CN107976371A - 基于应变控制的弯直疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于应变控制的弯直疲劳试验装置及试验方法，试验装置包括夹持装置、弯直模具和连接杆，所述夹持装置包括夹持套和定位圆棒，在所述夹持套上开有1个供试样穿过的大孔和4个垂直方向的用于放置定位圆棒的定位小孔；所述弯直模具包括设置在紧固连接板上的弯模和矫直模；所述连接杆包括设置在矫直模上端的上连接杆和设置在夹持套底部的下连接杆。本发明能精准地模拟不同塑性应变下的弯—直疲劳试验，此外，该装置结构紧凑，体型较小，可直接放入高压釜中，与慢拉伸试验机连接，从而实现高温高压实验环境下的弯曲腐蚀疲劳试验，特别是塑性变形情况下的弯—直腐蚀疲劳试验。

Description

基于应变控制的弯直疲劳试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及一种模拟连续油管井下作业过程中绕导向拱和卷轴反复发生塑性变形的弯曲疲劳试验装置及试验方法——基于应变控制的弯—直疲劳试验装置及试验方法。
背景技术
连续油管井下作业的应用越来越广泛，连续油管在起下井的作业过程中，连续油管绕卷轴和导向拱反复地变弯和变直，即连续油管遭受了弯—直疲劳。与常规的弯曲疲劳区别是该疲劳过程为塑性变形，即连续油管使用过程中的弯—直疲劳为塑性应变下的疲劳，该疲劳为低周疲劳。当连续油管在含H2S井进行作业时，连续油管的塑性降低，其起下井次数显著下降，会导致意外事故的发生。在连续油管起井沿导向拱或卷轴盘绕的过程中，会出现意外的开裂现象，甚至直接掉落在井筒中，这大大增加了连续油管井下作业的安全风险。因此，急需开展连续油管在含H2S工况环境应用后的弯—直疲劳寿命试验。
现有的连续油管弯—直疲劳试验机均为整管疲劳实验装置，该装置可以开展非腐蚀工况下的整管弯曲疲劳试验，但是，该装置无法开展模拟连续油管在井下高温高压腐蚀工况下的弯—直疲劳试验，特别是含高温高压含H2S的腐蚀环境。目前国内外还无法针对整管开展在高温高压含H2S环境下的腐蚀试验，因此，采用整管试样，无法模拟高温高压的弯—直腐蚀疲劳，只能采用小尺寸试样来进行试验。对于小尺寸试样，尽管现有弯曲腐蚀疲劳实验仪能开展弹性变形范围内的弯曲腐蚀疲劳试验，但它不能精确可靠地开展塑性变形范围内的弯曲腐蚀疲劳试验，因而无法通过模拟连续油管的塑性弯曲变形下的弯曲腐蚀疲劳试验。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于应变控制的弯直疲劳试验装置及试验方法，通过将往复轴向运动转换成塑性弯曲下的变形量，使得试验材料实现往复的弯曲和矫直，从而实现弯—直疲劳试验功能。此外，本试验装置结构紧凑，可与高温高压釜、慢拉伸试验机联合工作，从而实现高温高压腐蚀工况下的弯曲腐蚀疲劳试验功能。
本发明所采用的技术方案是：一种基于应变控制的弯直疲劳试验装置，包括夹持装置、弯直模具和连接杆，其中：所述夹持装置包括夹持套和定位圆棒，在所述夹持套上开有1个供试样穿过的大孔和4个垂直方向的用于放置定位圆棒的定位小孔；所述弯直模具包括设置在紧固连接板上的弯模和矫直模；所述连接杆包括设置在矫直模上端的上连接杆和设置在夹持套底部的下连接杆。
