的储气罐；

步骤2，打开其中一条储气支路上的二号截止阀，其余储气支路上的二号截止阀均关闭，同时记录下该打开的储气支路上的一号压力变送器的示数P₁；

步骤3，打开其中一条高压水平管路进气口处的一号高压球阀，其余的高压水平管路进气口处的一号高压球阀均关闭，同时关闭该打开的高压水平管路出气口处的二号高压球阀，记录下该打开的高压水平管路上的差压传感器的示数Pm₁和该打开的高压水平管路上的双轴式应变花的应力F₁₁、F₁₂、F₁₃……F_1n，其中n为各高压水平管路上双轴式应变花的个数；

步骤4，关闭步骤3中已经打开的高压水平管路进气口处的一号高压球阀，打开该已经打开的高压水平管路的出气口处的二号高压球阀，记录下与该已经打开的高压水平管路相连通的高压竖直管路上的二号压力变送器的示数P₁₁、P₁₂、P₁₃……P_1h，其中h为各高压竖直管路上二号压力变送器的个数，同时记录下用于连通打开的高压水平管路和高压竖直管路的弯管上双轴式应变花的应力Fw,以及设置在该已经打开的高压竖直管路上的双轴式应变花的应力F′₁₁、F′₁₂、F′₁₃……F′_1i，其中i为各高压竖直管路上双轴式应变花的个数；

步骤5，更换打开不同的高压水平管路处的一号、二号高压球阀，重复上述步骤1～步骤4，分别测得不同管径的高压水平管路和高压竖直管路的管壁应力与摩擦阻力系数，高压水平管路的管壁应力由设置在高压水平管路上的双轴式应变花直接测得，高压竖直管路的管壁应力由设置在高压竖直管路上的双轴式应变花直接测得，高压水平管路的管壁摩擦阻力系数及高压竖直管路的管壁摩擦阻力系数通过下式计算得出：

高压水平管路：

高压竖直管路：

步骤6，更换不同曲率半径的弯管，重复上述步骤1～步骤5，测得不同管径和曲率半径的弯管的管壁应力与摩擦阻力系数，弯管上的管壁应力由设置在弯管上的双轴式应变花直接测得，弯管上的管壁摩擦阻力系数由下式得出：

其中，

λ₁、λ₂、λ₃分别为高压水平管路的管壁摩擦阻力系数、高压竖直管路的管壁摩擦阻力系数以及弯管的管壁摩擦阻力系数；

D₁、D₂、D₃分别为高压水平管路的内径、高压竖直管路的内径以及弯管的内径；

L₁、L₂、L₃分别为高压水平管路的管道长度、高压竖直管路的管道长度以及弯管的管道长度；

R为气体常数，对于空气而言，R＝287.1kJ/(kg·K)；

T为管路内气体温度；

Z为气体压缩因子，Z的数值根据管路内气体温度和压力由物性数据库查询得知；

M为质量流量，M通过以下途径获得：实验前，根据管路内气体温度和压力，通过物性数据库查询得出密度ρ₁，管路体积为V₁，得出质量m₁＝ρ₁V₁；实验后，气体的压力下降，再由此时的压力和管路内气体温度，通过物性数据库查询到一个新密度ρ₂，体积不变还是V₁，得出质量m₂＝ρ₂V₁，前后两质量做减法，除以实验时间得到质量流量M，即t为实验时间。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明中的实验装置可以方便地测量振动状态及非振动状态下不同管径的高压水平管路、高压竖直管路和弯管的管壁应力与摩擦阻力系数，同时可以测量不同曲率半径的弯管的管壁应力和摩擦阻力系数，为石油工业的安全运输提供了有力地保障。

2、本发明中三号变送器的出气口连接安全阀的进气口，安全阀的设置可以保证管路内的压力在一定范围内，防止了对各储气支路中储气罐的损坏，是实验更加安全。本发明中安全阀的出气口连接单向阀的进气口，单向阀可以防止增压泵停泵的瞬间气体倒流，对增压泵造成损坏。本发明中的储气罐的出气口连接压力表，压力表用于显示储气罐内的压力，压力表的出气口连接二号截止阀的进气口，截止阀的设置方便了实验人员对储气罐作出选择，二号截止阀的出气口连接高压减压阀，高压减压阀可以更好地保护管路，防止气体压力过大损坏管路。本发明中高压减压阀的出气口处设置有一号压力变送器，压力变送器可以监测气体的流程压力。本发明中高压水平管路、高压竖直管路和弯管上均设置有双轴式应变花，双轴式应变花方便测量每段高压水平管路、高压竖直管路和弯管上的管壁应力。本发明中高压竖直管路的末端安装有大流量的回压器，可以保证整个管路压力一直。此外，本发明中卡箍的设置，为固定高压水平管路和高压竖直管路预留了一定的活动空间，可以实现管路在一定束缚条件下的自由振动。

