一種鉆具螺紋動態(tài)疲勞模擬測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油與天然氣工業(yè)鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉆具螺紋動態(tài)疲勞模擬測試裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在石油鉆井過程中，鉆桿的服役環(huán)境惡劣，受力情況復(fù)雜，往往面臨著嚴(yán)重的鉆具失效風(fēng)險。螺紋失效是一種重要的石油鉆桿失效形式，而螺紋連接處發(fā)生斷裂是鉆具連接失效最嚴(yán)重和最具破壞性的一種事故。螺紋發(fā)生斷裂的主要原因，是由于螺紋連接處存在著應(yīng)力疲勞區(qū)，使用中當(dāng)應(yīng)力疲勞達(dá)到一定的極限，螺紋就會發(fā)生突然的斷裂。因此，預(yù)防疲勞損壞，減少井下鉆具螺紋處斷裂事故的發(fā)生，必須做好鉆具螺紋疲勞的性能評估和測試工作。而現(xiàn)有的疲勞試驗(yàn)機(jī)多是簡單的靜態(tài)疲勞測試，目前還沒有可以模擬鉆具螺紋動態(tài)疲勞的測試裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)裝置的不足，目的是提供一種能夠模擬井下鉆具螺紋承受靜態(tài)和動態(tài)雙重載荷條件下的動態(tài)疲勞測試裝置及方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]一種鉆具螺紋動態(tài)疲勞模擬測試裝置，其特征在于它包括底座、設(shè)于底座中心的微調(diào)升降裝置、設(shè)于微調(diào)升降裝置上的激振器、設(shè)于激振器上方的底板、設(shè)于底板上方的頂板、設(shè)于底板中心的滑動軸承、下連接柱安裝在滑動軸承中、設(shè)于底板下端面的游標(biāo)卡尺、設(shè)于頂板中心的上連接柱、設(shè)于底板與下連接柱之間的彈簧、設(shè)于上連接柱上部的拉伸螺母、設(shè)于上連接柱下部的壓縮螺母、設(shè)于頂板和底板及底座之間的支撐柱、上連接柱與下連接柱之間安裝有試樣，試樣中部螺紋連接處外壁貼有應(yīng)變片。
[0006]所述試樣為現(xiàn)場鉆具螺紋連接頭模擬試樣，中部空心，兩端實(shí)心，分別與上連接柱和下連接柱螺紋連接。所述上連接柱下端為螺紋連接母扣，上端為螺桿、所述下連接柱上端為螺紋連接母扣，下端為光桿。
[0007]所述的拉伸螺母和壓縮螺母分別安裝在上連接柱的頂板以上和上連接柱的頂板以下，通過手動調(diào)節(jié)螺母實(shí)現(xiàn)對測試管柱施加靜態(tài)的拉伸和壓縮載荷；
[0008]所述彈簧上端與下連接柱上端通過螺栓固定，彈簧下端與底板通過螺栓固定，以便于拆卸維修、所述彈簧在加載靜載荷后，須滿足下連接柱的光桿下端始終處于底板下方并且能與頂桿保持有效接觸；
[0009]所述游標(biāo)卡尺的上測量爪與底板下端面焊接連接、下測量爪可在卡尺上游動，實(shí)現(xiàn)對彈簧應(yīng)變的精確測量；
[0010]所述激振器的頂桿與下連接柱底面接觸，可向試樣施加動態(tài)激勵，所述微調(diào)升降裝置采用機(jī)械調(diào)整裝置。激振器和應(yīng)變片通過電線連接測量與控制主機(jī)，所述的測量與控制主機(jī)集成了信號接收與處理元件，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變、激振力、激振頻率的實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄。
[0011 ] 該鉆具螺紋動態(tài)疲勞模擬方法包括對靜載荷的模擬和對動載荷的模擬兩部分，其中，所述的靜荷載利用彈簧機(jī)構(gòu)模擬，所述的動載荷利用一個激振機(jī)構(gòu)模擬。實(shí)驗(yàn)所模擬的靜載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試樣及上下連接柱的自重，可忽略試樣及上下連接柱的自重對彈簧所產(chǎn)生的應(yīng)變，故游標(biāo)卡尺的前后讀數(shù)差所對應(yīng)的彈簧應(yīng)力即為對試樣施加的靜載荷。
