CN105241612A - 一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油管技术领域的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置及方法。测试装置包括滑轨、垫台、油管夹持器、油管试件、接箍、芯杆、油管试件两端的密封组件、激振器、弯矩加载模块、静载拉伸模块、增压模块、顶板、检漏仪等，其特征在于，在油管试件内部放入芯杆，构成环形空腔，再将两端密封。通过增压机对环形空腔增压，再通过激振器、弯矩加载模块、静载拉伸模块分别对油管试件施加振动载荷、弯矩载荷、轴向拉伸载荷。采用以上技术方案，可以实现测试油管在内压、拉伸、弯矩和振动复合载荷作用下的密封性能，尤其是考虑了动载因素，更加逼真地模拟了油管服役实际工况，评价结果更具有指导意义，本装置结构简单，可操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及石油管技术领域的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置及方法。
背景技术
在石油与天然气开采过程中，油、套管柱的服役环境恶劣，受力工况复杂，油套管失效事故频发，其中，油管接头螺纹的气密封失效是最主要的失效形式。密封失效，可能导致环空带压，引发严重的生产安全风险。当前，随着深井、斜井、高温高压井增多，愈加恶劣的服役工况对油管接头螺纹的密封性能提出了严峻挑战。因此，油管接头螺纹密封性能评估一直是影响油气井安全和寿命的重点研究问题。现有主要的有效评价手段是依据国际标准ISO13679室内密封试验法，但通常仅考虑了拉伸、弯曲等静载荷因素，还未将生产过程中普遍存在的振动载荷这一重要因素考虑在内，油管接头螺纹密封失效的实质是静载和动载因素共同作用的结果。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置及方法，该装置在测试时可以同时对油管接箍处提供内压载荷、拉伸载荷、弯矩载荷和振动载荷，更趋近于油管服役真实工况，其测试结果更具实际指导意义。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，包括滑轨、垫台、油管夹持器、油管试件、接箍、芯杆、密封组件、激振器、弯矩加载模块、静载拉伸模块、增压模块、顶板、检漏仪等部件。所述的油管试件用接箍连接，中间放入芯杆，芯杆与油管试件之间构成环形空腔，油管试件夹持于油管夹持器中，两端通过密封组件密封，油管夹持器对称地安装在垫台上，垫台置于滑轨上且可在滑轨上平移并固定；油管试件右端与激振器接触，用以施加振动载荷；油管试件左端连接静载拉伸模块，用以施加拉伸载荷；接箍处设置弯矩加载模块，结合油管夹持器实现三点弯加载弯矩载荷；增压模块连接密封组件中的通孔，用以对油管试件施加内压；检漏仪安装于接箍上方的顶板上，用于检测油管试件在内压载荷、拉伸载荷、弯矩载荷和振动载荷复合作用下的密封性能。
所述的油管试件两端外壁加工有螺纹；所述的芯杆比油管试件稍长，直径比油管试件内径小，芯杆的两端有凸台，凸台的直径与油管试件的内径基本一致，芯杆放入油管试件内部后，芯杆与油管试件之间构成环形空腔，从芯杆左端面中心起始，加工有L型连通内孔道，连通至环形空腔。
所述的密封组件包括O型密封圈、v形密封圈组合、金属垫圈和左端盖、右端盖。所述的左端盖、右端盖内部呈台阶构造，分别与油管试件两端螺纹连接后，左、右端盖内壁面与芯杆的两端面分别形成左、右空腔；在油管试件内，芯杆两端的凸台分别与左、右端盖台阶面A、A’形成的环形空间依次设有v形密封圈组合及金属垫圈，所述的金属垫圈通过左端盖、右端盖的台阶面A、A’压紧v形密封圈组合，实现油管试件内壁与芯杆外壁接触面的密封。特别地，所述的左端盖侧壁开有通孔，与左空腔连通；与芯杆延伸段壁面接触的左端盖内壁面上设有密封凹槽，密封凹槽内安有O型密封圈，实现左端盖内壁与芯杆延伸段外壁接触面的密封。
所述的激振器固定于支撑座上，支撑座置于滑轨上且可在滑轨上平移并固定，激振器的顶杆与右端盖端面接触，可以向油管试样施加动态激励，右空腔避免了激振时芯杆右端面与右端盖内壁的接触碰撞。
