CN109900441A - 一种测试非api管柱接头气密性的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试非API管柱接头气密性的试验装置及试验方法，该装置包括支撑架、底座、顶盖、密封单元试件、施压部件、高压供液系统、高压供气系统、气体泄漏检装置和软管；本发明利用施压部件和高压供液系统组成的可调节进给装置控制主密封面配合过盈量，采用高压供气系统提供密封单元试件内部不同压力值的高压气体，利用气体泄漏检装置监测到的气体泄漏率数据直接定量评估密封单元试件的气密性能；通过改变不同结构加工参数制造多个密封单元试件，依据试验步骤更换不同试件进行测试，并记录相应气体泄漏率数据，通过数据分析获得不同结构加工参数对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
Description
技术领域
本发明涉及用于高压气井石油管材的非API油套管接头技术领域，具体涉及一种测试非API管柱接头气密性的试验装置及试验方法。
背景技术
伴随着我国高压气田的大量开采，依靠螺纹脂密封螺纹牙间隙泄漏的API油套管接头无法满足严苛的使用环境要求，而非API油套管接头通过其专有的密封结构设计，可以很好的弥补API油套管接头在密封性能方面的不足。我国油气田使用较多的非API油套管接头主要为PSC接头(Premium ShoulderedConnection)，即采用扭矩台肩的金属密封结构接头。与普通API油套管接头依靠螺纹牙配合密封不同，这类非API油套管接头密封结构设计特点为：“主密封结构”以径向金属对金属过盈干涉配合密封为主，典型的径向密封形式有锥面对锥面、锥面对球面、柱面对球面、圆柱面对圆柱面等配合形式。
目前，针对非API油套管接头密封性能的室内实物试验法主要存在以下不足：一是缺少专门针对非API油套管接头气密性试验的成熟设备，用于试验的试件往往采用实物油套管接头切割试件或1∶1全尺寸加工试件；二是现有的试验设备还是以检测金属对金属配合面接触压力值为主，通过该值计算来间接评估非API油套管接头的气密性能。这些问题不仅给试验操作带来极大不便还大大增加了试验成本，从而导致对非API油套管接头气密性影响因素及其影响规律室内试验研究的不够全面和深入。
本发明的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置、试验试件和试验方法弥补了上述不足，本研究从金属对金属过盈配合密封机理出发，设计专门针对非API油套管接头的试验装置，制造具有不同结构加工参数的密封单元试件，通过直接检测气体泄漏率数据，获得更为准确和全面的非API管柱接头主密封结构气密性的影响因素及其影响规律。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的缺陷和不足，提供了一种测试非API管柱接头气密性的试验装置及试验方法，能够对不同结构加工参数影响下的非API管柱接头主密封结构处的气体泄漏率进行测试检测，更加准确和直观的反映非API管柱接头主密封结构气密性在这些因素影响下的变化规律，为我国自主研发具有高密封性能的非API油套管接头提供理论指导和设计依据。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种测试非API管柱接头气密性的试验装置，具体包括：支撑架、底座、顶盖、密封单元试件、施压部件、高压供液系统、高压供气系统、气体泄漏检装置、软管；
所述的高压供液系统包括：马达，液压泵，油箱，过滤器，可调节溢流阀，液体单向阀，液体压力表，三位四通换向阀，溢流阀；
所述的高压供气系统包括：高压气源，气体单向阀，高压气体控制阀，气体压力表。
所述的底座通过底座法兰盘安装在支撑架上，底座底部中心的高压气体输入口通过气体输入软管接头连接软管与高压供气系统相连，接箍密封试件通过接箍密封试件底部安装孔与底座内部中心底座定位柱的配合装入底座套筒中，管体密封试件在接箍密封试件上部，接箍密封试件的主密封面与管体密封试件的主密封面接触配合，顶盖通过顶盖法兰盘上的两个顶盖滑移配合孔与底座法兰盘上的两根顶盖滑移导向柱配合，确保顶盖内部中心定位柱插入管体密封试件的顶部中心定位孔内，管体密封试件的外壁在顶盖内卡槽内，施压部件的单活塞杆液压缸与高压供液系统相连，施压件扣压在顶盖法兰盘上，施压件底部中心位置的施压件定位孔与顶盖顶部中心位置的顶盖顶部中心定位柱配合，顶盖位移记录指针套在顶盖指针移动滑槽上，顶盖密封锁紧环安装在顶盖套筒底部，顶盖套筒右侧的泄漏气体输出口通过气体输出软管接头连接软管与气体泄漏检测装置相连；
