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1、灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 灌浆卡箍力学实验及分析研究 系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 哈尔滨工程大学黑龙江省重点实验室 水下作业技术与装备实验室 王茁 孙立波 周英辉 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 目 录 项目研究总结报告 含试验测试报告 1 1 合同规定的研究内容 1 2 项目研究进度与具体工作 1 3 项
2、目研制的系列卡箍装置样机 3 4 系列卡箍性能试验 5 4 1 试验系统组成 5 4 2 卡箍力学实验方案分析 7 4 2 1 直杆件 508 16 受压应力核算 7 4 2 2 灌浆卡箍试验可行性方案设计 8 5 系列卡箍试验测试报告 12 5 1 灌浆卡箍灌浆实验 12 5 1 1 水泥浆凝固实验 12 5 1 2 直管卡箍灌浆实验 15 5 1 3K 管卡箍灌浆实验 16 5 2 直管灌浆卡箍力学实验 17 5 2 1 应变片相关注意事项 17 5 2 2 直芯管力学实验 18 5 2 3 直管卡箍力学实验 21 5 2 4 直管卡箍极限载荷破坏试验 22 5 3K 管灌浆卡箍力学实验
3、23 5 3 1K 字芯管力学实验 23 5 3 2K 管卡箍力学实验 25 5 4 液压伸缩式直管灌浆卡箍开合功能试验 26 6 总结 29 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第1页 共29页 项目研究总结报告 含试验测试报告 项目研究总结报告 含试验测试报告 此总结报告根据合同 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务合同 编号 YB12ZF0022 所规定内容编写 具体研究目标为 1 研究掌握 100m 水深以内海洋平台水下受损结构和新增结构的机械加强和加固工 程设计技术 2 研究开发与机械加强和加固工程设
4、计技术应用相配套的机械装置 灌浆卡箍加固 装置 3 研究掌握 100m 水深以内海洋平台水下受损结构和新增结构的机械加强和加固装 置 灌浆卡箍加固装置 安装施工技术 1 合同规定的研究内容 1 灌浆卡箍环形空间泥浆力学性能理论分析及实验验证 2 卡箍橡胶密封圈设计和密封效果论证 3 液压伸缩缸设计 4 卡箍结构制造与力学试验 2 项目研究进度与具体工作 此项目自2012年11月26日签订合同至现在2013年11月10日近一年时间分别进行了如下 工作 1 2012 年年 10 月月 15 日日 2012 年年 12 月月 15 日 理论分析与图纸设计日 理论分析与图纸设计 1 灌浆卡箍力学基础分
5、析 包括国内外相关资料检索与归纳 分析卡箍承载力 泥浆配比等基础理论 采用有限元法进行接触分析与优化设计 设计直管 K 型节点卡箍 试验机件与试验系统 2 液压伸缩式灌浆卡箍装置研究 分别进行了灌浆卡箍结构 卡箍橡胶密封圈 结构 液压伸缩缸 液压传动系统 测试与监控系统设计 依次进行三维建模 有限元 强度分析 结构优化 液压传动系统回路设计 工程图纸设计 达到加工技术要求 2 2012 年年 12 月月 16 日日 2012 年年 12 月月 31 日 进行了图纸与方案审核日 进行了图纸与方案审核 将待加工图 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编
6、号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第2页 共29页 纸与设计方案提供给甲方审核 根据甲方的修改意见对方案与设计图纸进行修改 待甲 方审核通过后 与制造厂家联系落实装置加工事宜 3 2013 年年 01 月月 01 日日 2012 年年 01 月月 31 日 备品备料与工艺分析 日 备品备料与工艺分析 1 进一步进行卡箍整体结构与泥浆固结状态的数模分析 推导灌浆强度手工计 算公式 设计环形空间剪力键 泥浆配方和灌浆施工工艺研究 2 进行了机加材料 液压元件 电子元器件 试验设备等外构件的准备 即备 品备料 达到能加工状态 加工出试验试件 4 2013 年年 02 月月 01 日日 201
7、2 年年 05 月月 31 日 搭建卡箍灌浆试验系统日 搭建卡箍灌浆试验系统进行灌浆实验并 同时进行卡箍装置加工 1 搭建卡箍灌浆试验系统 进行灌浆系统 水压系统 应力测试系统 试件 组件 压力试验机系统等安装 调试 试运行及灌浆对比试验工作 2 液压伸缩卡箍装置在厂进行零部件加工 安装装配 调试等工作 5 2013 年年 06 月月 01 日日 2012 年年 08 月月 25 日 液压伸缩卡箍装置现场调试日 液压伸缩卡箍装置现场调试试验及改进 设计与加工 6 2013 年年 08 月月 26 日日 2012 年年 10 月月 30 日 分别反复多次进行了系列灌浆卡箍密封日 分别反复多次进行
8、了系列灌浆卡箍密封 试验与改进试验与改进 包括 小直管灌浆卡箍 小 K 型灌浆卡箍 液压伸缩直管灌浆卡箍 大 K 型灌浆卡箍 最后 达到合同中 100 米水深的密封要求 并有 0 25 倍的密封裕量 在此 基础上 进行了小直管灌浆卡箍环形加填料密封试验 使得工程可行性更强 7 2013 年年 11 月月 01 日日 2012 年年 11 月月 12 日 进行小直管灌浆卡箍 小日 进行小直管灌浆卡箍 小 K 型灌浆卡型灌浆卡 箍力学性能测试试验 进行了极限载荷前后对比 箍力学性能测试试验 进行了极限载荷前后对比 8 2013 年年 04 月月 01 日日 2012 年年 11 月月 12 日 分