所述的弯矩加载模块包括设于接箍下方的支撑滚轮、托杯、千斤顶和设于接箍中部的扰度测量仪。接箍由支撑滚轮支撑，支撑滚轮置于托杯上，托杯置于千斤顶之上。下压千斤顶手柄，带动托杯上升，使支撑滚轮上升，将作用力传递给油管试件，结合油管夹持器的固定支撑作用，实现对接箍三点弯加载弯矩载荷的目的；所述的扰度测量仪用以检测油管试件受弯矩后的扰度。
所述的静载拉伸模块包括设于靠近右端盖的右挡板、设于右挡板与右端盖之间的弹簧、设于右挡板上的游标卡尺、设于左端盖左侧的左挡板、设于左挡板中心的滑动轴承、穿过滑动轴承的拉伸螺杆、设于左挡板右侧的拉伸螺母、连接左挡板和右挡板的顶板。所述的左挡板、右挡板固定于滑轨上，通过顶板连接，油管试件穿过右挡板；所述的弹簧套于油管试件上，弹簧左端与右挡板通过螺栓固定，弹簧右端与右端盖通过螺栓固定，便于拆卸维修；所述的游标卡尺与右挡板焊接连接，通过游标在卡尺上移动，实现对弹簧形变的精确测量；所述的拉伸螺杆与左端盖焊接连接，通过手动调节拉伸螺杆上的拉伸螺母，使得弹簧处于压缩状态，实现对油管试件施加静态的拉伸载荷。
所述的增压模块包括进气管、设于进气管上的压力表、接入进气管的增压管和泄压管、设于泄压管上的泄压阀、设于增压管上的进气阀和增压泵、连接增压泵的气瓶。所述的进气管为高压软管，通过锥密封管接头与左端盖的通孔连接。增压时，气瓶中的气体依次通过增压管、进气管、通孔、左空腔、芯杆的L型连通内孔道进入环形空腔，实现对油管试件施加内压；泄压时，气体以相反的方向通过泄压管排出泄压。为便于检漏，采用氦气作为增压气体。
利用本发明装置进行试验的方法包括如下步骤：
A、两根油管试件用接箍连接后，中间放入芯杆，松开油管夹持器，调节垫台在滑轨上的距离，放入油管试件，使得油管夹持器对称地位于接箍两边，再调节油管夹持器固定油管试件；
B、将弹簧套于油管试件上，再进行油管两端密封组件的安装，用螺栓将弹簧两端分别固紧于右挡板、右端盖；
C、通过锥密封管接头连接进气管与左端盖的通孔；
D、试压：关闭泄压阀，打开增压阀，然后开启增压泵，向油管试件内部环形空腔施加一定内压后，停止增压，观察检漏仪，若一段时间内检测到泄露气体，则装置各部件的安装环节可能存在问题，导致了密封泄露，需找出泄露源并泄压后重新装配，再重复进行试压，直至不存在气体泄露；
E、待完成上一步试压过程后，开始进行增压，同时观测压力表，当达到试验预定内压值时，停止增压，关闭增压泵、增压阀；
F、测量并记录弹簧在空载条件下游标卡尺的读数，并计算达到实验要求拉伸载荷所需的弹簧的形变量；
G、调节拉伸螺母，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的形变量时，停止加载；
H、调节扰度测量仪到达预定位置，下摁千斤顶手柄，带动托杯上升，使支撑滚轮上升，为接箍提供弯矩，同时观察扰度测量仪读数，当达到试验预定弯矩值时，停止加载；
I、调节支撑座并固定，使激振器的顶杆与右端盖外表面接触，设定激振器输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆向油管试件施加动态激励；
J、观察检漏仪，如果检漏仪检测到泄露气体，再采用肥皂水进一步确认是否是接箍处发生了气体泄露；
K、若接箍处发生了密封失效，停止测试，取下油管试件。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
(1)采用弹簧机构，在实现对测试油管试件静态拉伸的同时，不影响激振器将激振力传递至油管试件，结构简单，使用方便；
(2)采用v形密封圈组合内密封的方式，结构简单，且能保证装置在较大试验内压条件下的整体密封性能；
(3)本装置可以同时提供油管接箍处内压载荷、拉伸载荷、弯矩载荷和振动载荷，更接近于油管服役真实工况，其测试结果更具实际指导意义；
(4)本装置可以对油管接箍进行多组不同复合载荷条件下的密封测试，找出油管接箍密封失效的临界载荷条件，综合评价油管接箍的密封性能。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2为本发明弯矩施加装置示意图。
图中：1-滑轨，2-垫台，3-油管夹持器，4-油管试件，5-接箍，6-芯杆，7-0型密封圈，8-V型密封圈组合，9-金属垫圈，10-左端盖，11-右端盖，12-左空腔，13-右空腔，14-环形空腔，15-L型连通内孔道，16-通孔，17-锥密封管接头，18-激振器，19-支撑座，20-支撑滚轮，21-托杯，22-千斤顶，23-扰度测量仪，24-右支撑板，25-弹簧，26-游标卡尺，27-螺栓，28-左支撑板，29-滑动轴承，30-拉伸螺杆，31-拉伸螺母，32-顶板，33-进气管，34-压力表，35-泄压管，36-泄压阀，37-增压管，38-增压阀，39-增压泵，40-检漏仪，41-顶杆，42-凸台，43-气瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的描述。