本发明还提供了一种基于应变控制的弯直疲劳试验方法，包括如下步骤：先将两根定位圆棒插入夹持套下排的两个定位小孔，然后将试样穿过夹持套的大孔，放置在两根定位圆棒上，随后将另外两根定位圆棒插入夹持套上排的两个定位小孔，由四根定位圆棒夹持固定住试样两端；再将弯模和矫直模分别放置在试样的两侧，使试样放置在矫直模底部的凹槽内，并通过紧固连接板和紧固螺栓将弯模和矫直模连接固定好；然后将上、下连接杆分别通过螺纹连接在矫直模和夹持套上；最后将上下连接杆分别与弯直疲劳试验加载装置进行连接。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：提供了一种适用于连续油管小尺寸试样的基于应变控制的弯—直疲劳试验装置，能精准地模拟不同塑性应变下的弯—直疲劳试验。此外，该装置结构紧凑，体型较小，可直接放入高压釜中，与慢拉伸试验机连接，从而实现高温高压实验环境下的弯曲腐蚀疲劳试验，特别是塑性变形情况下的弯—直腐蚀疲劳试验。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是弯曲过程的结构原理图；
图2是矫直过程的结构原理图。
具体实施方式
一种基于应变控制的弯直疲劳试验装置，如图1和图2所示，包括夹持装置、弯—直模具、连接杆，其中：所述夹持装置包括夹持套1和定位圆棒2；所述弯—直模具包括弯模3、矫直模4、紧固连接板5、紧固螺栓6；所述连接杆包括上连接杆7和下连接杆8。夹持套1上开有1个大孔和4个垂直方向的定位小孔，定位小孔用于取放定位圆棒2；矫直模4底部开有与试样同宽度但深度小于试样厚度的凹槽，弯模3和矫直模4表面涂有绝缘漆，它们可以通过紧固连接板5和紧固螺栓6进行固定和拆卸；上连接杆7和下连接杆8均为两端带有螺纹。
基于应变的弯—直疲劳装置的弯—直疲劳试验方式：先将定位圆棒2插入夹持套1下排的定位小孔，然后将在H2S腐蚀工况下试验后取出清洗的小尺寸试样9穿过夹持套1的大孔，放置在定位圆棒上，随即将定位圆棒2插入夹持套上排的定位小孔，夹持固定住试样9，再将弯模3和矫直模4分别放置在已固定在夹持装置上的试样9的两侧，试样放置在矫直模4底部的凹槽内，通过紧固连接板5和紧固螺栓6将弯模3和矫直模4连接固定好，然后将上连接杆7与矫直模4通过螺纹进行连接，将下连接杆8与夹持套1通过螺纹进行连接，最后将上下连接杆与材料力学试验机进行连接。启动材料力学试验机，通过试验机拉伸杆的上下移动，从而实现对经过H2S环境浸泡试验后的试样进行弯—直疲劳试验。若需要模拟连续油管在不同曲率半径的卷筒上的弯曲疲劳试验，在本试验方法中仅需更换不同的曲率半径的弯模，然后重复以上过程即可。
基于应变的弯—直疲劳装置的弯曲腐蚀疲劳试验方式：先将定位圆棒2插入夹持套1下排的定位小孔，然后将小尺寸试样9穿过夹持套1的大孔，放置在定位圆棒上，随即将定位圆棒2插入夹持套上排的定位小孔，夹持固定住试样9，再将弯模3和矫直模4分别放置在已固定在夹持装置上的试样9的两侧，试样放置在矫直模4底部的凹槽内，通过紧固连接板5和紧固螺栓6将弯模3和矫直模4连接固定好，然后将上连接杆7与矫直模4通过螺纹进行连接，将下连接杆8与夹持套1通过螺纹进行连接，最后将下连接杆与慢拉伸试验装置的高压釜底部的连接装置连接，上连接杆与慢拉伸试验装置顶部的加载杆连接。向高压釜内注入腐蚀溶液，盖上高压釜盖，连接好通气管道，通入腐蚀性气体(如：H2S、CO2)，当压力达到试验压力后，停止通气。然后启动慢拉伸试验机，上连接杆在慢拉伸试验机动力下进行上下的往复运动，试样则沿弯模和矫直模反复的塑性弯曲变形和回压矫直，从而实现基于应变控制的弯—直弯曲腐蚀疲劳试验。
本发明的工作原理是：
