CN107976267B - 一种隔水管外力测量装置及测量方法 - Google Patents

一种隔水管外力测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋石油设备技术领域，公开了一种隔水管外力测量装置及测量方法，装置包括四组测试应变片，周向均布贴设在隔水管的外壁上，每组测试应变片包括第一测试应变片和第二测试应变片，第一测试应变片沿隔水管圆周方向贴设，第二测试应变片沿垂直于隔水管圆周方向的方向贴设；卡箍，紧套在隔水管外；两个弹性片，沿隔水管轴向安装在卡箍上，且弹性片未连接卡箍的一端设置有紧固螺钉，紧固螺钉的端部抵接在隔水管的外壁上；第三测试应变片，安装在弹性片的内外两侧上；应变采集仪，与第一测试应变片、第二测试应变片以及第三测试应变片连接。上述测量装置，具有自动平衡外界干扰的能力，提高了测量准确度，可广泛的用于隔水管的外力测量中。

Description

一种隔水管外力测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及海洋石油设备技术领域，尤其涉及一种隔水管外力测量装置及测量方法。
背景技术
在全球水深超过500米的地层内，发现了69×108m3的新增油气储量，可能还有137×108m3的潜在储量。据估计，全世界未发现的海上油气储量有90％埋藏在水深超过1000米以下的地层。随着水深的增加，隔水管柱的受力状态更加恶劣和复杂，有不少浮动钻井船或平台由于隔水管系统不能适应和承受巨大的综合性外力而使钻井工作中断，甚至无法恢复继续钻进，造成钻井失败，给海洋钻井工作造成巨大损失。因此，对海洋深水钻井隔水管系统进行分析，准确地获得隔水管工作过程中所受的外力，以期作为深水环境条件下隔水管柱强度设计的依据，解决隔水管的稳定、安全问题，是深水钻井技术目前需要解决的重要课题之一。现有对隔水管进行分析的分析设备在分析时容易受到外界干扰，导致测量分析准确度不高，不利于对隔水管的强度设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隔水管外力测量装置及测量方法，具有自动平衡外界干扰的能力，提高了测量准确度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种隔水管外力测量装置，包括：
四组测试应变片，周向均布的贴设在隔水管的外壁上，每组测试应变片均包括第一测试应变片和第二测试应变片，所述第一测试应变片沿所述隔水管圆周方向贴设，所述第二测试应变片沿垂直于所述隔水管圆周方向的方向贴设；
卡箍，紧套在所述隔水管外；
两个弹性片，沿所述隔水管轴向安装在所述卡箍上，且所述弹性片未连接所述卡箍的一端设置有紧固螺钉，所述紧固螺钉的端部抵接在所述隔水管的外壁上；
第三测试应变片，安装在所述弹性片的内外两侧上；
应变采集仪，与所述第一测试应变片、第二测试应变片以及第三测试应变片连接。
作为优选，四组测试应变片中相对的两组测试应变片的第二测试应变片的弯曲方向与所述隔水管所受横向弯矩方向重合。
作为优选，所述弹性片相对于所述隔水管对称的安装在所述卡箍上。
作为优选，所述第一测试应变片、第二测试应变片通过环氧树脂胶粘贴在所述隔水管上，所述及第三测试应变片通过环氧树脂胶粘贴在所述弹性片上。
作为优选，还包括贴设在所述隔水管上的补偿应变片，所述补偿应变片连接于所述应变采集仪。
作为优选，所述应变采集仪与所述第一测试应变片、第二测试应变片以及第三测试应变片之间通过连接导线连接，所述连接导线通过丙烯酸酯胶粘剂绝缘密封。
本发明还提供一种上述的隔水管外力测量装置的测量方法，其特征在于，
通过应变采集仪采集记录四个第一测试应变片的应变值ε1、ε2、ε3、ε4；
通过应变采集仪采集记录四个第二测试应变片的应变值ε5、ε6、ε7、ε8，其中弯曲方向与所述隔水管所受横向弯矩方向重合的两个第二测试应变片的应变值为ε6、ε8；
通过应变采集仪采集记录两个弹性片上的第三测试应变片的应变值ε9、ε10，
根据采集到的第一测试应变片、第二测试应变片以及第三测试应变片的应变值以及计算公式，计算所述隔水管产生的周向应变、轴向应变、径向应变、周向应力、轴向应力、径向应力、所述隔水管所受的内外压力、隔水管所受的轴向拉力和/或隔水管所受的横向弯矩。