所述的马达与液压泵相连，马达开启后油箱内的液体经过滤器进入液压泵加压后流出，液体压力通过可调节溢流阀控制，液体从液压泵流出经过液体压力表和液体单向阀进入三位四通换向阀的进油口P，液体压力表显示给出进入三位四通换向阀的液体压力值，三位四通换向阀的回油口T与油箱相连，三位四通换向阀的工作油口A、B与施压部件中的单活塞杆液压缸的工作油口C、D相连，通过改变三位四通换向阀的阀芯位置来控制单活塞杆液压缸的活塞杆的伸出(左位)、停止(中位)、收回(右位)，在三位四通换向阀的工作油口B与单活塞杆液压缸的工作油口D之间设置一路与油箱相连的溢流阀，保护液压回路压力不超过工作额定值；
所述的高压气体通过软管从高压气源流出，经过气体单向阀、高压气体控制阀和气体压力表，进入底座和密封单元试件内部，部分高压气体通过密封单元试件的金属对金属径向过盈密封配合面泄漏，泄漏气体从顶盖套筒右侧的泄漏气体输出口通过软管进入气体泄漏检测装置，高压气体控制阀负责开通或关闭高压气体以及控制其压力大小，气体压力表显示输入密封单元试件内的高压气体压力大小。
所述的接箍密封试件主要结构加工参数包括：接箍密封试件主密封面倾角，接箍密封试件外径，接箍密封试件内径，接箍密封试件主密封面；
所述的管体密封试件主要结构加工参数包括：管体密封试件主密封面倾角，管体密封试件主密封面，管体密封试件内径，管体密封试件主密封面长度；
所述的接箍密封试件主密封面与管体密封试件主密封面接触，通过过盈配合完成金属对金属的径向密封结构形式。
所述的底座定位柱密封槽和底座套筒密封槽内装入密封圈，保证接箍密封试件与底座套筒的配合面不会泄漏气体；
所述的顶盖套筒密封槽内装入密封圈，保证接箍密封试件与顶盖套筒配合面不会泄漏气体；
所述的底座法兰盘上的两根顶盖滑移导向柱的柱身内侧要加工上刻度，刻度精确到0.5mm；
所述的顶盖位移记录指针可以在顶盖指针移动滑槽上滑动，滑动范围2cm。
利用上述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
首先，试验前期准备工作，主要包括：制作接箍密封试件和管体密封试件；将马达、液压泵、油箱、过滤器、可调节溢流阀、液体单向阀、液体压力表、三位四通换向阀和溢流阀组装完成高压供液系统；通过软管将高压气源、气体单向阀、高压气体控制阀和气体压力表连接组成高压供气系统。
其次，安装连接测试系统，主要分为以下几步：
第一步，将底座通过底座法兰安装在支撑架上，将已经连接好软管的气体输入软管接头插入底座底部中心的高压气体输入口，确保密封圈已装入底座定位柱密封槽和底座套筒密封槽内后，再将接箍密封试件通过接箍密封试件底部安装孔与底座内部中心的底座定位柱的配合装入底座套筒中；
第二步，将管体密封试件放在接箍密封试件上部，确保接箍密封试件主密封面与管体密封试件主密封面接触配合良好，在顶盖套筒密封槽内装入密封圈后，再将顶盖通过顶盖法兰盘上的两个顶盖滑移配合孔与底座法兰盘上的两根顶盖滑移导向柱配合，确保顶盖内部的中心定位柱插入管体密封试件的顶部中心定位孔内，同时管体密封试件的外壁在顶盖内卡槽内；
第三步，将施压部件扣压在顶盖法兰盘上，确保施压件底部中心位置的施压件定位孔与顶盖顶部中心位置的顶盖顶部中心定位柱配合，将单活塞杆液压缸的工作油口与高压供液系统中的三位四通换向阀的工作油口相连，将已经连接好软管的气体输出软管接头插入顶盖套筒右侧的泄漏气体输出口，将软管的另一端气体泄漏检测装置相连。
然后，开始测试记录数据，主要分为以下几步：
第一步，移动顶盖位移记录指针在顶盖指针移动滑槽上的位置，使指针正好指向顶盖滑移导向柱上的某一整数刻度线，并记录此时数据；
第二步，将三位四通换向阀的阀芯位置打到左位后，开启高压供液系统中的马达，通过可调节溢流阀给回路内液体逐步增压，单活塞杆液压缸的活塞杆伸出，使与之相连的施压件对顶盖法兰盘施压，从而使顶盖和管体密封试件沿顶盖滑移导向柱向下移动，在移动过程中接箍密封试件主密封面与管体密封试件主密封面配合部分由接触配合变为过盈配合；
第三步，当顶盖位移记录指针指向顶盖滑移导向柱上所需刻度数据时，将三位四通换向阀的阀芯位置更换到中位，使单活塞杆液压缸的活塞杆停止伸出并保持当前状态，锁紧安装在顶盖套筒底部的顶盖密封锁紧环；
第四步，开启高压气源，打开高压气体控制阀，观察气体压力表，保持供气压力维持在试验测试所需气体压力值，观测气体泄漏检测装置上监测到的气体泄漏率显示数据，等数据显示稳定后，记录此时气体泄漏检测装置给出的气体泄漏率数据，通过该值可直接定量评估非API管柱接头主密封结构的气密性能。
在用本发明所述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置按照前面所述的试验步骤进行试验，每次试验时施加不同的主密封面配合过盈量和供给不同压力值的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据，通过数据分析可获得主密封面配合过盈量和密封件内气体压力改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
