CN104677584A - 一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油与天然气钻井工程技术领域的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置和方法，测试装置包括底座、微调升降装置、激振器、滑动轴承、下连接柱、游标卡尺、上连接柱、弹簧、拉伸螺母、压缩螺母、应变片、测量与控制主机。该方法包括静载荷和动载荷模块两部分，其中所述的静荷载利用弹簧机构模拟，所述的动载荷利用一个激振机构模拟。采取以上技术方案，可以实现对测试管柱施加静态的拉伸和压缩载荷，也可其施加不同形式的动态激励，并实现应变、激振力、激振频率的实时监控和数据记录，结构简单，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气工业钻井工程技术领域，具体涉及一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置及方法。
背景技术
在石油钻井过程中，钻杆的服役环境恶劣，受力情况复杂，往往面临着严重的钻具失效风险。螺纹失效是一种重要的石油钻杆失效形式，而螺纹连接处发生断裂是钻具连接失效最严重和最具破坏性的一种事故。螺纹发生断裂的主要原因，是由于螺纹连接处存在着应力疲劳区，使用中当应力疲劳达到一定的极限，螺纹就会发生突然的断裂。因此，预防疲劳损坏，减少井下钻具螺纹处断裂事故的发生，必须做好钻具螺纹疲劳的性能评估和测试工作。而现有的疲劳试验机多是简单的静态疲劳测试，目前还没有可以模拟钻具螺纹动态疲劳的测试装置。
发明内容
本发明为了解决现有疲劳试验装置的不足，目的是提供一种能够模拟井下钻具螺纹承受静态和动态双重载荷条件下的动态疲劳测试装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于它包括底座、设于底座中心的微调升降装置、设于微调升降装置上的激振器、设于激振器上方的底板、设于底板上方的顶板、设于底板中心的滑动轴承、下连接柱安装在滑动轴承中、设于底板下端面的游标卡尺、设于顶板中心的上连接柱、设于底板与下连接柱之间的弹簧、设于上连接柱上部的拉伸螺母、设于上连接柱下部的压缩螺母、设于顶板和底板及底座之间的支撑柱、上连接柱与下连接柱之间安装有试样，试样中部螺纹连接处外壁贴有应变片。
所述试样为现场钻具螺纹连接头模拟试样，中部空心，两端实心，分别与上连接柱和下连接柱螺纹连接。所述上连接柱下端为螺纹连接母扣，上端为螺杆、所述下连接柱上端为螺纹连接母扣，下端为光杆。
所述的拉伸螺母和压缩螺母分别安装在上连接柱的顶板以上和上连接柱的顶板以下，通过手动调节螺母实现对测试管柱施加静态的拉伸和压缩载荷；
所述弹簧上端与下连接柱上端通过螺栓固定，弹簧下端与底板通过螺栓固定，以便于拆卸维修、所述弹簧在加载静载荷后，须满足下连接柱的光杆下端始终处于底板下方并且能与顶杆保持有效接触；
所述游标卡尺的上测量爪与底板下端面焊接连接、下测量爪可在卡尺上游动，实现对弹簧应变的精确测量；
所述激振器的顶杆与下连接柱底面接触，可向试样施加动态激励，所述微调升降装置采用机械调整装置。激振器和应变片通过电线连接测量与控制主机，所述的测量与控制主机集成了信号接收与处理元件，可实现对应变、激振力、激振频率的实时监控和数据记录。
该钻具螺纹动态疲劳模拟方法包括对静载荷的模拟和对动载荷的模拟两部分，其中，所述的静荷载利用弹簧机构模拟，所述的动载荷利用一个激振机构模拟。实验所模拟的静载荷远远大于试样及上下连接柱的自重，可忽略试样及上下连接柱的自重对弹簧所产生的应变，故游标卡尺的前后读数差所对应的弹簧应力即为对试样施加的静载荷。
利用本发明装置进行实验的方法包括如下步骤：
A、测量并记录弹簧在空载条件下游标卡尺的读数；
B、计算达到实验要求静载荷所需的弹簧应变量；
C、将加工好的试样安装在上连接柱和下连接柱之间；
D、将应变片贴于试样中部螺纹连接处外壁，并通过电线与测量与控制主机连接；
E、调节拉伸螺母或压缩螺母，同时观察游标卡尺的读数，当游标卡尺的前后读数差达到所需弹簧应变量时，停止加载；
F、调节微调升降装置，使顶杆与光杆下端面保持接触；
