CN103926154A - 油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置。现有装置对试验系统本身的耐疲劳性能有很高的要求，经常出现试样还未疲劳失效，试验设备已有螺栓等配件疲劳断裂。油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置，包括加载部和支撑部，加载部包括试样及位于试样两端的两个试样堵头，支撑部包括位于试样堵头下方的两个橡胶支座；每个试样堵头的外侧端部分别设置弯曲加载重物。该装置不仅能模拟评价钻杆在旋转弯曲作用下的疲劳强度，还可以模拟油套管在循环弯曲载荷作用下的强度与密封可靠性，同时也可以对管子或转轴施加轴向载荷，模拟复杂受力状态下的结构件弯曲疲劳寿命，且电磁驱动试样旋转弯曲，降低了试验对试验机械结构的性能需求。
Description
技术领域
本发明属于钻井技术领域，涉及一种油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置。
背景技术
目前在石油天然气开发过程中，为了保证钻杆在井下钻进过程中不发生异常疲劳断裂，要求在地面进行旋转弯曲疲劳寿命试验评价。对套管、油管来说，在井下由于温度、高压流体运动冲击等种种因素条件下，经常会出现振颤现象。振颤作用下，油套管发生循环弯曲响应。长期的弯曲导致油套管在井下发生弯曲疲劳断裂，或接头部位出现泄漏等失效事故。目前还没有合适的试验装置能对油套管进行此类工况的实物模拟试验装置，只具备评价静载荷与温度作用下油套管的强度与密封性能的能力。国内现有用于弯曲疲劳实物试验装置不能模拟管子或转轴在拉伸、压缩或内压等复合载荷作用下的疲劳寿命，且为机械方式驱动弯曲或旋转，对试验系统本身的耐疲劳性能有很高的要求，经常出现试样还未疲劳失效，试验设备已有螺栓等配件疲劳断裂。国外采用谐振驱动的弯曲疲劳试验机如图1所示，其弯曲加载重物2全部放在橡胶支座6外侧，偏置弯曲加载重物11由电机带动，绕试样轴线旋转。这种装置在试验过程其弯矩一直为一个方向，如图7所示，只是大小变化，且在橡胶支座6处弯矩同样产生循环变化，加上磨损，更容易产生疲劳。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够避免实验装置本身发生疲劳而损害，也不会磨损试样外表面的实物复合载荷下弯曲疲劳性能试验装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置，包括加载部和支撑部，加载部包括试样及位于试样两端的两个试样堵头，支撑部包括位于试样堵头下方的两个橡胶支座；每个试样堵头的外侧端部分别设置弯曲加载重物，每个橡胶支座分别位于临近试样的位置，在每个橡胶支座与试样之间的试样堵头上分别设置有旋转电磁弯曲加载重物，每个试样堵头上的旋转电磁弯曲加载重物与弯曲加载重物关于橡胶支座对称；旋转电磁弯曲加载重物由同圆心的位于内环的永磁体层和位于外环的电磁铁层组成；永磁体层通过固定装置固定在试样堵头上，电磁铁层通过支座支撑，电磁铁层与电源连接；所述永磁体层与电磁铁层分别由数个沿圆周方向排列的永磁体和电磁铁间隔组成，永磁体的数量与电磁铁的数量相同，永磁体和电磁铁一一对应的沿相同圆周位置均匀间隔排列，每个永磁体与每个电磁铁之间的距离相等且磁极相对。
所述旋转电磁弯曲加载重物的质量等于永磁体层质量与固定装置的质量之和。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：该装置不仅能模拟评价钻杆在旋转弯曲作用下的疲劳强度，还可以模拟油套管在循环弯曲载荷作用下的强度与密封可靠性，同时也可以对管子或转轴施加轴向载荷，模拟复杂受力状态下的结构件弯曲疲劳寿命，且电磁驱动试样旋转弯曲，降低了试验对试验机械结构的性能需求。
附图说明
图1为现有的弯曲疲劳性能试验装置结构示意图；
图2为图1装置产生的弯矩效应示意图；
图3为本发明的弯曲疲劳试验装置结构示意图；
图4为本发明的复合载荷下弯曲疲劳试验装置结构示意图；
图5为图4的俯视图；
图6为电磁旋转弯曲装置的结构示意图；
图7为电磁旋转弯曲装置中永磁体和电磁铁的电磁场示意图；
图8为本发明装置产生的弯矩效应示意图。
其中：1. 旋转电磁弯曲加载重物；2.弯曲加载重物；3. 万向节； 4. 电磁铁；5.永磁体；6.橡胶支座；7.试样；8.试样堵头；9.复合载荷框架；10.电源；11.永磁体层；12.电磁铁层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
