CN207280702U - 一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于油井管螺纹连接技术领域，公开了一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置，特殊螺纹管体端上部安装有自动上扣装置；自动上扣装置连接有刻度尺；刻度尺的下端插接在上部结构上表面；上部结构内开有贯通上部结构的注液孔；注液孔连通位于上部结构下端的液体腔室；液体腔室的下端连接有下部结构；下部结构的中心处开有气体腔室；所述气体腔室的底部开有注气孔等。本实用新型可通过自动上扣装置连续控制密封面接触长度、过盈量和平均接触应力，并测试高温高压环境下特殊螺纹密封面气体泄漏速率，为定量评价特殊螺纹气密封性能和优化密封参数提供理论依据。

Description

一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置

技术领域

本实用新型属于油井管螺纹连接技术领域，尤其涉及一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置。

背景技术

特殊螺纹密封参数(密封接触长度和过盈量)直接影响螺纹气体泄漏率，密封参数设计不合理将诱发气井环空带压，影响气井安全。目前，主要通过有限元方法分析密封面接触应力来设计密封参数，再根据该密封参数制造全尺寸或缩小尺寸的特殊螺纹并开展气密封实验以验证密封参数设计是否合理。由于有限元方法往往需做出较多的简化和假设，因此通过接触应力间接优化特殊螺纹密封参数往往达不到预期效果。特殊螺纹密封性能可直接由螺纹气体泄漏率来表征，而目前缺乏能够连续改变特殊螺纹密封参数并动态测试其气体泄漏率的实验装置和方法，因而不利于特殊螺纹密封参数优化设计。

综合上述，现有技术存在的问题是：基于有限元的接触应力分析方法对于特殊螺纹密封参数设计存在局限性。因此开发一种能够连续改变特殊螺纹密封参数并能动态测试螺纹气体泄漏率的实验装置和方法，对于定量评价螺纹密封性能、优化密封参数具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置。可通过自动上扣装置连续控制密封面接触长度、过盈量和平均接触应力，并定量测试特殊螺纹密封面气体泄漏速率，为定量评价特殊螺纹气密封性能和优化密封参数提供理论依据。

本实用新型是这样实现的，一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置，所述连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置的特殊螺纹管体端上部套装有自动上扣装置；所述自动上扣装置滑动连接有刻度尺；所述刻度尺的下端插接在上部结构上表面；所述上部结构内开有贯通上部结构的注液孔；

所述注液孔连通位于上部结构下端的液体腔室；所述液体腔室的下端连接有下部结构；所述下部结构的中心出开有气体腔室；所述气体腔室的底部开有注气孔；

所述上部结构的中心处开有容纳特殊螺纹管体端穿过的锥形凹槽；所述特殊螺纹管体端的下端穿过所述锥形凹槽与气体腔室上部的接箍端相接并形成金属对金属密封副；

所述下部结构开有排液孔；所述排液孔通过套接在排液孔的密封接头与位于下部结构和上部结构一侧的玻璃量筒连接；所述玻璃量筒的最底刻度低于上部结构上表面。

进一步，所述上部结构通过上下带螺纹的固定杆连接下部结构。

进一步，所述注气孔通过管道依次连接阀门、氮气瓶；所述管道上插接有压力表。

进一步，所述注液孔上端扣接有密封帽；所述液体腔室的周围安装有环形液体腔室壁罩；所述液体腔室壁罩的上下两端分别与上部结构、下部结构连接；液体腔室壁罩的上端与上部结构和液体腔室壁罩的下端与下部结构接触处套装有环形密封圈。

进一步，所述下部结构与地面固定钢板通过螺栓连接。

本实用新型的优点及积极效果为：通过自动上扣装置连续控制密封面接触长度、过盈量和平均接触应力，并定量测试特殊螺纹密封面气体泄漏速率，为定量评价特殊螺纹气密封性能和优化密封参数提供理论依据。本实用新型结构简单，操作方便，可连续定量测试特殊螺纹密封面气体泄漏速率，其劳动强度低，时间消耗短，工作效率高。本实用新型结构简单，操作方便，可通过自动上扣装置连续控制密封面接触长度、过盈量和平均接触应力，并测试高温高压环境下特殊螺纹密封面气体泄漏速率，为定量评价特殊螺纹气密封性能和优化密封参数提供理论依据。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的图1的截面图。

