CN114923796A - 一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，包括试验台面，所述试验台面上固连有高温炉，所述高温炉的右端侧设置有旋转加载组件，所述高温炉的左端侧设置有扭矩加载组件，所述高温炉的下方设置有弯矩加载组件。本发明利用电磁衔铁与测功机的磁力作用分别实现对旋转状态下的焊接钻杆接头进行弯矩和扭矩加载，并能够根据实际需要实时调节弯矩和扭矩，实现二维弯扭复合变载荷加载，进行旋转弯曲疲劳试验采用此种加载方式控制精度高，操作简单和应用可靠。本发明能够更加贴近钻杆接头的实际应用受力状态和工作环境，并能够在更加复杂的受力状态下对焊接材料进行疲劳性能测试。

Description

一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机及其工作方法，涉及金属材料物理性能的测试领域。

背景技术

钻杆是各类勘探开采石油天然气等的最主要工具，用于连接地表钻井设备和钻井底端的钻磨设备或底孔装置，主要是由钻杆管体和钻杆接头两部分通过焊接连接在一起制造而成。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动，而且钻杆外部会直接与泥沙等混合物直接接触产生磨损和发热，而焊接钻杆接头的焊缝部位是其中比较薄弱的部分，其可靠性和寿命直接影响到钻井的效率和成本。疲劳是指材料或构件在循环交变载荷下，在某点或者某些点产生局部的永久性损伤，并进一步形成裂纹直至完全断裂的现象。对于钻杆材料及其接头的疲劳寿命的评判至关重要。

现有的测试设备一般是仅设置弯矩加载或者扭矩加载进行单受力因素加载，且多为杠杆机械式加载，试验过程中载荷不易改变；目前此类设备设计原理多为依据单点加力和双点加力原理，受限于机型和砝码加载方式，此类设备存在实验数据精度低等问题。目前的测试设备有可对试验材料施加弯矩和轴向载荷的，虽考虑了两种加载形式但是其模拟的工况与钻杆受到弯矩和扭矩复合作用的实际工况相差较大；目前的试验机中几乎没有关于进行弯扭复合加载试验的相关内容。由于钻杆的工作环境多为复合应力状态并随钻井深度的变化各种应力也随之变化，且存在一定的高温工作环境，因此钻杆接头焊缝在复杂环境中的疲劳破坏是钻杆失效的主要方式之一。钻杆接头受到热和复合应力的综合作用，其中复合应力主要为弯矩和扭矩，因此测试钻杆接头在变化的复合应力状态下的疲劳寿命是至关重要的。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机及其工作方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，包括试验台面，所述试验台面上固连有高温炉，所述高温炉的右端侧设置有旋转加载组件，所述高温炉的左端侧设置有扭矩加载组件，所述高温炉的下方设置有弯矩加载组件。

优选的，所述旋转加载组件包括自右往左依次连接设置的电机、可伸缩型万向联轴器、右动力头总成、夹具，所述右动力头总成的右端侧部铰接在试验台面上固连的铰接支架上，所述右动力头总成的左端侧部连接弯矩加载组件，所述右动力头总成的非端部下方设置有接近开关，所述右动力头总成的右端转轴下方设置有计数传感器。

优选的，所述扭矩加载组件包括自左往右依次连接设置的测功机、输出轴、可伸缩型万向联轴器、左动力头总成、夹具，所述测功机与输出轴之间经皮带传动组件传动连接，所述左动力头总成的右端侧部连接弯矩加载组件，所述左动力头总成的左端侧部安装有滑轮并支撑在试验台面固连的水平滑轨支座上。

优选的，所述弯矩加载组件包括三角横梁，所述三角横梁的左右两端均铰接有连杆，所述连杆均朝上穿过试验台面的通孔，左侧连杆顶端铰接在扭矩加载组件的左动力头总成右端侧部，右侧连杆顶端铰接在旋转加载组件的右动力头总成左端侧部，所述三角横梁的中部下方与S型拉压力传感器的顶部杆件铰接，所述S型拉压力传感器的底部杆件与电磁衔铁的伸缩轴铰接。

优选的，所述通孔的内径大于连杆的外径，所述连杆在通孔以上的部分均固连有限位挡块，限位挡块外径大于通孔内径。

优选的，所述高温炉的左右两端均设置有穿入通口，所述高温炉沿着穿入通口的水平中心位分为上炉体与下炉体，所述上炉体与下炉体的后沿铰接，进行上炉体的前后摆转启闭，所述上炉体经上水软管连接泥沙泵，所述下炉体经排水管连接泥沙储存罐。