如图1所示，一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，包括滑轨1、垫台2、油管夹持器3、油管试件4、接箍5、芯杆6、密封组件、激振器18、弯矩加载模块、静载拉伸模块、增压模块、顶板32、检漏仪38等部件。所述的油管试件4用接箍5连接，中间放入芯杆6，芯杆6与油管试件4之间构成环形空腔14，油管试件4夹持于油管夹持器3中，两端通过密封组件密封，油管夹持器3对称地安装在垫台2上，垫台2置于滑轨1上且可在滑轨1上平移并固定；油管试件4右端与激振器18接触，用以施加振动载荷；油管试件4左端连接静载拉伸模块，用以施加拉伸载荷；接箍5处设置弯矩加载模块，结合油管夹持器3实现三点弯加载弯矩载荷；增压模块连接密封组件中的通孔16，用以对油管试件4施加内压；检漏仪38安装于接箍5上方的顶板32上，用于检测油管试件4在内压载荷、拉伸载荷、弯矩载荷和振动载荷复合作用下的密封性能。
所述的油管试件4两端外壁加工有螺纹；所述的芯杆6比油管试件4稍长，直径比油管试件4内径小，芯杆6的两端有凸台42，凸台42的直径与油管试件4的内径基本一致，芯杆6放入油管试件4内部后，芯杆6与油管试件4之间构成一定大小的环形空腔14。从芯杆6左端面中心起始，加工有L型连通内孔道15，连通至环形空腔14。
所述的油管试件4两端的密封组件包括O型密封圈7、v形密封圈组合8、金属垫圈9和左端盖10、右端盖11。所述的左、右端盖10、11内壁均呈台阶状构造，分别与油管试件4两端螺纹连接后，左、右端盖10、11内壁面与芯杆6的两端面分别形成左、右空腔12、13；在油管试件4内，芯杆6两端凸台42分别与左端盖10、右端盖11台阶面A、A’形成的环形空间依次设有v形密封圈组合8及金属垫圈9，所述的金属垫圈9通过左端盖10、右端盖11的台阶面A、A’压紧v形密封圈组合8，实现油管试件4内壁与芯杆6外壁接触面的密封。特别地，所述的左端盖10侧壁开有通孔16，与左空腔12连通；与芯杆6延伸段的壁面接触的左端盖10内壁面上设有密封凹槽，密封凹槽内安有O型密封圈7，实现左端盖10内壁与芯杆6延伸段外壁接触面的密封。
所述的激振器18固定于支撑座19上，支撑座19置于滑轨1上且可在滑轨1上平移并固定，激振器18的顶杆41与右端盖11外表面接触，可以向油管试样4施加动态激励，右空腔13避免了激振时芯杆6的右端部与右端盖11内壁的接触碰撞。
所述的弯矩加载模块包括设于接箍5下方的支撑滚轮20、托杯21、千斤顶22和设于接箍5中部的扰度测量仪23。接箍5由支撑滚轮20支撑，支撑滚轮20置于托杯21上，托杯21置于千斤顶22之上。下摁千斤顶22手柄，带动托杯21上升，使支撑滚轮20上升，将作用力传递给油管试件4，结合油管夹持器3的固定支撑作用，实现对接箍5三点弯加载弯矩载荷的目的；所述的扰度测量仪23用以检测油管试件4受弯矩后的扰度。
所述的静载拉伸模块包括设于靠近右端盖11的右挡板24、设于右挡板24与右端盖11之间的弹簧25、设于右挡板24上的游标卡尺26、设于左端盖10左侧的左挡板28、设于左挡板28中心的滑动轴承29、穿过滑动轴承29的拉伸螺杆30、设于左挡板28右侧的拉伸螺母31、连接左挡板28和右挡板24的顶板32。所述的左挡板28、右挡板24固定于滑轨1上，通过顶板32连接，油管试件4穿过右挡板24；所述的弹簧25套于油管试件4上，弹簧25左端与右挡板24通过螺栓27固定，弹簧25右端与右端盖11通过螺栓27固定，便于拆卸维修；所述的游标卡尺26与右挡板24焊接连接，通过游标在卡尺上移动，实现对弹簧25形变的精确测量；所述的拉伸螺杆30与左端盖10焊接连接，通过手动调节拉伸螺杆30上的拉伸螺母31，使得弹簧25处于压缩状态，实现对油管试件4施加静态的拉伸载荷。