作为优选，所述周向应变采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000031
所述轴向应变采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000032
所述径向应变采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000033
其中a为弹性片与卡箍固定的一端到第三测试应变片粘贴中心位置之间的距离，L为所述弹性片与卡箍固定的一端到紧固螺钉中心之间的距离。
作为优选，所述轴向应力、周向应力以及径向应力采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000034
其中σz为所述隔水管产生的周径向应力，σθ为所述隔水管产生的轴向应力，σr为所述隔水管产生的径向应力，μ为泊松比；
所述隔水管所受的内外压力采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000035
其中pi为所述隔水管外壁所受的内部压力，po为所述隔水管外壁所受的内部压力，Ri为所述隔水管的内径，Ro为所述隔水管的外径；
所述隔水管所受横向弯矩采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000041
其中E为隔水管的弹性模量，Iz为隔水管抗弯截面模量。
作为优选，所述隔水管所受的轴向拉力采用以下公式计算：Fz＝E·A·εz，其中E为隔水管的弹性模量，A为隔水管横截面面积。
本发明的有益效果：通过设置上述第一测试应变片、第二测试应变片以及第三测试应变片，并通过应变采集仪来采集记录第一测试应变片、第二测试应变片以及第三测试应变片的应变值，随后根据相应公式即可获得隔水管受到的外力，具有自动平衡外界干扰的能力，提高了测量准确度，可广泛的用于隔水管的外力测量中。
附图说明
图1是本发明隔水管外力测量装置的主视图；
图2是本发明隔水管外力测量装置仅显示有隔水管和四组测试应变片的俯视图。
图中：
1、隔水管；2、第一测试应变片；3、第二测试应变片；4、卡箍；5、弹性片；6、紧固螺钉；7、第三测试应变片。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供一种隔水管外力测量装置，如图1和图2所示，该隔水管外力测量装置包括四组测试应变片、卡箍4、两个弹性片5、第三测试应变片7以及应变采集仪(图中未示出)，其中：
上述四组测试应变片周向均布的贴设在隔水管1的外壁上，即相邻两组测试应变片之间的分布角度为90°。每组测试应变片均包括第一测试应变片2和第二测试应变片3，其中第一测试应变片2沿隔水管1圆周方向贴设，第二测试应变片3沿垂直于隔水管1圆周方向的方向贴设。上述第一测试应变片2和第二测试应变片3均连接于应变采集仪，且第一测试应变片2、第二测试应变片3均通过环氧树脂胶粘贴在隔水管1上。
本实施例中，上述四组测试应变片中相对的两组测试应变片的第二测试应变片3的弯曲方向与隔水管1所受横向弯矩方向重合。可参照图1，在隔水管1受到图1所示的横向弯矩M时，左右两侧的两组测试应变片中的第二测试应变片3会发生弯曲，且其弯曲方向与该横向弯矩方向重合，进而能够使得弯曲的第二测试应变片3的灵敏度达到最高，以便于提高测量的准确度。
本实施例中，上述卡箍4紧套在隔水管1外，具体可采用粘接的方式套设在隔水管1外，使其不会沿隔水管1滑动。在该卡箍4相对的两侧设置有两个弹性片5，即两个弹性片5相对于隔水管1对称的安装在卡箍4上。具体的，弹性片5的一端可通过螺栓固定安装在卡箍4上。上述两个弹性片5呈竖直设置，且其与左右两侧的两组测试应变片中的第二测试应变片3相平行设置。
上述弹性片5的另一端上设置有紧固螺钉6，该紧固螺钉6的端部抵接在隔水管1的外壁上。在该弹性片5上设置有与应变采集仪相连接的第三测试应变片7，具体的，该第三测试应变片7两个为一组的安装在弹性片5的内外两侧上。当隔水管1受到横向弯矩的作用时，上述弹性片5会发生弯曲，此时位于其上的第三测试应变片7会发生形变，此时应变采集仪则采集记录该第三测试应变片7的应变值。本实施例中，上述第三测试应变片7通过环氧树脂胶粘贴在弹性片5上，能够达到很好的防水耐腐蚀效果。
本实施例中，上述第三测试应变片7与上述弹性片5与卡箍4固定的一端之间的距离为a，上述弹性片5与卡箍4固定的一端到紧固螺钉6中心之间的距离为L，上述a的长度为L的长度的