最后，更换试件分析结果，制造多个具有不同结构加工参数的密封单元试件，更换不同试件完成前面所述的试验步骤，并记录气体泄漏检测装置给出的相应气体泄漏率数据，通过数据分析可获得不同结构加工参数对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律，需要测试分析的结构加工参数有以下几个：
第一个，主密封面配合倾角角度
制造主密封面倾角为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°，相同材料的7个密封单元试件，每个试件按照前面所述试验步骤，施加相同的主密封面配合过盈量和相同压力的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率，通过数据分析可获得主密封面配合倾角改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；
第二个，主密封面配合长度
制造接箍密封试件主密封面长度为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm，相同材料的7个密封单元试件，每个试件按照前面所述试验步骤，施加相同的主密封面配合过盈量和相同压力的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率，通过数据分析可获得主密封面配合长度改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；
第三个，主密封面机加工表面粗糙度
制造主密封面机加工表面粗糙度为0.1、0.2、0.4、0.8、1.6，相同材料的5个密封单元试件，每个试件按照前面所述试验步骤，施加相同的主密封面配合过盈量和相同压力的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率，通过数据分析可获得主密封面机加工表面粗糙度改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；
第四个，接箍密封试件主密封结构壁厚
制造接箍密封试件内径与管体密封试件内径同时增加10mm，20mm，30mm和同时减少10mm，20mm，30mm，相同材料的6个密封单元试件，每个试件按照前面所述试验步骤，施加相同的主密封面配合过盈量和相同压力的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率，通过数据分析可获得接箍密封试件主密封结构壁厚改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；
第五个，管体密封试件主密封结构壁厚
制造管体密封试件内径增加10mm，20mm，30mm和减少10mm，20mm，30mm，相同材料的6个密封单元试件，每个试件按照前面所述试验步骤，施加相同的主密封面配合过盈量和相同压力的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率，通过数据分析可获得管体密封试件主密封结构壁厚改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；
此外，改变主密封结构形式(非API管柱接头主密封常用结构包括：锥面对锥面配合、锥面对球面配合、柱面对球面配合)和密封面镀层金属及其镀层厚度，加工制造不同的密封单元试件，通过试验测试数据分析可以获得：不同主密封结构形式和密封面镀层金属及其镀层厚度对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
与现有试验方法和试验装置相比，本发明的优点在于：
1.本发明的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置及试验方法，通过制造和更换多个具有不同结构加工参数的密封单元试件进行试验，获得了多个影响因素(主密封面配合倾角角度、主密封面配合长度、主密封面机加工表面粗糙度、接箍密封试件主密封结构壁厚、管体密封试件主密封结构壁厚、主密封结构形式、密封面镀层金属及其镀层厚度)对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律，为指导我国自主研发具有高密封性能的非API油套管接头提供理论依据和设计参考。