国外采用谐振驱动的弯曲疲劳试验装置如图1所示，图1为其中关键部位的弯曲疲劳试验装置结构示意图，其弯曲加载重物2全部放在橡胶支座6外侧，偏置弯曲加载重物11由电机带动，绕试样轴线旋转。这种装置在试验过程其弯矩一直为一个方向，参见图7，只是大小变化，且在橡胶支座6处弯矩同样产生循环变化，加上磨损，更容易产生疲劳。
参见图3、图4及图5，油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置，包括加载部和支撑部，加载部包括试样7及位于试样7两端的两个试样堵头8，支撑部包括位于试样堵头8下方的两个橡胶支座6；每个试样堵头8的外侧端部分别设置弯曲加载重物2，每个橡胶支座6分别位于临近试样7的位置，在每个橡胶支座6与试样7之间的试样堵头8上分别设置有旋转电磁弯曲加载重物1，每个试样堵头8上的旋转电磁弯曲加载重物1与弯曲加载重物2关于橡胶支座6对称；两个试样堵头（8）的端部分别通过万向节（3）连接复合载荷框架9，应用万向节3可保证试验的旋转弯曲载荷不向复合载荷框架9传递，但可以传递拉伸或压缩载荷。
参见图3及图6，旋转电磁弯曲加载重物1由同圆心的位于内环的永磁体层11和位于外环的电磁铁层12组成；永磁体层通过固定装置固定在试样堵头8上，电磁铁层通过支座支撑，永磁体层和电磁铁层分别与电源连接；永磁体层11与电磁铁层12分别由数个沿圆周方向排列的永磁体5和电磁铁4间隔组成，永磁体5的数量与电磁铁4的数量相同，永磁体5和电磁铁4一一对应的沿相同圆周位置均匀间隔排列，每个永磁体5与每个电磁铁4之间的距离相等且磁极相对；永磁体层11与电磁铁层12之间有足够的弯曲位移间隙，此间隙为在试样7弯曲位移基础上增加2~4mm；旋转电磁弯曲加载重物1的质量等于永磁体层11质量与固定装置的质量之和。
试验过程中，由电源10的控制器控制每一块电磁铁4的开始及结束通电时间，使通电的电磁铁4绕顺时针或逆时针旋转。如图5所示，其中一个电磁铁A先通电x秒，断电，同时另一个电磁铁B再通电x秒，断电，依次为C、D......、A，继续旋转下去，x=1/f/n，其中f为试样旋转频率，n为电磁铁块数。由于磁极相对，所以每个通电的电磁铁都会给与其对应的永磁体5一个横向作用力，使得试样7产生弯曲。随着通电绕轴旋转，横向力也绕轴旋转，使试样7产生旋转效应，这么做可以保证没有机械设备的旋转，避免试验装置本身发生疲劳，也不会磨损试样外表面。
本发明可保证试样7内部的旋转弯曲效应与实际工况相符，试样7内初始弯矩为0，开始旋转弯曲试验后，橡胶支座6处的弯矩基本不变，但试样7内的弯矩一直在最大与最小弯矩之间变化，如图8所示。
由于图3旋转弯曲疲劳试验装置结构的第一阶弯曲固有频率f一般不超过30Hz，所以可通过控制试样的旋转速度与结构的固有频率接近，让结构因为共振而产生较大的振动，用较低的能量输入满足试验要求。
实施例：本发明具体的操作步骤为：
1）根据试样7尺寸确定弯曲加载重物2的质量；
2）如无内压及轴向载荷，按图2所示结构分析第一阶弯曲固有频率；
3）按第二步计算频率的3/5调整控制电源的电源变化频率，驱动试样旋转；
4）监测弯曲位移变化，直至稳定；
5）如弯曲位移稳定后不能达到要求的数值，则逐步增加电机转速，监测位移的变化；
6）当弯曲位移达到要求值时，稳定旋转速度，开始旋转弯曲疲劳试验；
7）当试样发生疲劳断裂或循环次数达到要求数值时，即可关闭控制电源10，停止试验。
Claims (2)
1.油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置，包括加载部和支撑部，加载部包括试样（7）及位于试样（7）两端的两个试样堵头（8），支撑部包括位于试样堵头（8）下方的两个橡胶支座（6）；每个试样堵头（8）的外侧端部分别设置弯曲加载重物（2），每个橡胶支座（6）分别位于临近试样（7）的位置，其特征在于：在每个橡胶支座（6）与试样（7）之间的试样堵头（8）上分别设置有旋转电磁弯曲加载重物（1），每个试样堵头（8）上的旋转电磁弯曲加载重物（1）与弯曲加载重物（2）关于橡胶支座（6）对称；旋转电磁弯曲加载重物（1）由同圆心的位于内环的永磁体层（11）和位于外环的电磁铁层（12）组成；永磁体层通过固定装置固定在试样堵头（8）上，电磁铁层通过支座支撑，电磁铁层与电源连接；所述永磁体层（11）与电磁铁层（12）分别由数个沿圆周方向排列的永磁体（5）和电磁铁（4）间隔组成，永磁体（5）的数量与电磁铁（4）的数量相同，永磁体（5）和电磁铁（4）一一对应的沿相同圆周位置均匀间隔排列，每个永磁体（5）与每个电磁铁（4）之间的距离相等且磁极相对。
2.根据权利要求1所述的油套管复合载荷下弯曲疲劳试验装置，其特征在于：所述旋转电磁弯曲加载重物（1）的质量等于永磁体层（11）质量与固定装置的质量之和。
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