Figure BDA0001512275140000061
优选为
Figure BDA0001512275140000062
通过该长度的设置，能够保证第三测试应变片7的灵敏度最佳，进而测量数据更为精准。
本实施例中，上述第一测试应变片2、第二测试应变片3以及第三测试应变片7与应变采集仪均通过连接导线连接，且该连接导线通过丙烯酸酯胶粘剂绝缘密封，以保证第一测试应变片2、第二测试应变片3以及第三测试应变片7与应变采集仪之间的连接稳定性。
本实施例中，进一步的，在隔水管1上还贴设有补偿应变片(图中未示出)，具体的，是在隔水管1上粘贴有一补偿块(图中未示出)，该补偿块的材质和隔水管1相同，在补偿块上粘贴有上述补偿应变片，用于自动补偿温度效应。
本实施例中，上述第一测试应变片2、第二测试应变片3、第三测试应变片7以及补偿应变片均为电阻应变片。
本发明通过上述隔水管外力测量装置，在进行隔水管1外力的测量时，采用以下方法进行测量：
首先将四组测试应变片与补偿应变片连接成半桥测试电路，并将安装在弹性片5内外两侧的应变片也接成半桥测试电路，随后将两种测试电路均连接到应变采集仪。
如图1所示，对隔水管1施加一个向右的横向弯矩M，此时，通过应变采集仪采集记录四个第一测试应变片2的应变值ε1、ε2、ε3、ε4；通过应变采集仪采集记录四个第二测试应变片3的应变值ε5、ε6、ε7、ε8，其中弯曲方向与隔水管1所受横向弯矩方向重合的两个第二测试应变片3的应变值为ε6、ε8，与其为一组的第一测试应变片2的应变值为ε2、ε4；通过应变采集仪采集记录两个弹性片5上的第三测试应变片7的应变值ε9、ε10。
在获得上述第一测试应变片2、第二测试应变片3以及第三测试应变片7的应变值后，可以根据需要，并通过相应的计算公式，计算该隔水管1产生的周向应变、轴向应变、径向应变、周向应力、轴向应力、径向应力、隔水管1所受的内外压力、隔水管1所受的轴向拉力以及隔水管1所受的横向弯矩。
具体的，上述隔水管1产生的周向应变εz采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000071
即在隔水管1受到横向弯矩时，上述四个第一测试应变片2中，只有前后两个第一测试应变片2发生形变，此时左右两侧的第一测试应变片2的应变值为零，采用上述公式后，即可获得隔水管1产生的周向应变。
上述隔水管1产生的轴向应变采εθ用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000072
由于隔水管1四周均会受到轴向力的作用，因此，可通过上述公式计算出隔水管1产生的轴向应变。
上述隔水管1产生的径向应变εr采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000073
其中a为弹性片5与卡箍4固定的一端到第三测试应变片7粘贴中心位置之间的距离，L为所述弹性片5与卡箍4固定的一端到紧固螺钉6中心之间的距离。
本实施例中，上述隔水管1受到的轴向应力、周向应力以及径向应力采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000074
其中σz为所述隔水管1产生的周径向应力，σθ为所述隔水管1产生的轴向应力，σr为所述隔水管1产生的径向应力，μ为泊松比。
上述隔水管1所受的内外压力采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000081
其中pi为所述隔水管1外壁所受的内部压力，po为所述隔水管1外壁所受的内部压力，Ri为所述隔水管1的内径，Ro为所述隔水管1的外径。
上述隔水管1所受横向弯矩采用以下公式计算：
Figure BDA0001512275140000082
其中E为隔水管1的弹性模量，Iz为隔水管1抗弯截面模量。
本实施例中，上述隔水管1所受的轴向拉力采用以下公式计算：
Fz＝E·A·εz，其中E为隔水管1的弹性模量，A为隔水管1横截面面积。
通过上述各公式，即可根据需要计算该隔水管1的周向应变、轴向应变、径向应变、周向应力等数据，且采用上述隔水管外力测量装置，能够自动平衡外界的干扰，能够提高了测量准确度，可广泛的用于隔水管1的外力测量中。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隔水管外力测量装置，其特征在于，包括：