2.本发明的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置及试验方法，不仅可以获得通过非API管柱接头主密封结构处的金属对金属密封配合面的气体泄漏率，更重要的是通过气体泄漏率这一具体数据，可以对非API管柱接头主密封结构的气密封性能进行直接而准确的定量评估，提高了密封性能计算评估结果的可信度和通用性。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1是本发明一种测试非API管柱接头气密性的试验装置总装图；
各标号代表：1—支撑架，2—底座，3—顶盖，4—密封单元试件，5—施压部件，6—高压供液系统(6-1马达，6-2液压泵，6-3油箱，6-4过滤器，6-5可调节溢流阀，6-6液体单向阀，6-7液体压力表，6-8三位四通换向阀，6-9溢流阀，P—三位四通换向阀的进油口，T—三位四通换向阀的回油口，A、B—三位四通换向阀的工作油口，C、D—单活塞杆液压缸的工作油口)，7—高压供气系统(7-1高压气源，7-2气体单向阀，7-3高压气体控制阀，7-4气体压力表)，8—气体泄漏检测装置，9—软管。
图2是本发明一种测试非API管柱接头气密性的试验装置详细结构示意图；
各标号代表：2-1底座法兰盘，2-2高压气体输入口，2-3气体输入软管接头，2-4底座定位柱，2-5顶盖滑移导向柱，2-6底座套筒，2-7底座定位柱密封槽，2-8底座套筒密封槽，3-1顶盖法兰盘，3-2顶盖滑移配合孔，3-3顶盖内部中心定位柱，3-4顶盖内卡槽，3-5顶盖顶部中心定位柱，3-6顶盖位移记录指针，3-7顶盖指针移动滑槽，3-8顶盖套筒，3-9顶盖密封锁紧环，3-10顶盖套筒密封槽，3-11泄漏气体输出口，3-12气体输出软管接头，4-1接箍密封试件，4-2—接箍密封试件底部安装孔，4-3管体密封试件，4-4管体密封试件顶部中心定位孔，5-1单活塞杆液压缸，5-2施压件，5-3施压件定位孔。
图3是本发明一种测试非API管柱接头气密性的密封单元试件详细结构示意图；
各标号代表：4-1-1接箍密封试件主密封面倾角，4-1-2接箍密封试件外径，4-1-3接箍密封试件内径，4-1-4接箍密封试件主密封面，4-3-1管体密封试件主密封面倾角，4-3-2管体密封试件主密封面，4-3-3管体密封试件内径，4-3-4管体密封主密封面长度。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利进行进一步详细描述：
参见图1，一种测试非API管柱接头气密性的试验装置，包括：支撑架1、底座2、顶盖3、密封单元试件4、施压部件5、高压供液系统6、高压供气系统7和气体泄漏检装置8。
所述的高压供液系统6包括：马达6-1，液压泵6-2，油箱6-3，过滤器6-4，可调节溢流阀6-5，液体单向阀6-6，液体压力表6-7，三位四通换向阀6-8，溢流阀6-9。马达6-1与液压泵6-2相连，马达6-1开启后，油箱6-3内的液体经过滤器6-4进入液压泵6-2加压后流出，液体压力通过可调节溢流阀6-5控制；液体从液压泵6-2流出经过液体压力表6-7和液体单向阀6-6，进入三位四通换向阀6-8的进油口P，液体压力表6-7显示给出进入三位四通换向阀6-8的液体压力值；三位四通换向阀6-8的回油口T与油箱6-3相连，三位四通换向阀6-8的工作油口A、B与施压部件5中的单活塞杆液压缸5-1(见图3)的工作油口C、D相连；通过改变三位四通换向阀6-8的阀芯位置来控制单活塞杆液压缸5-1的活塞杆的伸出(左位)、停止(中位)、收回(右位)；在三位四通换向阀6-8的工作油口B与单活塞杆液压缸5-1的工作油口D之间设置一路与油箱6-3相连的溢流阀6-9，保护液压回路压力不超过工作额定值。
所述的高压供气系统7包括：高压气源7-1，气体单向阀7-2，高压气体控制阀7-3，气体压力表7-4。高压气体通过软管9从高压气源7-1流出，经过气体单向阀7-2、高压气体控制阀7-3和气体压力表7-4，进入底座2和密封单元试件4内部；部分高压气体通过密封单元试件4的金属对金属径向过盈密封配合面泄漏，泄漏气体从顶盖套筒3-8(见图3)右侧的泄漏气体输出口3-11(见图3)，通过软管9进入气体泄漏检测装置8；高压气体控制阀7-3负责开通或关闭高压气体以及控制其压力大小；气体压力表7-4显示输入密封单元试件4内的高压气体压力大小。