图中：1、特殊螺纹管体端；2、上部结构；3、下部结构；4、刻度尺；5、液体腔室壁罩；6、固定钢板；7、环形密封圈；8、自动上扣装置；9、玻璃量筒；10、注液孔；11、密封帽；12、排液孔；13、注气孔；14、压力表；15、阀门；16、氮气瓶；17、螺栓；18、密封接头；19、液体腔室；20、气体腔室；21、金属对金属密封副；22、固定杆。

图3是本实用新型实施例提供的密封面刚好接触图。

图4是本实用新型实施例提供的密封参数为L₁、δ_r1、σ_c1时接触图。

图5是本实用新型实施例提供的密封参数为L_i、δ_ri、σ_ci时接触图。

图6是本实用新型实施例提供的密封参数为L_n、δ_rn、σ_cn时接触图。

图7是本实用新型实施例提供的轴向接触长度与扭矩关系曲线图；

图中：(S₀，T₀)→(对应图3)；(S₁，T₁)→(对应图4)；(S_i，T_i)→(对应图5)；(S_n，T_n)→(对应图6)。

图8是本实用新型实施例提供的轴向接触长度计算细部图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型结构简单，操作方便，可连续定量测试特殊螺纹密封面气体泄漏速率，其劳动强度低，时间消耗短，工作效率高。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置的特殊螺纹管体端1上部套装右自动上扣装置8；所述自动上扣装置8滑动连接有刻度尺4；所述刻度尺4的下端插接在上部结构2上表面；所述上部结构内开有贯通上部结构的注液孔10；

所述注液孔10连通位于上部结构下端的液体腔室19；所述液体腔室19的下端连接有下部结构3；所述下部结构3的中心出开有气体腔室20；所述气体腔室的底部开有注气孔13；

所述上部结构的中心处开有容纳特殊螺纹管体端1穿过的锥形凹槽；所述特殊螺纹管体端的下端穿过所述锥形凹槽与气体腔室13上部的接箍端相接并形成金属对金属密封副21；

所述下部结构3开有排液孔12；所述排液孔12通过套接在排液孔的密封接头18与位于下部结构和上部结构一侧的玻璃量筒9连接；所述玻璃量筒的最底刻度低于上部结构上表面。

所述上部结构2通过上下带螺纹的固定杆22连接下部结构。

所述注气孔13通过管道依次连接阀门15、氮气瓶16；所述管道上插接有压力表14。

所述注液孔上端扣接有密封帽11；所述液体腔室的周围面安装有环形液体腔室壁罩5；所述液体腔室壁罩5的上下两端分别与上部结构2、下部结构3连接；液体腔室壁罩的上端与上部结构和液体腔室壁罩的下端与下部结构接触处套装有环形密封圈7。

所述下部结构3与地面固定钢板6通过螺栓17连接。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步描述。