G、通过测量与控制主机控制激振器输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆向试样加载动态激励；
H、通过测量与控制主机实时监测并记录激振力、激振频率和应变数据，在实验结束后，对试样进行裂纹检测和断口形貌分析。
本发明由于采取上述技术方案，具有以下优点：
1、采用弹簧机构，在实现对测试管柱静态的拉伸和压缩的同时，不影响激振器将激振力传递至测试管柱，结构简单，使用方便；
2、采用手动调节螺母，利用螺纹副传动对弹簧施加作用力，传动平稳，且螺纹副具有自锁作用，可以很方便的停下来进行读数，而不用担心读数变化，读数准确方便；
3、可通过测量与控制主机控制激振器输出不同形式的动态激励，并实现对应变、激振力、激振频率的实时监控和数据记录。
附图说明
图1为本发明钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置的立体图
图2为本发明的结构示意图
图3为本发明的激振机构和测量装置示意图
图4为本发明的弹簧机构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
如图1、图2所示，本发明包括底座1、设于底座1中心的微调升降装置2、设于微调升降装置2上的激振器3、设于激振器3上方的底板5、设于底板5上方的顶板13、设于底板5中心的滑动轴承6、下连接柱8安装在滑动轴承6中、设于底板5下端面的游标卡尺15、设于顶板13中心的上连接柱11、设于底板5与下连接柱8之间的弹簧7、设于上连接柱11上部的拉伸螺母14、设于上连接柱11下部的压缩螺母12、设于顶板13和底板5及底座1之间的支撑柱17、上连接柱11与下连接柱8之间安装有试样9、试样9中部螺纹连接处外壁贴有应变片10。
所述试样9为钻具螺纹连接头模拟试样，中部空心，两端实心，分别与上连接柱11和下连接柱8螺纹连接；所述上连接柱11下端为螺纹连接母扣，上端为螺杆、所述下连接柱上端为螺纹连接母扣，下端为光杆。
所述拉伸螺母14和压缩螺母12分别安装在上连接柱11的顶板13以上和上连接柱11的顶板13以下，通过手动调节螺母实现对测试管柱施加静态的拉伸和压缩载荷。
参阅图3、图4，所述弹簧7上端与下连接柱8上端通过螺栓固定，弹簧7下端与底板5通过螺栓固定，以便于拆卸维修；所述弹簧7在加载静载荷后，能满足下连接柱8的光杆下端始终处于底板5下方并且能与顶杆4保持有效接触。
所述游标卡尺的上测量爪与底板5下端面焊接连接、下测量爪可在卡尺上游动，实现对弹簧7应变的精确测量。
所述激振器3的顶杆4与下连接柱8底面接触，所述微调升降装置2采用机械调整装置，激振器3和应变片10通过电线连接测量与控制主机16，所述的测量与控制主机16集成了信号接收与处理元件，可实现对应变、激振力、激振频率的实时监控和数据记录。
该钻具螺纹动态疲劳模拟方法包括对静载荷的模拟和对动载荷的模拟两部分，其中，所述的静荷载利用弹簧机构模拟，所述的动载荷利用一个激振机构模拟。
利用本发明装置进行实验的方法包括如下步骤：
A、测量并记录弹簧7在空载条件下游标卡尺15的读数；
B、计算达到实验要求静载荷所需的弹簧7的应变量；
C、将加工好的试样9安装在上连接柱11和下连接柱8之间；
D、将应变片10贴于试样中部螺纹连接处外壁，并通过电线与测量与控制主机16连接；
E、调节拉伸螺母14或压缩螺母12，同时观察游标卡尺15的读数，当游标卡尺15的前后读数差达到所需弹簧7的应变量时，停止加载；
F、调节微调升降装置2，使顶杆4与下连接柱8下端的光杆底面保持接触；
G、通过测量与控制主机16控制激振器3输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆4向试样施加动态激励；
H、通过测量与控制主机16实时监测并记录激振力、激振频率和应变数据，在实验结束后，对试样9进行裂纹检测和断口形貌分析。
Claims (9)