参见图2，所述的底座2通过底座法兰盘2-1安装在支撑架1上；底座2底部中心的高压气体输入口2-2通过气体输入软管接头2-3连接软管9与高压供气系统7相连；接箍密封试件4-1通过接箍密封试件底部安装孔4-2与底座内部中心的底座定位柱2-4的配合装入底座套筒2-6中；管体密封试件4-3在接箍密封试件4-1上部，接箍密封试件主密封面4-1-4与管体密封试件主密封面4-3-2接触配合；顶盖3通过顶盖法兰盘3-1上的两个顶盖滑移配合孔3-2与底座法兰盘2-1上的两根顶盖滑移导向柱2-5配合，确保顶盖内部的中心定位柱3-3插入管体密封试件4-3的顶部中心定位孔4-4内，同时管体密封试件4-3的外壁在顶盖内卡槽3-4内；施压部件5的单活塞杆液压缸5-1与高压供液系统6相连，施压件5-2扣压在顶盖法兰盘3-1上，施压件5-2底部中心位置的施压件定位孔5-3与顶盖顶部中心位置的顶盖顶部中心定位柱3-5配合；顶盖位移记录指针3-6套在顶盖指针移动滑槽3-7上；顶盖密封锁紧环3-9安装在顶盖套筒3-8底部；顶盖套筒3-8右侧的泄漏气体输出口3-11通过气体输出软管接头3-12连接软管9与气体泄漏检测装置8相连。
所述的底座定位柱密封槽2-7和底座套筒密封槽2-8内装入密封圈，保证接箍密封试件4-1与底座套筒2-6的配合面不会泄漏气体。
所述的顶盖套筒密封槽3-10内装入密封圈，保证接箍密封试件4-1与顶盖套筒3-9配合面不会泄漏气体。
所述的底座法兰盘2-1上的两根顶盖滑移导向柱2-5的柱身内侧要加工上刻度，刻度精确到0.5mm。
所述的顶盖位移记录指针3-6可以在顶盖指针移动滑槽3-7上滑动，滑动范围2cm。
参见图3，所述的接箍密封试件4-1主要结构加工参数包括：接箍密封试件主密封面倾角4-1-1，接箍密封试件外径4-1-2，接箍密封试件内径4-1-3，接箍密封试件主密封面4-1-4；
所述的管体密封试件4-3主要结构加工参数包括：管体密封试件主密封面倾角4-3-1，管体密封试件主密封面4-3-2，管体密封试件内径4-3-3，管体密封试件主密封面长度4-3-4；接箍密封试件主密封面4-1-4与管体密封试件主密封面4-3-2接触，通过过盈配合完成金属对金属的径向过盈密封结构形式。
利用上述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
首先，试验前期准备工作，主要包括：按照图3制作接箍密封试件4-1和管体密封试件4-3；按照图1所示的液压回路，将马达6-1、液压泵6-2、油箱6-3、过滤器6-4、可调节溢流阀6-5、液体单向阀6-6、液体压力表6-7、三位四通换向阀6-8和溢流阀6-9组装完成高压供液系统6；按照图1所示气体回路，通过软管9将高压气源7-1、气体单向阀7-2、高压气体控制阀7-3和气体压力表7-4连接组成高压供气系统7。
其次，安装连接测试系统，参见图1和图2主要分为以下几步：
第一步，将底座2通过底座法兰2-1安装在支撑架1上；将已经连接好软管9的气体输入软管接头2-3插入底座2底部中心的高压气体输入口2-2；确保密封圈已装入底座定位柱密封槽2-7和底座套筒密封槽2-8内后；再将接箍密封试件4-1通过接箍密封试件底部安装孔4-2与底座内部中心的底座定位柱2-4的配合装入底座套筒2-6中。
第二步，将管体密封试件4-3放在接箍密封试件4-1上部，确保接箍密封试件主密封面4-1-4与管体密封试件主密封面4-3-2接触配合良好；在顶盖套筒密封槽3-10内装入密封圈后，再将顶盖3通过顶盖法兰盘3-1上的两个顶盖滑移配合孔3-2与底座法兰盘2-1上的两根顶盖滑移导向柱2-5配合，确保顶盖内部的中心定位柱3-3插入管体密封试件4-3的顶部中心定位孔4-4内，同时管体密封试件4-3的外壁在顶盖内卡槽3-4内。
第三步，将施压部件5扣压在顶盖法兰盘3-1上，确保施压件5-2底部中心位置的施压件定位孔5-3与顶盖顶部中心位置的顶盖顶部中心定位柱3-5配合；将单活塞杆液压缸5-1的工作油口C、D与高压供液系统6中的三位四通换向阀6-8的工作油口A、B相连；将已经连接好软管9的气体输出软管接头3-12插入顶盖套筒3-8右侧的泄漏气体输出口3-11；将软管9的另一端气体泄漏检测装置8相连。
然后，开始测试记录数据，参见图1和图2主要分为以下几步：
第一步，移动顶盖位移记录指针3-6在顶盖指针移动滑槽3-7上的位置，使指针正好指向顶盖滑移导向柱2-5上的某一整数刻度线，并记录此时数据L1。
第二步，将三位四通换向阀6-8的阀芯位置打到左位后，开启高压供液系统6中的马达6-1，通过可调节溢流阀6-5给回路内液体逐步增压，单活塞杆液压缸5-1的活塞杆伸出，使与之相连的施压件5-2对顶盖法兰盘3-1施压，从而使顶盖3和管体密封试件4-3沿顶盖滑移导向柱2-5向下移动；在移动过程中，接箍密封试件主密封面4-1-4与管体密封试件主密封面4-3-2配合部分由接触配合变为过盈配合。
第三步，当顶盖位移记录指针3-6指向顶盖滑移导向柱2-5上所需刻度数据L2时，将三位四通换向阀6-8的阀芯位置更换到中位，使单活塞杆液压缸5-1的活塞杆停止伸出并保持当前状态；锁紧安装在顶盖套筒3-8底部的顶盖密封锁紧环3-9。
