CN107478386A - 一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油工程油井管技术领域，公开了一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，通过外力装置形成密封副后保持垂向位移恒定，测试并记录垂向力随时间的变化值，并通过接触力学理论将垂向力换算成密封面接触应力，从而拟合出密封面接触应力松弛本构关系。本发明结构简单、操作方便，劳动强度低，时间消耗短，工作效率高，能模拟高温高压环境下特殊螺纹密封面接触应力松弛情况。

Description

一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法

技术领域

本发明属于石油工程油井管技术领域，尤其涉及一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法。

背景技术

特殊螺纹密封面接触应力松弛将降低完井管柱气密封性能，当接触应力松弛导致螺纹泄漏速度超过最大允许泄漏速度时，易诱发气井环空带压，影响气井安全。目前，主要通过静态气密封实验来评价特殊螺纹气密封性能，而关于接触应力松弛对特殊螺纹长期气密封性能的影响研究还未见报道。接触应力松弛主要受接触副材料性能、密封参数、服役时间和环境温度等因素影响，研究密封面接触应力松弛机理和规律对于优选密封材料和优化密封参数，从而保证特殊螺纹长期气密封性能具有重要意义。

综合上述，现有技术存在的问题是：特殊螺纹静态气密封实验不能反映密封面接触应力松弛对螺纹长期气密封性能的影响。因此发明一种能模拟和测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的实验装置和方法，对于研究螺纹动态泄漏机理，优选密封材料和优化密封参数，保证特殊螺纹长期气密封性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法。

本发明是这样实现的，一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，所述方法通过外力装置形成密封副后保持垂向位移恒定，测试并记录垂向力随时间的变化值，并通过接触力学理论将垂向力换算成密封面接触应力，从而拟合出密封面接触应力松弛本构关系。

进一步，所述方法进一步包括以下步骤：

第一，调节好各装置参数，包括通过电磁感应加热装置保持密封面为设定的恒定温度，并将高压氮气加入气体腔室中；先不打开气体阀门，形成密封后再打开；

第二，密封面初始接触应力p_c0为80％min(σ_ps，σ_cs)，其中σ_ps，σ_cs分别为管体端和螺纹段密封材料的屈服强度，计算初始外加载荷F₀，外加载荷F与密封面接触应力p_c的关系；

第三，每个初始接触应力和温度条件下测试三个样品，得到三组值，取其平均值作为数据处理的原始值；

第四，根据测得的数据拟合出不同温度和密封面初始接触应力下密封面接触应力松弛本构关系：

σ_c(t)＝σ_co-V_s ln(t)

σ_c(t)—t时刻密封面平均接触应力，MPa；

σ_co—密封面初始接触应力，MPa；

V_s—密封面接触应力松弛速度，m/s，与接触材料环境温度和接触应力有关。

进一步，所述第二步骤中外加载荷F与密封面接触应力p_c的关系为：

F—密封面外加载荷，N；

E_p—管体弹性模量，MPa；

ν_p—管体泊松比，无因次；

E_c—接箍弹性模量，MPa；

ν_c—接箍泊松比，无因次；

α—接箍端锥形凹槽半角，°；

μ_e—密封面静摩擦系数，无因次；

R—管体端锥体曲率半径，mm；

r_c—平均密封半径，mm。

进一步，加载初始垂向力F₀并保持垂向压缩变形量恒定，测试并记录垂向力F随时间的变化值F(t)；根据式(1)可将F(t)换算成密封面接触应力p_c(t)，要求每2个小时测试记录一次垂向力，共记录1000个数据。

进一步，在所述调节好各装置参数之前进一步包括：

步骤一，将下承载垫片放在外部加载装置上，再将下部结构放在下承载垫片上；

步骤二，将特殊螺纹管体端插入下部结构凹槽内，形成金属对金属密封副；

步骤三，将圆形橡胶垫放入特殊螺纹管体端上方，再将上部结构的凹槽对准特殊螺纹管体端；

步骤四，安装液体腔室壁罩并检查安装的可靠性，同时将排液孔用密封帽拧紧密封；

步骤五，加上承载垫片，并将外力装置与上承载垫片接触；

步骤六，通过注液孔将液体腔室注满高沸点导热硅油，并检查是否漏液；

步骤七，通过注液孔接头连接压力自动调节装置；

步骤八，连接压力表、阀门、高压氮气装置以及电磁感应加热装置，整个装置安装结束。

进一步，在所述根据测得的数据拟合出不同温度和密封面初始接触应力下密封面接触应力松弛本构关系之后，进一步包括：

步骤1，保持密封面温度恒定，改变不同密封面初始接触应力后重复试验，通过对比可优选设计该温度下的密封面初始接触应力，优化设计密封结构参数；保持密封面温度恒定，改变接箍端和管体端的材料参数后进行实验，通过对比可优选抗高温接触应力松弛的密封材料；

步骤2，试验结束后先关闭电磁感应加热装置将模拟液体腔室中的液体降温至室内温度以下，再将高压氮气瓶和压力自动调节装置的阀门关闭，再缓慢地打开排液孔上的密封帽，最后将液体腔室中的高沸点导热硅油全部排出；