附图说明

图1为本发明实施例提供的管壁应力与摩擦阻力系数测量的实验装置整体流程示意图；

图2为本发明实施例提供的管壁应力与摩擦阻力系数测量的实验装置立体效果图；

图3为本发明实施例提供的卡箍结构图。

其中，

1、空压机 2、第一气瓶 3、增压泵 4、三号压力变送器 5、安全阀 6、单向阀 7、一号截止阀 8、储气罐 9、压力表 10、高压减压阀 11、四号压力变送器 12、放空阀 13、一号高压球阀 14、双轴式应变花 151、一号高压水平管路 152、二号高压水平管路 153、三号高压水平管路 154、四号高压水平管路 155、五号高压水平管路 16、差压传感器 17、引压管线 18、弯管 19、三通 201、一号高压竖直管路 202、二号高压竖直管路 203、三号高压竖直管路 204、四号高压竖直管路 205、五号高压竖直管路 21、大流量回压器 22、第二气瓶 23、一号压力变送器 24、二号压力变送器 25、二号高压球阀 26、二号截止阀 27、卡箍 28、硅胶套 29、定位槽 30、机架 31、计算机 32、温度传感器 33、螺栓孔

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图3所示，一种测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验装置，包括空压机1、干燥机、过滤器、第一气瓶2、增压泵3、三号压力变送器4、安全阀5、单向阀6、四条储气支路、五条高压水平管路、多个双轴式应变花14、五个差压传感器16、五条引压管线17、应变仪、数据采集模块、计算机31、五根弯管18、五条高压竖直管路、第二气瓶22及五个大流量回压器21。

所述增压泵3分别与空压机1和第一气瓶2相连，所述干燥机和过滤器均与空压机1相连，空压机1为增压泵3提供驱动气源。所述三号压力变送器4、安全阀5及单向阀6分别设置在增压泵3与储气支路之间的管路上，其中，三号压力变送器4的进气口与增压泵3的出气口相连，三号压力变送器4的出气口与安全阀5的进气口相连，安全阀5的出气口与单向阀6的进气口相连，单向阀6的出气口与各所述储气支路相连。

各条储气支路上均设置有储气罐8、一号压力变送器23、一号截止阀7、压力表9、二号截止阀26及高压减压阀10，各条储气支路上，一号截止阀7的进气口与上述单向阀6的出气口相连，一号截止阀7的出气口与储气罐8的进气口相连，压力表9的进气口与储气罐8的出气口相连，二号截止阀26的进气口连接一号压力变送器23的出气口，二号截止阀26的出气口连接高压减压阀10的进气口，高压减压阀10的出气口连接下述四号压力变送器11的进气口。

实验前，由空压机把各储气罐8或某个储气罐8充到一定压力，压力值由具体的实验要求来定；实验时：根据实验要求，根据气量，可打开一个、两个、三个或四个储气罐8，储气罐8的打开个数根据试验要求来定。

各所述储气支路分别通过管路与五条高压水平管路相连；所述五条高压水平管路相互并联，分别为一号高压水平管路151、二号高压水平管路152、三号高压水平管路153、四号高压水平管路154、五号高压水平管路155，五条高压水平管路的内径均不相同，优选一号高压水平管路151的内径为22.01mm、二号高压水平管路的内径为16.56mm、三号高压水平管路153的内径为10.92mm、四号高压水平管路154的内径为7.75mm、五号高压水平管路155的内径为4.57mm。一号高压水平管路151通过一根弯管18与一号高压竖直管路201相连，二号高压水平管路152通过一根弯管18与二号高压竖直管路202相连，三号高压水平管路153通过一根弯管18与三号高压竖直管路203相连，四号高压水平管路154通过一根弯管18与四号高压竖直管路204相连，五号高压水平管路155通过一根弯管18与五号高压竖直管路205相连，一号高压竖直管路201的内径、以及用于连接一号高压水平、竖直管路的弯管的内径均与一号高压水平管路151的内径相同，二号高压竖直管路202、以及用于连接二号高压水平、竖直管路的弯管的内径均与二号高压水平管路152的内径相同，三号高压竖直管路203的内径、以及用于连接三号高压水平、竖直管路的弯管的内径均与三号高压水平管路153的内径相同，四号高压竖直管路204、以及用于连接四号高压水平、竖直管路的弯管的内径均与四号高压水平管路154的内径相同，五号高压水平管路205、以及用于连接五号高压水平、竖直管路的弯管的内径均与五号高压水平管路155的内径相同。