接箍密封试件主密封面4-1-4与管体密封试件主密封面4-3-2过盈配合时的主密封面过盈量的计算公式为：
Δ＝(L2-L1)·sinα (1)
式中，Δ为主密封面配合处的金属对金属密封过盈量；L1为施加压力前，顶盖位移记录指针3-6指向顶盖滑移导向柱2-5上的初始指示刻度值；L2为施加压力后，顶盖位移记录指针3-6指向顶盖滑移导向柱2-5上的最终指示刻度值；α为密封单元试件主密封面的倾角(接箍密封试件主密封面倾角4-1-1或管体密封试件主密封面倾角4-3-1)。
第四步，开启高压气源7-1，打开高压气体控制阀7-3，观察气体压力表7-4，保持供气压力维持在试验测试所需气体压力值p；观测气体泄漏检测装置8上监测到的气体泄漏率显示数据，等数据显示稳定后，记录此时气体泄漏检测装置8给出的气体泄漏率数据Q，通过该值可直接定量评估非API管柱接头主密封结构的气密性能。
在用本发明所述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置按照前面所述的试验步骤进行试验，每次试验时使顶盖位移记录指针3-6在顶盖指针移动滑槽3-7上的相对移动的距离不同，即每次施加不同的主密封面配合过盈量Δ，并记录相应的气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得主密封面配合过盈量改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；每次试验时供给不同压力值p的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得密封件内气体压力改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
最后，更换试件分析结果，参见图3，制造多个具有不同结构加工参数的密封单元试件4，更换不同试件完成前面所述的试验步骤，并记录气体泄漏检测装置8给出的相应气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得不同结构加工参数对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律，需要测试分析的结构加工参数有以下几个：
第一个，主密封面配合倾角角度
参照图3所示的锥面对锥面配合的主密封结构，接箍密封试件主密封面倾角4-1-1与管体密封试件主密封面倾角4-3-1角度相同，取接箍密封试件主密封面倾角4-1-1(管体密封试件主密封面倾角4-3-1)角度大小为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°，采用相同材料加工制作7个密封单元试件4；取锥面对锥面密封配合的过盈量为3mm，采用主密封面过盈量计算公式(1)根据不同的主密封面倾角计算出与之对应的顶盖位移记录指针3-6相对移动距离；对每个试件按照前面所述试验步骤施加相同的主密封面配合过盈量Δ和相同压力值p的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得主密封面配合倾角改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
第二个，主密封面配合长度
参照图3所示的锥面对锥面配合的主密封结构，取接箍密封试件主密封面4-1-4长度为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm，采用相同材料加工制作7个密封单元试件4；确保每次试验时顶盖位移记录指针3-6在顶盖指针移动滑槽3-7上的相对移动距离相同，即施加相同的主密封面配合过盈量Δ；对每个试件按照前面所述试验步骤，供给相同压力值p的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得主密封面配合长度改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
第三个，主密封面机加工表面粗糙度
参照图3所示的锥面对锥面配合的主密封结构，接箍密封试件主密封面4-1-4和管体密封试件主密封面4-3-2的机加工表面粗糙度相同，取接箍密封试件主密封面4-1-4(管体密封试件主密封面4-3-2)的表面粗糙度值为0.1、0.2、0.4、0.8、1.6，采用相同材料加工制作5个密封单元试件4；确保每次试验时顶盖位移记录指针3-6在顶盖指针移动滑槽3-7上的相对移动距离相同，即施加相同的主密封面配合过盈量Δ；对每个试件按照前面所述试验步骤，供给相同压力值p的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得主密封面机加工表面粗糙度改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