优选的，所述夹具均包括夹杆，所述夹杆的夹紧端均圆周均匀固设有若干个间隔设置的夹头，若干个夹头的包围中心为试样的插口，若干个夹头的外周部同轴套设有锁紧套，锁紧套与夹杆螺纹旋接，所述锁紧套的其中一内端侧为用以挤压若干个夹头的圆锥面。

优选的，所述可伸缩型万向联轴器的两端、夹具与动力头总成之间均设置有连接轴套，所述连接轴套均由细连接段与粗连接段组成，所述细连接段经键、键槽与对应轴段连接，所述粗连接段套设在对应轴段外部并经圆周均布的若干个紧定螺钉径向紧定。

一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机的工作方法，按以下步骤进行：

（1）、将待测材料试样装入夹具，将夹具两端分别与两侧动力头总成连接并调节待测材料圆跳动并锁紧，通过弯矩加载组件施加弯矩，由测功机为试验提供扭矩，在控制电脑内设置好弯矩和扭矩加载数值，开始启动电机使待测材料高速旋转，弯矩和扭矩负载开始增大至设定数值，这样待测材料在测试过程中受到弯曲正应力和扭力矩的复合作用，需要模拟高温泥沙环境就设定高温炉加热温度并打开泥沙循环系统，让试样在充满混合物的环境之中；

（2）、当待测材料断裂时，触发接近开关，电机、电磁衔铁、测功机和泥沙泵自动停止，计数传感器停止计数，所有数据由控制电脑保存，测试完成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：实现对待测材料的旋转状态下的弯矩和扭矩加载，从而进行弯扭组合的旋转弯曲疲劳试验，能够在受力更加复杂的状态下进行材料的疲劳试验。可以在其额定范围内进行不同弯矩、扭矩、温度的组合环境中进行待测材料的试验。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的构造示意图。

图2为本发明实施例动力头总成的构造示意图。

图3为连接轴套的构造示意图。

图4为夹杆的构造示意图。

图5为锁紧套的构造示意图。

图6为高温炉的主视图。

图7为高温炉的侧视图。

图8为试样受力示意图。

图9为焊接钻杆结构示意图。

图10为试验样品尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1~10所示，本实施例提供了一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，包括试验台面1，所述试验台面上固连有高温炉2，所述高温炉的右端侧设置有旋转加载组件3，所述高温炉的左端侧设置有扭矩加载组件4，所述高温炉的下方设置有弯矩加载组件5。

在本发明实施例中，试验台面主体为水平结构布置，是由四根立柱6、上底板7和下底板8组合而成的框架体，框架体右侧布置有电源总开关9和控制电脑10。

在本发明实施例中，所述旋转加载组件包括自右往左依次连接设置的电机11、可伸缩型万向联轴器12、右动力头总成13、夹具14，所述右动力头总成的右端侧部铰接在试验台面上固连的铰接支架15上，所述右动力头总成的左端侧部连接弯矩加载组件，所述右动力头总成的非端部下方设置有接近开关16，所述右动力头总成的右端转轴下方设置有计数传感器17。

在本发明实施例中，所述扭矩加载组件包括自左往右依次连接设置的测功机18、输出轴19、可伸缩型万向联轴器、左动力头总成20、夹具，所述测功机与输出轴之间经皮带传动组件传动连接，所述左动力头总成的右端侧部连接弯矩加载组件，所述左动力头总成的左端侧部安装有滑轮21并支撑在试验台面固连的水平滑轨支座22上。输出轴通过一对深沟球轴承23与轴承座24安装在试验台面上。测功机通过螺栓固定在下底板上，输出轴左侧与测功机输入轴采用同步带25连接，同步带传动具有高转速、振动噪声小和一定的缓冲作用。

由于弯矩加载的作用，材料发生弯曲从而两侧动力头总成的轴线形成一定的夹角，采用可伸缩型万向联轴器可以保证1:1的转速比并允许两侧动力头不在同一条轴线上运行。

在本发明实施例中，所述弯矩加载组件包括三角横梁26，所述三角横梁的左右两端均铰接有连杆27，所述连杆均朝上穿过试验台面的通孔28，左侧连杆顶端铰接在扭矩加载组件的左动力头总成右端侧部，右侧连杆顶端铰接在旋转加载组件的右动力头总成左端侧部，所述三角横梁的中部下方与S型拉压力传感器29的顶部杆件铰接，所述S型拉压力传感器的底部杆件与电磁衔铁30的伸缩轴铰接。采用电磁衔铁装置用作加力装置，通过控制电脑改变衔铁中线圈电流大小而达到控制拉力的目的，再通过S型拉压力传感器的实时测量数据形成反馈系统，从而更加精确地控制弯矩的加载；电磁衔铁与底座31相连，底座与机器下底板通过四个螺栓紧固。