每条高压水平管路配备有引压管线17和差压传感器16，差压传感器16通过引压管线17安装在高压水平管路上，各所述一号压力变送器23和差压传感器16均通过屏蔽线与数据采集模块相连，数据采集模块与计算机31相连。

各所述储气支路与高压水平管路相连的管路上设置有四号压力变送器11和放空阀12，所述四号压力变送器11和放空阀12之间的管路上设置有用于检测实验前、实验中和实验后管路内气体温度的温度传感器32，四号压力变送器11通过屏蔽线与所述数据采集模块相连。各所述高压水平管路的进气口处均设置有一个一号高压球阀13，各所述高压水平管路的出气口处均设置有一个二号高压球阀25。

所述一号、二号、三号、四号、五号高压水平管路的长度均为4米，各引压管线17的长度与各高压水平管路的长度相等，所述引压管线的外径为4.57mm。一号、二号、三号、四号、五号高压竖直管路的长度均为8米。所述一号、二号、三号、四号、五号高压竖直管路上均设置有二通、三通19及二号压力变送器24，三通19呈T型。所述一号、二号、三号、四号、五号高压竖直管路均分段设置，50cm一段，共分成16段，每两段为一组，同组内的相连两段之间通过二通相连，相邻两组之间通过三通19相连，三通19的另一端接二号压力变送器24或堵死。当某一个高压竖直管路内有气体流通作为测试管路时，其上的三通19上连接二号压力变送器24，当该高压竖直管路不作为测试管路时，其上的三通19堵死，二号压力变送器24再放置到另外一条作为测试管路的高压竖直管路的三通19上。

需要说明的是，所述一号、二号、三号、四号压力变送器并不仅仅局限于使用压力变送器，也可以用压力传感器替代。

用于连接每条所述高压水平管路与高压竖直管路的弯管18均有三种型号，各型号的弯管18的曲率半径不同，分别为1米、0.75米、0.5米，使用时，可以通过接头更换，各弯管18的内径和与弯管18相连的高压水平管路的内径相同。

所述一号、二号、三号、四号、五号高压水平管路上均布有五个双轴式应变花14，各弯管18上分别设置有一个双轴式应变花14，一号、二号、三号、四号、五号高压竖直管路上均布有八个双轴式应变花14。各所述双轴式应变花14的敏感栅长为5mm，应变片又屏蔽线接到应变仪，应变仪与计算机相31连，方便测量每段管路的管壁压力。所述一号、二号、三号、四号、五号高压竖直管路的末端分别设置有一个大流量回压器21，各所述大流量回压器21均与第二气瓶22相连。只有管路中的气体压力达到第二气瓶22的覆压力，才会把大流量回压器21中的膜片顶开形成通路，从而保证管路的压力。

所述实验装置还包括机架30和用于固定高压水平、竖直管路的若干个卡箍27，用于固定同一条管路的相邻两个卡箍27之间的间距是1米，所述机架30由铝合金制成，各卡箍27均包括卡箍本体和定位槽29，定位槽29开设在卡箍本体的中央位置，定位槽29的截面呈半圆状。卡箍本体的两端加工有沉头螺栓孔，定位槽29内嵌有厚度为2mm左右的与定位槽29相适配的硅胶套28，所述硅胶套28的半径比高压水平管路的外径大3mm，卡箍27使用时由螺栓固定在机架30的型材上，预留一定的活动空间，可以让高压水平管路和高压竖直管路有一定束缚的自由振动。此外，在各所述卡箍27的中央开设一个螺栓孔33，该螺栓孔33与内六角螺栓相适配，设置该螺栓孔33的作用在于：当未用内六角螺栓顶紧螺栓孔33时，可测量各高压水平管路、弯管、高压竖直管路在没有束缚、可自由振动条件下的管壁应力和摩擦阻力系数时；当使用内六角螺栓顶紧螺栓孔33时，可测量各高压水平管路、弯管、高压竖直管路在有束缚、不可振动条件下的管壁应力和摩擦阻力系数。