第四个，接箍密封试件主密封结构壁厚
参照图3所示的锥面对锥面配合的主密封结构，为确保管体密封试件4-3主密封结构处壁厚不变，要求接箍密封试件内径4-1-3与管体密封试件内径4-3-3同步改变(同时增加或同时减少一样的长度)，取接箍密封试件内径4-1-3与管体密封试件内径4-3-3，在原有长度基础上同时增加10mm，20mm，30mm，在原有长度基础上同时减少10mm，20mm，30mm，采用相同材料加工制作6个密封单元试件4；确保每次试验时顶盖位移记录指针3-6在顶盖指针移动滑槽3-7上的相对移动距离相同，即施加相同的主密封面配合过盈量Δ；对每个试件按照前面所述试验步骤，供给相同压力值p的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得接箍密封试件主密封结构壁厚改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
第五个，管体密封试件主密封结构壁厚
参照图3所示的锥面对锥面配合的主密封结构，取管体密封试件内径4-3-3在原有长度基础上增加10mm，20mm，30mm，在原有长度基础上减少10mm，20mm，30mm，采用相同材料加工制作6个密封单元试件4；确保每次试验时顶盖位移记录指针3-6在顶盖指针移动滑槽3-7上的相对移动距离相同，即施加相同的主密封面配合过盈量Δ；对每个试件按照前面所述试验步骤，供给相同压力值p的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据Q，通过数据分析可获得管体密封试件主密封结构壁厚改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
此外，通过改变主密封结构形式(非API管柱接头主密封常用结构包括：锥面对锥面配合、锥面对球面配合、柱面对球面配合)制造不同的密封单元试件4进行试验测试，获得不同主密封结构形式对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；在接箍密封试件主密封面4-1-4和管体密封试件主密封面4-3-2上镀上不同的金属涂层，通过改变其厚度制造不同的密封单元试件4进行试验测试，获得密封面镀层金属及其镀层厚度对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律。
以上是本发明较佳的具体实施方式，但是，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (5)
1.一种测试非API管柱接头气密性的试验装置，其特征在于，包括：支撑架、底座、顶盖、密封单元试件、施压部件、高压供液系统、高压供气系统、气体泄漏检装置、软管；所述的高压供液系统包括：马达，液压泵，油箱，过滤器，可调节溢流阀，液体单向阀，液体压力表，三位四通换向阀，溢流阀；所述的高压供气系统包括：高压气源，气体单向阀，高压气体控制阀，气体压力表。
2.根据权利要求1所述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置，其特征在于，所述的底座通过底座法兰盘安装在支撑架上，底座底部中心的高压气体输入口通过气体输入软管接头连接软管与高压供气系统相连，接箍密封试件通过接箍密封试件底部安装孔与底座内部中心底座定位柱的配合装入底座套筒中，管体密封试件在接箍密封试件上部，接箍密封试件的主密封面与管体密封试件的主密封面接触配合，顶盖通过顶盖法兰盘上的两个顶盖滑移配合孔与底座法兰盘上的两根顶盖滑移导向柱配合，确保顶盖内部中心定位柱插入管体密封试件的顶部中心定位孔内，管体密封试件的外壁在顶盖内卡槽内，施压部件的单活塞杆液压缸与高压供液系统相连，施压件扣压在顶盖法兰盘上，施压件底部中心位置的施压件定位孔与顶盖顶部中心位置的顶盖顶部中心定位柱配合，顶盖位移记录指针套在顶盖指针移动滑槽上，顶盖密封锁紧环安装在顶盖套筒底部，顶盖套筒右侧的泄漏气体输出口通过气体输出软管接头连接软管与气体泄漏检测装置相连；
所述的马达与液压泵相连，马达开启后油箱内的液体经过滤器进入液压泵加压后流出，液体压力通过可调节溢流阀控制，液体从液压泵流出经过液体压力表和液体单向阀进入三位四通换向阀的进油口P，液体压力表显示给出进入三位四通换向阀的液体压力值，三位四通换向阀的回油口T与油箱相连，三位四通换向阀的工作油口A、B与施压部件中的单活塞杆液压缸的工作油口C、D相连，通过改变三位四通换向阀的阀芯位置来控制单活塞杆液压缸的活塞杆的伸出(左位)、停止(中位)、收回(右位)，在三位四通换向阀的工作油口B与单活塞杆液压缸的工作油口D之间设置一路与油箱相连的溢流阀，保护液压回路压力不超过工作额定值；