如图2所示，本实用新型实施例提供的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置的特殊螺纹管体端1，管体端由下部锥体段、中部光滑圆柱段和上部外螺纹段组成，下部锥体段锥度为1/64～1/8，轴向长度为S，中部光滑圆柱段外径略小于圆孔直径d，长度为H-S，上部外螺纹段长度大于h+S。特殊螺纹管体端1上部可安装自动上扣装置8，可自动显示上扣扭矩值并与一旁的刻度尺4对应从而读取上扣时特殊螺纹管体端1的垂直位移。上部结构2，为环形，中部有直径为d的圆孔，圆孔内加工内螺纹，内螺纹与特殊螺纹管体端1上部外螺纹外径配套，圆孔高度为h，上部结构上面有注液孔10、刻度尺4，注液孔10上有密封帽11。下部结构3，中部有锥形凹槽，锥形凹槽锥度与管体端下部锥体段锥度相同，锥形凹槽高度大于2S，锥形凹槽部分模拟特殊螺纹接箍端，用于与特殊螺纹管体端1之间形成金属对金属密封副21，锥形凹槽底部有注气孔13，当特殊螺纹管体端1与接箍端形成金属对金属密封副21后，锥形凹槽下部剩余空间形成的气体腔室20，可由注气孔13注入高压氮气用于模拟油管内的高压气体，下部结构上带有排液孔12、注气孔13，排液孔12外侧通过密封接头18连接带有刻度的玻璃量筒9，玻璃量筒9最底刻度低于上部结构2上表面，注气孔13连接压力表14、阀门15、氮气瓶16，下部结构3与地面固定钢板6通过螺栓17连接。上部结构2和下部结构3之间通过上下带螺纹的固定杆22连接。特殊螺纹管体端1环周围与上部结构2和下部结构3之间形成的密闭的液体腔室19外有环形液体腔室壁罩5，与上部结构2和下部结构3接触处有环形密封圈7。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步描述。

本实用新型实施例提供的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置的基础上，公开了一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验方法，主要包括以下步骤：

M1：将下部结构3用螺栓17固定在地面的固定钢板6上；

M2：将上部结构2和下部结构3通过固定杆22连接；

M3：连接注气孔13外的压力表14、阀门15和氮气瓶16，同时在排液孔12外连接玻璃量筒9，连接处用密封接头18，将液体腔室壁罩5安装在上部结构2和下部结构3上，并保证密封。

M4：设计特殊螺纹接箍端和特殊螺纹管体端1金属对金属密封副21轴向最大接触长度为S，并将其均等分成4份，每一份长度为S/4；

M5：将特殊螺纹管体端1插入上部结构2中心孔，通过自动上扣装置8上扣使其下转h完成螺纹上扣，此时特殊螺纹管体端和特殊螺纹接箍端1金属对金属密封副21也恰好接触，记录扭矩值为T₀，读取刻度尺4上数值为S₀，T₀即为螺纹扭矩；

M6：通过自动上扣装置8继续上扣，使其下转S/4，记录扭矩值为T₁，读取刻度尺4上数值为S₁，此时金属对金属密封已经形成，可计算此时密封接触长度、径向过盈量和平均接触应力，如图3至图8所示，

具体如下：

密封接触长度：

密封面径向过盈量：

δ_r1＝(S₁-S₀)sinα；

密封面平均接触应力：

式中：α—管体端和接箍端密封副配合锥度，°；

f—密封面摩擦系数，无量纲；

R—接箍端锥形凹槽口半径，mm；

M7：从注液孔10将液体注满液体腔室6，将密封帽11拧紧；

M8：打开高压气体阀门15，使高压氮气通入气体腔室20中，保持气体压力为P＝50MPa，仔细观察玻璃量筒9中液面，待液面稳定上升时记录此时的时间为t₀，同时读取玻璃量筒9中液面高度为h₀；继续观察液面高度，待液面上升至h₁时记录此时时间为t₁。若记量筒截面积即为S_量，则t₀到t₁这段时间内密封面气体泄漏的体积V_1-1和气体泄漏率γ_1-1用下式计算：

V_1-1＝S_量(h₁-h₀)；

γ_1-1即为密封面接触长度为L₁、密封面径向过盈量为δ_r1、密封面平均接触应力为σ_c1、密封气体压力为P＝50MPa时的气体泄漏率。

M9：关闭阀门15，打开密封帽11并从注液孔10重新注满液体腔室19，再将密封帽11拧紧；

M10：将步骤M8中的气体压力保持为2P、3P···mP MPa，重复步骤M8～M9，得到密封参数为L₁、δ_r1、σ_c1时，密封气体压力为2P、3P···mP时的气体泄漏率γ_1-2、γ_1-3···γ_1-m。

M11：通过自动上扣装置上扣，使其继续下转S/n，记录扭矩值为T₂，读取刻度尺上数值为S₂，可计算此时密封面接触长度、密封面径向过盈量和密封面平均接触应力，如下：