在本发明实施例中，所述通孔的内径大于连杆的外径，所述连杆在通孔以上的部分均固连有限位挡块32，限位挡块外径大于通孔内径。限位挡块采用紧定螺钉与连杆固定并且易于调节其位于连杆上的位置，在实验过程中材料断裂时起到保护两侧传动机构的作用。

在本发明实施例中，所述高温炉的左右两端均设置有穿入通口33，所述高温炉沿着穿入通口的水平中心位分为上炉体34与下炉体35，所述上炉体与下炉体的后沿铰接，进行上炉体的前后摆转启闭，所述上炉体经上水软管36连接泥沙泵37，所述下炉体经排水管38连接泥沙储存罐39，储存罐与泥沙泵连接，形成泥沙循环系统。在实验过程中泥沙循环系统开启，高温炉提供设定的温度，由泥沙泵将实验要求的一定比例混合的油、水和砂石的混合物从储存罐通过上水软管泵送到高温炉与试验材料相接触，模拟钻杆材料在钻探时候的工况，模拟然后混合物通过排水管流回储存罐如此循环。

在本发明实施例中，所述夹具均包括夹杆40，所述夹杆的夹紧端均圆周均匀固设有若干个间隔设置的夹头41，若干个夹头的包围中心为试样的插口42，若干个夹头的外周部同轴套设有锁紧套43，锁紧套与夹杆螺纹旋接，所述锁紧套的其中一内端侧为用以挤压若干个夹头的圆锥面50。

在本发明实施例中，所述可伸缩型万向联轴器的两端、夹具与动力头总成之间均设置有连接轴套58，所述连接轴套均由细连接段与粗连接段组成，所述细连接段经键、键槽与对应轴段连接，所述粗连接段套设在对应轴段外部并经圆周均布的若干个紧定螺钉59径向紧定。采用周向布置的六个紧定螺钉连接，紧定螺钉连接结构简单可靠，这样可以搭配千分表通过调节紧定螺钉来调节待测材料安装过程中的圆跳动，提高试验的精度；而且此种结构易于拆卸更换不同的夹具，提高了试验机的通用性。

动力头总成内部结构如图2所示，其由主轴44、密封圈45、端盖46、两对角接触球轴承48、轴承锁紧螺母47、外壳49组成，采用两对角接触球轴承可以保证高速转动的同轴度精度和承载力，连接轴套和主轴44采用过盈键连接以保证其连接的可靠性和精度。

钻杆结构示意图如图9，焊缝为53和56、公接头51、母接头57和钻柱54，公接头51外表面加工有第一螺纹，母接头57内表面加工有第二螺纹，第一第二螺纹相配合，钻杆整体由两接头和钻柱焊接而成，中间为空心结构；图中52和55框选部分为试验试样的截取部位。

一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机的工作方法，按以下步骤进行：

（1）、将待测材料试样装入夹具，将夹具两端分别与两侧动力头总成连接并调节待测材料圆跳动并锁紧，通过弯矩加载组件施加弯矩，施加弯矩时三角横梁通过左右侧的连杆同时下拉两动力头总成，由测功机为试验提供扭矩，在控制电脑内设置好弯矩和扭矩加载数值，开始启动电机使待测材料高速旋转，弯矩和扭矩负载开始增大至设定数值，这样待测材料在测试过程中受到弯曲正应力和扭力矩的复合作用，需要模拟高温泥沙环境就设定高温炉加热温度并打开泥沙循环系统，让试样在充满混合物的环境之中；试验时待测材料的受力如图8所示，夹具与待测材料组合并与动力头总成锁死，其中M为弯矩，F为施加的下拉力，N为扭矩。

（2）、当待测材料60断裂时，接近开关为感应式接近传感器，试验过程中材料断裂，右动力头总成左端会往下微旋转接近接近开关，触发接近开关，电机、电磁衔铁、测功机和泥沙泵自动停止，计数传感器停止计数，所有数据由控制电脑保存，测试完成。计数传感器为激光传感器，上方转动轴做颜色标识以实现激光传感器正常工作。在此之外，也可在控制电脑中设置一定的转数，当测试达到设定转数，由控制电脑自动将各个部分电源切断并保存数据。

在测试材料时如果要使用到高温炉，应将待测材料在机器上固定好，启动电机，不添加扭矩和弯矩负载，将炉膛温度加热到测试所需温度后再启动加载装置。

本发明利用电磁衔铁和测功机分别实现对待测材料的旋转状态下的弯矩和扭矩加载，从而进行弯扭组合的旋转弯曲疲劳试验，其中加载方式精确易调节，可以在试验过程中实时调节其弯矩和扭矩大小，更加符合焊接钻杆接头的实际工作受力场景。因此本发明能够在受力更加复杂的状态下进行材料的疲劳试验。