步骤3，将整个装置按安装的顺序反序拆除，并对拆卸的部分进行保养，以便下次实验继续使用。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过外力装置形成密封副后保持垂向位移恒定，通过外力装置形成密封副后保持垂向位移恒定，测试并记录垂向力随时间的变化值，并通过接触力学理论将垂向力换算成密封面接触应力，从而拟合出密封面接触应力松弛本构关系。本发明结构简单，操作方便，能模拟高温高压环境下特殊螺纹密封面接触应力松弛情况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电磁感应加热装置结构示意图；

图3是本发明实施例提供的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛装置的截面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法采用的装置包括：外力装置1，能在整个装置上、下之间均匀加压。所述的上承载垫片2和下承载垫片3用于实验过程中受力均匀。所述的上部结构4，其上有注液孔13，可连接外部压力自动调节装置10，中部下端有圆形凹槽。所述的外部压力自动调节装置10，可自动调节实验过程中需要的压力。所述的下部结构7，其上有排液孔14，排液孔14外部带密封帽16，中部上端有锥形凹槽，凹槽底部通过注气孔15连接压力表18、阀门19和高压氮气瓶20。在上部结构4圆形凹槽和下部结构7锥形凹槽之间是特殊螺纹管体端6，特殊螺纹管体端6上部与上部结构7凹槽之间有圆形橡胶垫11，可防止特殊螺纹管体端6上部与上部结构4直接形成金属对金属，特殊螺纹管体端6与下部结构7锥形凹槽形成金属对金属密封副17，下部结构7剩余凹槽空腔形成气体腔室8，上部结构4、下部结构7和特殊螺纹管体端6之间形成液体腔室5，其外有液体腔室壁罩9，实验中液体腔室5装有高沸点导热硅油，液体腔室壁罩9与上部结构4、下部结构7采用环形动密封橡胶圈12封闭，可自动调节上部结构4在压力下产生的位移而不使液体腔室5中的压力产生变化。下部结构7外环连接可拆卸电磁感应加热装置21，可自动调节整个装置的温度，可拆卸电磁感应加热装置21接温度自动调节装置22。

如图2所示，本发明中的电磁感应加热装置21，其为环形结构，由电池感应加热块103、转动轴102、连接线101、闭合扣104和温度自动调节装置22组成，应用时只需要将闭合扣104打开，直接扣在下部结构7上，再扣紧闭合扣104，使电磁感应加热块103紧贴下部结构7，再通过温度自动调节装置22控制需要的温度。

本发明实施例提供的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法包括以下步骤：

M1：将所述的下承载垫片3放在外部加载装置上，再将下部结构7放在下承载垫片3上；

M2：将特殊螺纹管体端6插入下部结构凹槽内，形成金属对金属密封副17；

M3：将所述的圆形橡胶垫11放入特殊螺纹管体端17上方，再将上部结构4的凹槽对准特殊螺纹管体端6；

M4：安装液体腔室壁罩9并检查安装的可靠性，同时将排液孔14用密封帽16拧紧密封，防止加液泄漏；

M5：加上承载垫片2，并将外力装置1与上承载垫片2接触。

M6：通过注液孔13将液体腔室5注满高沸点导热硅油，并检查是否漏液。

M7：通过注液孔13接头连接压力自动调节装置10；

M8：连接压力表18、阀门19、高压氮气装置20以及电磁感应加热装置21，整个装置安装结束；

M9：调节好各装置参数，包括通过电磁感应加热装置21保持密封面为设定的恒定温度，并将高压氮气加入气体腔室8中。先不打开气体阀门19，形成密封后再打开。

M10：设定密封面初始接触应力p_c0为80％min(σ_ps，σ_cs)，根据公式(1)计算初始外加载荷F₀，外加载荷与密封面接触应力关系为

F₀—初始外加载荷，N；

F—密封面外加载荷，N；

E_p—管体弹性模量，MPa；

ν_p—管体泊松比，无因次。

E_c—接箍弹性模量，MPa；

ν_c—接箍泊松比，无因次。

α—接箍端锥形凹槽半角，°；

μ_e—密封面静摩擦系数，无因次；

R—管体端锥体曲率半径，mm；(密封副两边中点垂线的交点到中点的距离，不用描述)

r_c—平均密封半径，mm；(管体段)(密封副形成的梯形的中位线的一半，不用描述)。

加载初始垂向力F₀并保持垂向压缩变形量恒定，测试并记录垂向力F随时间的变化值F(t)。同样地，根据式(1)可将F(t)换算成密封面接触应力p_c(t)，要求每2个小时测试记录一次垂向力，共记录1000个数据。

M11：每组初始接触应力和温度条件下测试三个样品，得到三组值，取其平均值作为数据处理的原始值。

M12：根据测得的数据拟合出不同温度和密封面初始接触应力下密封面接触应力松弛本构关系：

σ_c(t)＝σ_co-V_s ln(t)