密封接触长度：

密封面径向过盈量：

δ_r2＝(S₂-S₀)sinα；

密封面平均接触应力：

M12：重复步骤M8～M10，得到密封参数为L₂、δ_r2、σ_c2时，密封气体压力为P、2P、3P···mP时的气体泄漏率γ_2-1、γ_2-2、···γ_2-m。

M13：重复步骤M11～M12，直到特殊螺纹接箍端和特殊螺纹管体端金属对金属密封副轴向最大接触长度达到设计值S，可得到密封参数分别为L_i、δ_ri、σ_ci(i＝2，3，····n)时，密封气体压力为P、2P、3P···mP时的气体泄漏率γ_i-1、γ_i-2···γ_i-m(i＝2，3，····n)。

M14：整理实验数据，得到不同密封参数和密封气体压力下的气体泄漏率，见下表。

实验测试不同密封参数和密封气体压力下的气体泄漏率

M15：完成所有测试后，首先关闭阀门15，将玻璃量筒9装置拆除，利用排液孔12将液体腔室19中的液体完全排除，再通自动上扣装置8将特殊螺纹管体端1的螺纹段回扣至开始安装状态，最后拆除高压氮气装置。

M16：将装置恢复到实验前的状态，以便下次正常使用。

本实用新型实施例提供的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置包括：特殊螺纹管体端，由下部锥体段、中部光滑圆柱段和上部外螺纹段组成，特殊螺纹管体端上部安装自动上扣装置。上部结构，其上有注液孔、刻度尺，注液孔上有密封帽。下部结构，其上有排液孔、注气孔，排液孔外侧通过密封接头连接带有刻度的玻璃量筒，量筒最底刻度低于上部结构上表面，注气孔连接压力表、阀门、氮气瓶，下部结构与地面固定钢板通过螺栓连接。上部结构和下部结构之间通过上下带螺纹的固定杆连接。特殊螺纹管体端环周围与上部结构和下部结构之间形成的空腔外有环形液体腔室壁罩，与上部结构和下部结构接触处有环形密封圈。本实用新型结构简单，操作方便，可通过自动上扣装置连续控制密封面接触长度、过盈量和平均接触应力，并定量测试特殊螺纹密封面气体泄漏速率，为定量评价特殊螺纹气密封性能和优化密封参数提供理论依据。

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

Claims (5)

1.一种连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置，其特征在于，所述连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置的特殊螺纹管体端上部套装有自动上扣装置；所述自动上扣装置滑动连接有刻度尺；所述刻度尺的下端插接在上部结构上表面；所述上部结构内开有贯通上部结构的注液孔；

所述注液孔连通位于上部结构下端的液体腔室；所述液体腔室的下端连接有下部结构；所述下部结构的中心出开有气体腔室；所述气体腔室的底部开有注气孔；

所述上部结构的中心处开有容纳特殊螺纹管体端穿过的锥形凹槽；所述特殊螺纹管体端的下端穿过所述锥形凹槽与气体腔室上部的接箍端相接并形成金属对金属密封副；

所述下部结构开有排液孔；所述排液孔通过套接在排液孔的密封接头与位于下部结构和上部结构一侧的玻璃量筒连接；所述玻璃量筒的最底刻度低于上部结构上表面。

2.如权利要求1所述的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置，其特征在于，所述上部结构通过上下带螺纹的固定杆连接下部结构。

3.如权利要求1所述的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置，其特征在于，所述注气孔通过管道依次连接阀门、氮气瓶；所述管道上接有压力表。

4.如权利要求1所述的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置，其特征在于，所述注液孔上端扣接有密封帽；所述液体腔室的周围安装有环形液体腔室壁罩；所述液体腔室壁罩的上下两端分别与上部结构、下部结构连接；液体腔室壁罩的上端与上部结构和液体腔室壁罩的下端与下部结构接触处套装有环形密封圈。

5.如权利要求1所述的连续测试特殊螺纹密封面气体泄漏率的实验装置，其特征在于，所述下部结构与地面固定钢板通过螺栓连接。