所述的增压模块包括进气管33、设于进气管33上的压力表34、接入进气管33的增压管37和泄压管35、设于泄压管35上的泄压阀36、设于增压管37上的进气阀38和增压泵39、连接增压泵39的气瓶43。所述的进气管33为高压软管，通过锥密封管接头17与左端盖10上的通孔16连接，增压时，气瓶43中的气体依次通过增压管37、进气管33、通孔16、左空腔12、芯杆6的L型连通内孔道15进入环形空腔14，实现对油管试件4施加内压。泄压时，气体以相反的方向通过泄压管35排出泄压。为便于检漏，采用的增压气体为氦气。
利用本发明装置进行试验的方法包括如下步骤：
A、两根油管试件4用接箍5连接后，中间放入芯杆6，松开油管夹持器3，调节垫台2在滑轨1上的距离，放入油管试件4，使得油管夹持器3对称地位于接箍5两边，再调节油管夹持器3固定油管试件4；
B、将弹簧25套于油管试件4上，再进行油管试件4两端密封组件的安装，用螺栓27将弹簧25两端分别固紧于右挡板24、右端盖11；
C、通过锥密封管接头17连接进气管33与左端盖10的通孔16；
D、试压：关闭泄压阀36，打开增压阀38，然后开启增压泵39，向油管试件4内部环形空腔14施加一定内压后，停止增压，观察检漏仪40，若一段时间内检测到泄露气体，则装置各部件的安装环节可能存在问题，导致了密封泄露，需找出泄露源并泄压后重新装配，再重复进行试压，直至不存在气体泄露；
E、待完成上一步试压过程后，开始进行增压，同时观测压力表34，当达到试验预定内压值时，停止增压，关闭增压泵39、增压阀38；
F、测量并记录弹簧25在空载条件下游标卡尺26的读数，并计算达到实验要求拉伸载荷所需的弹簧25的形变量；
G、调节拉伸螺母31，同时观察游标卡尺26的读数，当游标卡尺26的前后读数差达到所需弹簧25的形变量时，停止加载；
H、调节扰度测量仪23到达预定位置，下摁千斤顶22手柄，带动托杯21上升，使支撑滚轮20上升，为接箍5提供弯矩，同时观察扰度测量仪23读数，当达到试验预定弯矩值时，停止加载；
I、调节支撑座19并固定，使激振器18的顶杆41与右端盖11外表面接触，设定激振器18输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆41向油管试样4施加动态激励；
J、观察检漏仪40，如果检漏仪40检测到泄露气体，再采用肥皂水进一步确认是否是接箍5处发生了气体泄露；
K、若接箍5处发生了密封失效，停止测试，取下油管试件4。
Claims (7)
1.一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，包括滑轨、垫台、油管夹持器、油管试件、接箍、芯杆、密封组件、激振器、弯矩加载模块、静载拉伸模块、增压模块、顶板、检漏仪等部件，其特征在于：所述的油管试件(4)用接箍(5)连接，中间放入芯杆(6)，芯杆(6)与油管试件(4)之间构成环形空腔(14)，油管试件(4)夹持于油管夹持器(3)中，两端通过密封组件密封，油管夹持器(3)对称地安装在垫台(2)上，垫台(2)置于滑轨(1)上；油管试件(4)右端与激振器(18)接触，左端连接静载拉伸模块，接箍(5)处设置弯矩加载模块，增压模块与左端盖(10)的通孔(16)相连，检漏仪(40)设于接箍(5)上方的顶板(32)上。
2.如权利要求1所述的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，其特征在于：所述芯杆(6)的两端有凸台(42)，凸台(42)的直径与油管试件(4)的内径基本一致，从芯杆(6)左端面中心起始，加工有L型连通内孔道(15)，L型连通内孔道(15)连通左空腔(12)与环形空腔(14)。
3.如权利要求1所述的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，其特征在于：所述的密封组件包括O型密封圈(7)、v形密封圈组合(8)、金属垫圈(9)和左端盖(10)、右端盖(11)；所述的左、右端盖(10)、(11)内壁呈台阶构造，分别与油管试件(4)两端螺纹连接，左、右端盖(10)、(11)内壁面与芯杆(6)的两端面分别形成左、右空腔(12)、(13)；在油管试件(4)内，芯杆(6)两端凸台(42)分别与左、右端盖(10)、(11)台阶面A、A’形成的环形空间依次设有v形密封圈组合(8)及金属垫圈(9)；所述的左端盖(10)侧壁开有通孔(16)，与左空腔(12)连通；与芯杆(6)延伸段壁面接触的左端盖(10)内壁面上设有密封凹槽，密封凹槽内安有O型密封圈(7)。