本发明设置了高温炉并能够由控制系统根据设定连续调节其温度，较好的模拟了钻杆接头实际不同温度下的工作场景。

本发明可以在其额定范围内进行不同弯矩、扭矩、温度的组合且在泥沙环境中进行待测材料的试验，且试验材料的夹具采用易拆卸结构，通过更换不同夹具可实现不同尺寸待测材料的试验，从而实现本机在多工况下的多用途。

本发明具有自动化程度高，操作简单，通用性强、动平衡标准高和振动噪声小等优点。本发明的试验机在设置好参数开始试验后无需人工实时观测，当达到试验设定数值或材料断裂后自动停机并保存数据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：包括试验台面，所述试验台面上固连有高温炉，所述高温炉的右端侧设置有旋转加载组件，所述高温炉的左端侧设置有扭矩加载组件，所述高温炉的下方设置有弯矩加载组件。

2.根据权利要求1所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：所述旋转加载组件包括自右往左依次连接设置的电机、可伸缩型万向联轴器、右动力头总成、夹具，所述右动力头总成的右端侧部铰接在试验台面上固连的铰接支架上，所述右动力头总成的左端侧部连接弯矩加载组件，所述右动力头总成的非端部下方设置有接近开关，所述右动力头总成的右端转轴下方设置有计数传感器。

3.根据权利要求1所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：所述扭矩加载组件包括自左往右依次连接设置的测功机、输出轴、可伸缩型万向联轴器、左动力头总成、夹具，所述测功机与输出轴之间经皮带传动组件传动连接，所述左动力头总成的右端侧部连接弯矩加载组件，所述左动力头总成的左端侧部安装有滑轮并支撑在试验台面固连的水平滑轨支座上。

4.根据权利要求1所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：所述弯矩加载组件包括三角横梁，所述三角横梁的左右两端均铰接有连杆，所述连杆均朝上穿过试验台面的通孔，左侧连杆顶端铰接在扭矩加载组件的左动力头总成右端侧部，右侧连杆顶端铰接在旋转加载组件的右动力头总成左端侧部，所述三角横梁的中部下方与S型拉压力传感器的顶部杆件铰接，所述S型拉压力传感器的底部杆件与电磁衔铁的伸缩轴铰接。

5.根据权利要求4所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：所述通孔的内径大于连杆的外径，所述连杆在通孔以上的部分均固连有限位挡块，限位挡块外径大于通孔内径。

6.根据权利要求1所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：所述高温炉的左右两端均设置有穿入通口，所述高温炉沿着穿入通口的水平中心位分为上炉体与下炉体，所述上炉体与下炉体的后沿铰接，进行上炉体的前后摆转启闭，所述上炉体经上水软管连接泥沙泵，所述下炉体经排水管连接泥沙储存罐。

7.根据权利要求2-3任一所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：所述夹具均包括夹杆，所述夹杆的夹紧端均圆周均匀固设有若干个间隔设置的夹头，若干个夹头的包围中心为试样的插口，若干个夹头的外周部同轴套设有锁紧套，锁紧套与夹杆螺纹旋接，所述锁紧套的其中一内端侧为用以挤压若干个夹头的圆锥面。

8.根据权利要求2-3任一所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机，其特征在于：所述可伸缩型万向联轴器的两端、夹具与动力头总成之间均设置有连接轴套，所述连接轴套均由细连接段与粗连接段组成，所述细连接段经键、键槽与对应轴段连接，所述粗连接段套设在对应轴段外部并经圆周均布的若干个紧定螺钉径向紧定。

9.一种如权利要求1-8任一所述的焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机的工作方法，其特征在于，按以下步骤进行：

（1）、将待测材料试样装入夹具，将夹具两端分别与两侧动力头总成连接并调节待测材料圆跳动并锁紧，通过弯矩加载组件施加弯矩，由测功机为试验提供扭矩，在控制电脑内设置好弯矩和扭矩加载数值，开始启动电机使待测材料高速旋转，弯矩和扭矩负载开始增大至设定数值，这样待测材料在测试过程中受到弯曲正应力和扭力矩的复合作用，需要模拟高温泥沙环境就设定高温炉加热温度并打开泥沙循环系统，让试样在充满混合物的环境之中；

（2）、当待测材料断裂时，触发接近开关，电机、电磁衔铁、测功机和泥沙泵自动停止，计数传感器停止计数，所有数据由控制电脑保存，测试完成。

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