9、别撰写项目研究总结报告日 分别撰写项目研究总结报告 含试验测 试报告 及其他报告 包括 平台水下结构机械加固和加强方法设计指南 水下灌浆卡 箍加固装置安装施工指南 灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及研究报告 卡箍橡胶密封 圈选型设计报告及力学性能试验报告 液压伸缩装置研究设计报告 整理项目验收材料 整理项目验收材料 形成验收文件 形成验收文件 9 2012 年年 11 月月 12 日 将项目最终研究成果提交甲方 进行项目验收 日 将项目最终研究成果提交甲方 进行项目验收 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第
10、3页 共29页 3 项目研制的系列卡箍装置样机 根据合同要求分别加工制作了 108mm 直管灌浆卡箍 133mm K 型节点灌浆卡 箍 610mm 液压伸缩式直管灌浆卡箍 762mm K 型节点灌浆卡箍 配套液压动力与 传动系统等样机 如下图所示 图 3 1 108mm 直管灌浆卡箍 图 3 2 133mm K 型节点灌浆卡箍 图 3 3 610mm 液压伸缩式直管灌浆卡 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第4页 共29页 图 3 4 762mm K 型节点灌浆卡箍 图 3 5 配套液压动力与传动系统
11、灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第5页 共29页 图 3 6 直管液压伸缩动作实验 图 3 7 全部实验装置 4 系列卡箍性能试验 按合同规定要求分别进行了系列卡箍密封 卡箍力学性能及极限载荷对比等试验 4 1 试验系统组成 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第6页 共29页 试验系统组成如下图 图 4 1 力学性能试验系统组成 图 4 2 200t 压力机 图 4 3 压力机直芯管装夹 图 4 4 应变片接线
12、板及显示系统 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第7页 共29页 图 4 5 卡箍打压密封试验组成 4 2 卡箍力学实验方案分析 4 2 1 直杆件直杆件 508 16 受压应力核算受压应力核算 由前面实验系统中可得到灌浆卡箍极限载荷试验的充分条件是压力试验机所提供的 最大压力应使得被压材料应力超过屈服极限 按会议纪要第 2 条的修订值杆件规格为 508 16 mm 材料 DH36 屈服强度 抗拉强度为 简 S 365MPa b 490 620MPa 要计算在压力 200T 压力下的应力值如下式 4 2
13、2 dD N s N 代入数据得 MPa MPa 即为材料最大抗拉强度的近 1 8 说明 7 78 620 max b 200T 的压力机不能满足极限载荷试验的要求 再由下式算出此杆件压弯的临界力 2 0 443 2 0 2 64 L dDE L EI PIJ 代入数据得杆件 508 16 mm L 800mm 的临界力为 2 425 105t 即 24 万吨的压 力机 但在实际中是没有此规格的巨型压力机 通过直杆件 508 16 mm 的受压核算 可得出在实际中没有压力机能够满足极限 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022
14、 哈尔滨工程大学 第8页 共29页 载荷试验的要求 因此 需要再次降低直杆件的规格才能满足此项试验需要 4 2 2 灌浆卡箍试验可行性方案设计灌浆卡箍试验可行性方案设计 通过三维建模软件 Soildworks 建立破损管道模型 分别建立 508 426 377 325 219 159 133 108 的三维管道模型 对其进 行静力学受压强度分析 收集数据 1 三维建模 三维建模 使用 Solidworks 软件分别建立实验中用到的各组模型 508 16 426 9 377 9 325 8 219 6 159 4 5 133 14 10 8 4 高 800mm 的圆柱形管道 508 16 高 2
15、000mm 的破损圆柱形管道及与之配套的水 泥浆模型 卡箍模型如图 4 6 所示 为了更好的增加水泥浆与卡箍 管道之间的粘结 采 用机械预紧 卡箍作用是选用螺栓施加预紧力 灌浆卡箍选用带剪力键的卡箍因为此卡 箍承载力高 性能可靠 水泥采用膨胀水泥 图 4 6 三维模型示意图 2 网格划分 网格划分 由于模型非常规整 采用 Workbench 自带的自动网格划分形式 综合考虑有限元计 算结果精度和计算所用时间采用单元尺寸为 30mm 如图 4 7 所示 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第9页 共29页
16、图 4 7 网格划分 3 边界条件 边界条件 将管道的一端固定于地面 在其上步施加压力载荷 压力为 200KN 如图 4 8 所示 图 4 8 边界条件 4 结果分析与强度评定 结果分析与强度评定 管道有限元分析结果 可以看出 最大形变主要发生在与平台接触的管道上表面部 分 形变量为 0 064mm 如图 4 9 所示 最大应力为 17 9MPa 如图 4 105 所示 其他部分应 力较小且分布均匀 最大应力 17 9MPa 远远小于屈服应力 620MPa 属于弹性形变 在承 载范围之内 灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告 一 项目研究总结报告 含试验测试报告 合同编号 YB12ZF0022 哈尔滨工程大学 第10页 共29页 图 4 9 应变位移图 图 4 10 应力图 按照上述实验过程分别对 426 9 377 9 325 8 219 6 159 4 5 133 4 108 4 系列杆 件有限元分析 杆件长为 800mm 施加压力为 200KN 其应力应变结果如下图所示 图 4 11 426 应变图 图 4 12 426 应力图 图 4 13 377 应变图 图 4 14 37