4.如权利要求1所述的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，其特征在于：所述的激振器(18)固定于支撑座(19)上，支撑座(19)置于滑轨(1)上，激振器(18)的顶杆(41)与右端盖(11)外表面接触，向油管试样(4)施加动态激励。
5.如权利要求1所述的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，其特征在于：所述的静载拉伸模块包括设于靠近右端盖(11)的右挡板(24)、设于右挡板(24)与右端盖(11)之间的弹簧(25)、设于右挡板(24)上的游标卡尺(26)、设于左端盖(10)左侧的左挡板(28)、设于左挡板(28)中心的滑动轴承(29)、穿过滑动轴承(29)的拉伸螺杆(30)、设于左挡板(28)右侧的拉伸螺母(31)、连接左挡板(28)和右挡板(24)的顶板(32)；所述的左挡板(28)、右挡板(24)固定于滑轨上，油管试件(4)穿过右挡板(24)；所述的弹簧(25)套于油管试件(4)上，弹簧(25)左端与右挡板(24)通过螺栓(27)固定，弹簧(25)右端与右端盖(11)通过螺栓(27)固定；所述的拉伸螺杆(30)与左端盖(10)焊接连接，手动调节拉伸螺母(31)，对油管试件(4)施加静态拉伸载荷。
6.如权利要求1所述的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置，其特征在于：所述的增压模块包括进气管(33)、设于进气管(33)上的压力表(34)、接入进气管(33)的增压管(37)和泄压管(35)、设于泄压管(35)上的泄压阀(36)、设于增压管(37)上的进气阀(38)和增压泵(39)、连接增压泵(39)的气瓶(43)；所述的进气管(33)为高压软管，通过锥密封管接头(17)与左端盖(10)的通孔(16)连接。
7.采用如权利要求1所述的一种油管接头螺纹密封性能动态测试装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、两根油管试件(4)用接箍(5)连接后，中间放入芯杆(6)，松开油管夹持器(3)，调节垫台(2)在滑轨(1)上的距离，放入油管试件(4)，使得油管夹持器(3)对称地位于接箍(5)两边，再调节油管夹持器(3)固定油管试件(4)；
步骤二、将弹簧(25)套于油管试件(4)上，再进行油管试件(4)两端密封组件的安装，用螺栓(27)将弹簧(25)两端分别固紧于右挡板(24)、右端盖(11)；
步骤三、通过锥密封管接头(17)连接进气管(33)与左端盖(10)的通孔(16)；
步骤四、试压：关闭泄压阀(36)，打开增压阀(38)，然后开启增压泵(39)，向油管试件(4)内部环形空腔(14)施加一定内压后，停止增压，关闭增压泵(39)、增压阀(38)，观察检漏仪(40)，若一段时间内检测到泄露气体，则装置各部件的安装环节可能存在问题，导致了密封泄露，需找出泄露源并泄压后重新装配，再重复进行试压，直至不存在泄露问题；
步骤五、待完成上一步试压过程后，开始增压，同时观测压力表(34)，当达到试验预定内压值时，停止增压，关闭增压泵(39)、增压阀(38)；
步骤六、测量并记录弹簧(25)在空载条件下游标卡尺(26)的读数，并计算达到实验要求拉伸载荷所需的弹簧(25)的形变量；
步骤七、调节拉伸螺母(31)，同时观察游标卡尺(26)的读数，当游标卡尺(26)的前后读数差达到所需弹簧(25)的形变量时，停止加载；
步骤八、调节扰度测量仪(23)到达预定位置，下摁千斤顶(22)手柄，带动托杯(21)上升，使支撑滚轮(20)上升，为接箍(5)提供弯矩，同时观察扰度测量仪(23)读数，当达到试验预定弯矩值时，停止加载；
步骤九、调节支撑座(19)并固定，使激振器(18)的顶杆(41)与右端盖(11)外表面接触，设定激振器(18)输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆(41)向油管试样(4)施加动态激励；
步骤十、观察检漏仪(40)，如果检漏仪(40)检测到泄露气体，再采用肥皂水进一步确认是否是接箍(5)处发生了气体泄露；
步骤十一、若接箍(5)处发生了密封失效，停止测试，取下油管试件(4)。
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