四组测试应变片，周向均布的贴设在隔水管(1)的外壁上，每组测试应变片均包括第一测试应变片(2)和第二测试应变片(3)，所述第一测试应变片(2)沿所述隔水管(1)圆周方向贴设，所述第二测试应变片(3)沿垂直于所述隔水管(1)圆周方向的方向贴设；
卡箍(4)，紧套在所述隔水管(1)外；
两个弹性片(5)，沿所述隔水管(1)轴向安装在所述卡箍(4)上，且所述弹性片(5)未连接所述卡箍(4)的一端设置有紧固螺钉(6)，所述紧固螺钉(6)的端部抵接在所述隔水管(1)的外壁上；
第三测试应变片(7)，安装在所述弹性片(5)的内外两侧上；
应变采集仪，与所述第一测试应变片(2)、第二测试应变片(3)以及第三测试应变片(7)连接；
通过应变采集仪采集记录四个第一测试应变片(2)的应变值ε1、ε2、ε3、ε4；
通过应变采集仪采集记录四个第二测试应变片(3)的应变值ε5、ε6、ε7、ε8，其中弯曲方向与所述隔水管(1)所受横向弯矩方向重合的两个第二测试应变片(3)的应变值为ε6、ε8；
通过应变采集仪采集记录两个弹性片(5)上的第三测试应变片(7)的应变值ε9、ε10，
根据采集到的第一测试应变片(2)、第二测试应变片(3)以及第三测试应变片(7)的应变值以及计算公式，计算所述隔水管(1)产生的周向应变、轴向应变、径向应变、周向应力、轴向应力、径向应力、所述隔水管(1)所受的内外压力、隔水管(1)所受的轴向拉力和/或隔水管(1)所受的横向弯矩；
所述周向应变采用以下公式计算：
Figure FDA0004158393190000021
所述轴向应变采用以下公式计算：
Figure FDA0004158393190000022
所述径向应变采用以下公式计算：
Figure FDA0004158393190000023
其中a为弹性片(5)与卡箍(4)固定的一端到第三测试应变片(7)粘贴中心位置之间的距离，L为所述弹性片(5)与卡箍(4)固定的一端到紧固螺钉(6)中心之间的距离。
2.根据权利要求1所述的隔水管外力测量装置，其特征在于，四组测试应变片中相对的两组测试应变片的第二测试应变片(3)的弯曲方向与所述隔水管(1)所受横向弯矩方向重合。
3.根据权利要求1所述的隔水管外力测量装置，其特征在于，所述弹性片(5)相对于所述隔水管(1)对称的安装在所述卡箍(4)上。
4.根据权利要求1所述的隔水管外力测量装置，其特征在于，所述第一测试应变片(2)、第二测试应变片(3)通过环氧树脂胶粘贴在所述隔水管(1)上，所述第三测试应变片(7)通过环氧树脂胶粘贴在所述弹性片(5)上。
5.根据权利要求1所述的隔水管外力测量装置，其特征在于，还包括贴设在所述隔水管(1)上的补偿应变片，所述补偿应变片连接于所述应变采集仪。
6.根据权利要求1所述的隔水管外力测量装置，其特征在于，所述应变采集仪与所述第一测试应变片(2)、第二测试应变片(3)以及第三测试应变片(7)之间通过连接导线连接，所述连接导线通过丙烯酸酯胶粘剂绝缘密封。
7.根据权利要求1所述的隔水管外力测量装置，其特征在于，
所述轴向应力、周向应力以及径向应力采用以下公式计算：
Figure FDA0004158393190000031
其中σz为所述隔水管(1)产生的周径向应力，σθ为所述隔水管(1)产生的轴向应力，σr为所述隔水管(1)产生的径向应力，μ为泊松比；
所述隔水管(1)所受的内外压力采用以下公式计算：
Figure FDA0004158393190000032
其中pi为所述隔水管(1)外壁所受的内部压力，po为所述隔水管(1)外壁所受的内部压力，Ri为所述隔水管(1)的内径，Ro为所述隔水管(1)的外径；
所述隔水管(1)所受横向弯矩采用以下公式计算：
Figure FDA0004158393190000033
其中E为隔水管(1)的弹性模量，Iz为隔水管(1)抗弯截面模量。
8.根据权利要求1所述的隔水管外力测量装置，其特征在于，所述隔水管(1)所受的轴向拉力采用以下公式计算：
Figure FDA0004158393190000034
其中E为隔水管(1)的弹性模量，A为隔水管(1)横截面面积。
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