σ_c(t)—t时刻密封面平均接触应力，MPa；

σ_co—密封面初始接触应力，MPa；

V_s—密封面接触应力松弛速度，m/s，与接触材料环境温度和接触应力有关。

该本构关系可作为进一步评价特殊动态密封性能。

M13-1：改变不同密封面初始接触应力后重复试验，通过对比可优选设计该温度下的密封面初始接触应力，从而优化设计密封结构参数(过盈量)。

M13-2：改变接箍端和管体端的材料参数后进行实验，通过对比可优选抗高温接触应力松弛的密封材料。

M14：试验结束后先关闭电磁感应加热装置21将液体腔室5中的液体降温至室内温度以下(自然降温)，再将高压氮气瓶20和自动调压装置10的阀门19关闭，再缓慢地打开排液孔14上的密封帽16，最后将液体腔室5中的高沸点导热硅油全部排出。

M15：将整个装置按安装的顺序反序拆除，并对拆卸的部分进行保养，以便下次实验继续使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，其特征在于，所述方法通过外力装置形成密封副后保持垂向位移恒定，测试并记录垂向力随时间的变化值，并通过接触力学理论将垂向力换算成密封面接触应力，从而拟合出密封面接触应力松弛本构关系。

2.如权利要求1所述的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

第一，调节好各装置参数，包括通过电磁感应加热装置保持密封面为设定的恒定温度，并将高压氮气加入气体腔室中；先不打开气体阀门，形成密封后再打开；

第二，密封面初始接触应力p_c0为80％min(σ_ps，σ_cs)，其中σ_ps，σ_cs分别为管体端和螺纹段密封材料的屈服强度，计算初始外加载荷F₀，外加载荷F与密封面接触应力p_c的关系；

第三，每个初始接触应力和温度条件下测试三个样品，得到三组值，取其平均值作为数据处理的原始值；

第四，根据测得的数据拟合出不同温度和密封面初始接触应力下密封面接触应力松弛本构关系：

σ_c(t)＝σ_co-V_sln(t)

σ_c(t)—t时刻密封面平均接触应力，MPa；

σ_co—密封面初始接触应力，MPa；

V_s—密封面接触应力松弛速度，m/s，与接触材料环境温度和接触应力有关。

3.如权利要求1所述的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，其特征在于，所述第二步骤中外加载荷F与密封面接触应力p_c的关系为：

<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>32</mn> <msubsup> <mi>p</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>Rr</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>e</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>p</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

F—密封面外加载荷，N；

E_p—管体弹性模量，MPa；

ν_p—管体泊松比，无因次；

E_c—接箍弹性模量，MPa；

ν_c—接箍泊松比，无因次；

α—接箍端锥形凹槽半角，°；

μ_e—密封面静摩擦系数，无因次；

R—管体端锥体曲率半径，mm；

r_c—平均密封半径，mm。

4.如权利要求3所述的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，其特征在于，加载初始垂向力F₀并保持垂向压缩变形量恒定，测试并记录垂向力F随时间的变化值F(t)；根据如权利要求3中公式(1)可将F(t)换算成密封面接触应力p_c(t)，要求每2个小时测试记录一次垂向力，共记录1000个数据。

5.如权利要求2所述的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，其特征在于，在所述调节好各装置参数之前进一步包括：

步骤一，将下承载垫片放在外部加载装置上，再将下部结构放在下承载垫片上；

步骤二，将特殊螺纹管体端插入下部结构凹槽内，形成金属对金属密封副；

步骤三，将圆形橡胶垫放入特殊螺纹管体端上方，再将上部结构的凹槽对准特殊螺纹管体端；

步骤四，安装液体腔室壁罩并检查安装的可靠性，同时将排液孔用密封帽拧紧密封；

步骤五，加上承载垫片，并将外力装置与上承载垫片接触；

步骤六，通过注液孔将液体腔室注满高沸点导热硅油，并检查是否漏液；

步骤七，通过注液孔接头连接压力自动调节装置；

步骤八，连接压力表、阀门、高压氮气装置以及电磁感应加热装置，整个装置安装结束。

6.如权利要求2所述的测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，其特征在于，在所述根据测得的数据拟合出不同温度和密封面初始接触应力下密封面接触应力松弛本构关系之后，进一步包括：

步骤1，保持密封面温度恒定，改变不同密封面初始接触应力后重复试验，通过对比可优选设计该温度下的密封面初始接触应力，优化设计密封结构参数；保持密封面温度恒定，改变接箍端和管体端的材料参数后进行实验，通过对比可优选抗高温接触应力松弛的密封材料；

步骤2，试验结束后先关闭电磁感应加热装置将模拟液体腔室中的液体降温至室内温度以下，再将高压氮气瓶和压力自动调节装置的阀门关闭，再缓慢地打开排液孔上的密封帽，最后将液体腔室中的高沸点导热硅油全部排出；

步骤3，将整个装置按安装的顺序反序拆除，并对拆卸的部分进行保养，以便下次实验继续使用。