1.一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：包括底座(1)、设于底座(1)中心的微调升降装置(2)、设于微调升降装置(2)上的激振器(3)、设于激振器(3)上方的底板(5)、设于底板(5)上方的顶板(13)、设于底板(5)中心的滑动轴承(6)、下连接柱(8)安装在滑动轴承(6)中，激振器(3)的顶杆(4)与下连接柱(8)的光杆下端面相接触、设于底板(5)下端面的游标卡尺(15)、设于顶板(13)中心的上连接柱(11)、设于底板(5)与下连接柱(8)之间的弹簧(7)、设于上连接柱(11)上部的拉伸螺母(14)、设于上连接柱(11)下部的压缩螺母(12)、设于顶板(13)和底板(5)和底座(1)之间的支撑柱(17)、上连接柱(11)与下连接柱(8)之间安装有试样(9)，试样(9)中部螺纹连接处外壁贴有应变片(10)、激振器(3)和应变片(10)通过电线连接测量与控制主机(16)。
2.如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：所述弹簧(7)套装在下连接柱(8)的光杆上，弹簧(7)的上端与下连接柱(8)下端通过螺栓固定，弹簧(7)下端与底板(5)通过螺栓固定、所述弹簧(7)在加载静载荷后，能满足下连接柱(8)的光杆下端面始终处于底板(5)下方并且能与顶杆(4)保持有效接触。
3.如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：所述的拉伸螺母(14)和压缩螺母(12)分别安装在上连接柱(11)的顶板(13)以上和上连接柱(11)的顶板(13)以下，通过手动调节螺母实现实验所需的静载荷。
4.如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：所述激振器(3)的顶杆(4)与下连接柱(8)的下端面接触，并通过测量与控制主机(16)控制激振器(3)输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆(4)向试样(9)加载动态激励。
5.如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：所述游标卡尺(15)的上测量爪与底板(5)下端面焊接连接、下测量爪可在卡尺上游动。
6.如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：通过调节微调升降装置(2)，可使顶杆(4)与下连接柱(8)的底面保持有效接触。
7.如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：所述底板(5)的中心安装有滑动轴承(6)，下连接柱(8)的下端安装在滑动轴承(6)中。
8.如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于：所述的测量与控制主机(16)集成了信号接收与处理元件，可实现对应变、激振力、激振频率实时监控和数据记录。
9.采用如权利要求1所述的一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、测量并记录弹簧(7)在空载条件下游标卡尺(15)的读数；
步骤二、计算达到实验要求静载荷所需的弹簧(7)的应变量；
步骤三、将加工好的试样(9)安装在上连接柱(11)和下连接柱(8)之间；
步骤四、将应变片(10)贴于试样中部螺纹连接处外壁，并通过电线与测量与控制主机(16)连接；
步骤五、调节拉伸螺母(14)或压缩螺母(12)，同时观察游标卡尺(15)的读数，当游标卡尺(15)的前后读数差达到所需弹簧(7)的应变量时，停止加载；
步骤六、调节微调升降装置(2)，使顶杆(4)与下连接柱(8)下端的光杆底面保持接触；
步骤七、通过测量与控制主机(16)控制激振器(3)输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆(4)向试样(9)施加动态激励；
步骤八、通过测量与控制主机(16)实时监测并记录激振力、激振频率和应变数据，在实验结束后，对试样(9)进行裂纹检测和断口形貌分析。
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