本发明还提供了一种利用上述的测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验装置测量管壁应力与摩擦阻力系数的实验方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，实验前，通过空压机1将各储气罐8中充到符合实验要求的压力，一般为10MPa；连接好整个实验装置，选择其中一个曲率半径的弯管18安装到管路中，打开空压机1，空压机1连接干燥机与过滤器，经干燥和过滤后的气体作为增压泵3的驱动气源，打开各储气支路上的一号截止阀7，增压泵3将增压后的气体分别输送到各储气支路上的储气罐8；每次实验前，都先设计好该次实验的回压压力，回压压力由第二气瓶22的上覆压力控制；

步骤2，打开其中一条储气支路上的二号截止阀26，其余储气支路上的二号截止阀26均关闭，同时记录下该打开的储气支路上的一号压力变送器的示数P₁；如果管路上的四号压力变送器11检测到管路的压力过大，则打开放空阀12，释放管路内的压力；

步骤3，打开其中一条高压水平管路进气口处的一号高压球阀13，其余高压水平管路进气口处的一号高压球阀13均关闭，同时关闭该条已经打开的高压水平管路出气口处的二号高压球阀25，记录下该条已经打开的高压水平管路上的差压传感器16的示数Pm1和该条已经打开的高压水平管路上的双轴式应变花14的应力F₁₁、F₁₂、F₁₃、F₁₄、F₁₅，同时记录实验时间，则可测量该条已经打开的高压水平管路的管壁应力和摩擦阻力系数；关闭该条已经打开的高压水平管路，打开另外一条高压水平管路，重复上述过程，即可测得不同管径的高压水平管路的管壁应力和摩擦阻力系数；

步骤4，关闭步骤3中已经打开的高压水平管路进气口处的一号高压球阀13，打开该已经打开的高压水平管路的出气口处的二号高压球阀25，记录下与该已经打开的高压水平管路相连通的高压竖直管路上的二号压力变送器24的示数P₁₁、P₁₂、P₁₃、P₁₄、P₁₅、P₁₆、P₁₇、P₁₈，同时记录下用于连通打开的高压水平管路和高压竖直管路的弯管18上双轴式应变花的应力Fw,以及设置在该已经打开的高压竖直管路上的双轴式应变花的应力F′₁₁、F′₁₂、F′₁₃、F′₁₄、F′₁₅、F′₁₆、F′₁₇、F′₁₈，，同时记录实验时间，即可测得弯管18与该条已经打开的高压竖直管路上的管壁应力与摩擦阻力系数；

步骤5，更换打开不同的高压水平管路处的一号、二号高压球阀，重复上述步骤1～步骤4，分别测得不同管径的高压水平管路和高压竖直管路的管壁应力与摩擦阻力系数，高压水平管路的管壁应力由设置在高压水平管路上的双轴式应变花直接测得，高压竖直管路的管壁应力由设置在高压竖直管路上的双轴式应变花直接测得，高压水平管路的管壁摩擦阻力系数及高压竖直管路的管壁摩擦阻力系数通过下式计算得出：

高压水平管路：

高压竖直管路：

步骤6，更换不同曲率半径的弯管，重复上述步骤1～步骤5，测得不同管径和曲率半径的弯管的管壁应力与摩擦阻力系数，弯管上的管壁应力由设置在弯管上的双轴式应变花直接测得，弯管上的管壁摩擦阻力系数由下式得出：

其中，

λ₁、λ₂、λ₃分别为高压水平管路的管壁摩擦阻力系数、高压竖直管路的管壁摩擦阻力系数以及弯管的管壁摩擦阻力系数；

D₁、D₂、D₃分别为高压水平管路的内径、高压竖直管路的内径以及弯管的内径；

L₁、L₂、L₃分别为高压水平管路的管道长度、高压竖直管路的管道长度以及弯管的管道长度；

R为气体常数，对于空气而言，R＝287.1kJ/(kg·K)；

T为管路内气体温度；

Z为气体压缩因子，Z的数值根据管路内气体温度和压力由查询美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)提供的数据库得知；

M为质量流量，M通过以下途径获得：实验前，根据管路内气体温度和压力，通过上述数据库查询得出密度ρ₁，管路体积为V₁，得出质量m₁＝ρ₁V₁；实验后，气体的压力下降，再由此时的压力和管路内气体温度，通过上述数据库查询到一个新密度ρ₂，体积不变还是V₁，得出质量m₂＝ρ₂V₁，前后两质量做减法，除以实验时间得到质量流量M，即t为实验时间。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“一号”、“二号”、“三号”、“四号”、“五号”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。