当试样固定在夹持装置和弯—直模具上后，试样的两个夹持端的上下前后四个方向均被限制，仅左右可移动，试样可随弯—直模的上下移动发生而发生塑性弯曲变形，通过试样壁厚和弯模的曲率半径可以算出塑性弯曲变形的最大应变量，弯模的曲率半径可调整变化，从而开展不同塑性应变下的弯曲疲劳。夹持套上的定位圆棒采用非金属圆棒，弯模和矫直模表面涂有绝缘漆，在腐蚀性工况条件下开展试验时，试样和试验装置之间避免了电导通，从而避免了电偶腐蚀对弯曲腐蚀疲劳的影响。试样通过夹持装置和弯—直模进行固定。镶嵌在夹持套上的非金属定位圆棒可以自由插入和取出。当夹持套的四根定位圆棒插入，试样穿过夹持套上的大孔，试样两端固定在定位非金属圆棒之间，然后将弯模和矫直模分别放置在已固定在夹持装置上的试样的两侧，通过紧固连接板和紧固螺栓将弯模和矫直模连接固定好，当弯—直模具向上运动时，试样将会绕弯模进行弯曲变形，从而发生特定应变下的弯曲变形，当弯—直模具向下运动时，绕弯模已经发生塑性变形的试样将会逐步回压矫直，从而实现弯—直疲劳试验。
与现有的连续油管整管弯曲疲劳试验机相比，本发明实现了在高温高压环境下的弯曲腐蚀疲劳试验功能；与现有的高温高压弯曲腐蚀疲劳试验机相比，本发明实现了精确应变控制下的弯—直疲劳试验功能。

Claims (10)

1.一种基于应变控制的弯直疲劳试验装置，其特征在于：包括夹持装置、弯直模具和连接杆，其中：所述夹持装置包括夹持套和定位圆棒，在所述夹持套上开有1个供试样穿过的大孔和4个垂直方向的用于放置定位圆棒的定位小孔；所述弯直模具包括设置在紧固连接板上的弯模和矫直模；所述连接杆包括设置在矫直模上端的上连接杆和设置在夹持套底部的下连接杆。
2.根据权利要求1所述的基于应变控制的弯直疲劳试验装置，其特征在于：所述矫直模底部开有用于放置试样的凹槽。
3.根据权利要求2所述的基于应变控制的弯直疲劳试验装置，其特征在于：所述凹槽的的宽度等于试样宽度、深度小于试样厚度。
4.根据权利要求1所述的基于应变控制的弯直疲劳试验装置，其特征在于：所述弯模和矫直模表面涂有绝缘漆。
5.根据权利要求1所述的基于应变控制的弯直疲劳试验装置，其特征在于：所述弯模和矫直模通过紧固螺栓设置在紧固连接板上。
6.根据权利要求1所述的基于应变控制的弯直疲劳试验装置，其特征在于：所述上连接杆和下连接杆分别与矫直模和夹持套通过螺纹连接。
7.一种基于应变控制的弯直疲劳试验方法，其特征在于：包括如下步骤：先将两根定位圆棒插入夹持套下排的两个定位小孔，然后将试样穿过夹持套的大孔，放置在两根定位圆棒上，随后将另外两根定位圆棒插入夹持套上排的两个定位小孔，由四根定位圆棒夹持固定住试样两端；再将弯模和矫直模分别放置在试样的两侧，使试样放置在矫直模底部的凹槽内，并通过紧固连接板和紧固螺栓将弯模和矫直模连接固定好；然后将上、下连接杆分别通过螺纹连接在矫直模和夹持套上；最后将上下连接杆分别与弯直疲劳试验加载装置进行连接。
8.根据权利要求7所述的基于应变控制的弯直疲劳试验方法，其特征在于：对经过H2S环境浸泡试验后的试样进行弯直疲劳试验时，将上下连接杆与材料力学试验机进行连接。
9.根据权利要求8所述的基于应变控制的弯直疲劳试验方法，其特征在于：通过更换不同的曲率半径的弯模来实现对连续油管在不同曲率半径的卷筒上的弯直疲劳试验。
10.根据权利要求7所述的基于应变控制的弯直疲劳试验方法，其特征在于：进行弯曲腐蚀疲劳试验时，将下连接杆与慢拉伸试验装置的高压釜底部的连接装置连接，上连接杆与慢拉伸试验装置顶部的加载杆连接。
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