所述的高压气体通过软管从高压气源流出，经过气体单向阀、高压气体控制阀和气体压力表，进入底座和密封单元试件内部，部分高压气体通过密封单元试件的金属对金属径向过盈密封配合面泄漏，泄漏气体从顶盖套筒右侧的泄漏气体输出口通过软管进入气体泄漏检测装置，高压气体控制阀负责开通或关闭高压气体以及控制其压力大小，气体压力表显示输入密封单元试件内的高压气体压力大小。
3.根据权利要求1所述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置，其特征在于，所述的接箍密封试件主要结构加工参数包括：接箍密封试件主密封面倾角，接箍密封试件外径，接箍密封试件内径，接箍密封试件主密封面；所述的管体密封试件主要结构加工参数包括：管体密封试件主密封面倾角，管体密封试件主密封面，管体密封试件内径，管体密封试件主密封面长度；所述的接箍密封试件主密封面与管体密封试件主密封面接触，通过过盈配合完成金属对金属的径向过盈密封结构形式。
4.根据权利要求1所述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置，其特征在于，所述的底座定位柱密封槽和底座套筒密封槽内装入密封圈，保证接箍密封试件与底座套筒的配合面不会泄漏气体；所述的顶盖套筒密封槽内装入密封圈，保证接箍密封试件与顶盖套筒配合面不会泄漏气体；所述的底座法兰盘上的两根顶盖滑移导向柱的柱身内侧要加工上刻度，刻度精确到0.5mm；所述的顶盖位移记录指针可以在顶盖指针移动滑槽上滑动，滑动范围2cm。
5.一种利用权利要求1-4任一权利要求所述的一种测试非API管柱接头气密性的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，试验前期准备工作，包括：制作密封单元试件，组装高压供液系统，组装高压供气系统；
其次，安装连接测试系统，包括：①将底座安装在支撑架上，通过接好软管的气体输入软管接头将底座与高压供气系统接通，将接箍密封试件装入底座套筒；②将管体密封试件放在接箍密封试件上部，确保二者主密封面接触配合良好，将顶盖与底座法兰盘上的两根顶盖滑移导向柱配合，顶盖内部的中心定位柱插入管体密封试件的顶部中心定位孔内，同时管体密封试件的外壁在顶盖内卡槽内；③将施压部件扣压在顶盖法兰盘上，将单活塞杆液压缸的工作油口与高压供液系统中的三位四通换向阀的工作油口相连，将已经连接好软管的气体输出软管接头插入顶盖套筒右侧的泄漏气体输出口，将软管的另一端气体泄漏检测装置相连；
然后，开始测试记录数据，包括：①移动顶盖位移记录指针使其指向顶盖滑移导向柱上的某一整数刻度线；②将三位四通换向阀的阀芯位置打到左位后，开启高压供液系统，通过可调节溢流阀给回路内液体逐步增压，单活塞杆液压缸的活塞杆伸出，使与之相连的施压件对顶盖法兰盘施压，从而使顶盖和管体密封试件沿顶盖滑移导向柱向下移动，在移动过程中密封单元试件的配合主密封面由接触变为过盈配合；③当顶盖位移记录指针指向顶盖滑移导向柱上所需刻度数据时，将三位四通换向阀的阀芯位置更换到中位，使单活塞杆液压缸的活塞杆停止伸出并保持当前状态，锁紧安装在顶盖套筒底部的顶盖密封锁紧环；④开启高压气源，打开高压气体控制阀，观察气体压力表，保持供气压力维持在试验测试所需气体压力值，观测气体泄漏检测装置上监测到的气体泄漏率显示数据，等数据显示稳定后记录气体泄漏率数据，通过该值可直接定量评估非API管柱接头主密封结构的气密性能；⑤每次试验时施加不同的主密封面配合过盈量和供给不同压力值的高压气体进行测试，并记录相应的气体泄漏率数据，通过数据分析可获得主密封面配合过盈量和密封件内气体压力改变对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律；
最后，更换试件分析结果，制造多个具有不同结构加工参数的密封单元试件，更换不同试件完成前面所述的试验步骤，并记录气体泄漏检测装置给出的相应气体泄漏率数据，通过数据分析可获得不同结构加工参数对非API管柱接头的主密封结构气密性的影响规律，需要测试分析的结构加工参数包括：主密封面配合倾角角度、主密封面配合长度、主密封面机加工表面粗糙度、接箍密封试件主密封结构壁厚、管体密封试件主密封结构壁厚、主密封结构形式、密封面镀层金属及其镀层厚度。
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