[0012]利用本發(fā)明裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法包括如下步驟:
[0013]A、測量并記錄彈簧在空載條件下游標(biāo)卡尺的讀數(shù)；
[0014]B、計算達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求靜載荷所需的彈簧應(yīng)變量；
[0015]C、將加工好的試樣安裝在上連接柱和下連接柱之間；
[0016]D、將應(yīng)變片貼于試樣中部螺紋連接處外壁，并通過電線與測量與控制主機(jī)連接；
[0017]E、調(diào)節(jié)拉伸螺母或壓縮螺母，同時觀察游標(biāo)卡尺的讀數(shù)，當(dāng)游標(biāo)卡尺的前后讀數(shù)差達(dá)到所需彈簧應(yīng)變量時，停止加載；
[0018]F、調(diào)節(jié)微調(diào)升降裝置，使頂桿與光桿下端面保持接觸；
[0019]G、通過測量與控制主機(jī)控制激振器輸出實(shí)驗(yàn)要求的激振頻率和激振力，驅(qū)動頂桿向試樣加載動態(tài)激勵；
[0020]H、通過測量與控制主機(jī)實(shí)時監(jiān)測并記錄激振力、激振頻率和應(yīng)變數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對試樣進(jìn)行裂紋檢測和斷口形貌分析。
[0021]本發(fā)明由于采取上述技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1、采用彈簧機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)對測試管柱靜態(tài)的拉伸和壓縮的同時，不影響激振器將激振力傳遞至測試管柱，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；
[0023]2、采用手動調(diào)節(jié)螺母，利用螺紋副傳動對彈簧施加作用力，傳動平穩(wěn)，且螺紋副具有自鎖作用，可以很方便的停下來進(jìn)行讀數(shù)，而不用擔(dān)心讀數(shù)變化，讀數(shù)準(zhǔn)確方便；
[0024]3、可通過測量與控制主機(jī)控制激振器輸出不同形式的動態(tài)激勵，并實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變、激振力、激振頻率的實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明鉆具螺紋動態(tài)疲勞模擬測試裝置的立體圖
[0026]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖3為本發(fā)明的激振機(jī)構(gòu)和測量裝置示意圖
[0028]圖4為本發(fā)明的彈簧機(jī)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述。
[0030]如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括底座1、設(shè)于底座I中心的微調(diào)升降裝置2、設(shè)于微調(diào)升降裝置2上的激振器3、設(shè)于激振器3上方的底板5、設(shè)于底板5上方的頂板13、設(shè)于底板5中心的滑動軸承6、下連接柱8安裝在滑動軸承6中、設(shè)于底板5下端面的游標(biāo)卡尺15、設(shè)于頂板13中心的上連接柱11、設(shè)于底板5與下連接柱8之間的彈簧7、設(shè)于上連接柱11上部的拉伸螺母14、設(shè)于上連接柱11下部的壓縮螺母12、設(shè)于頂板13和底板5及底座I之間的支撐柱17、上連接柱11與下連接柱8之間安裝有試樣9、試樣9中部螺紋連接處外壁貼有應(yīng)變片10。
[0031]所述試樣9為鉆具螺紋連接頭模擬試樣，中部空心，兩端實(shí)心，分別與上連接柱11和下連接柱8螺紋連接；所述上連接柱11下端為螺紋連接母扣，上端為螺桿、所述下連接柱上端為螺紋連接母扣，下端為光桿。
[0032]所述拉伸螺母14和壓縮螺母12分別安裝在上連接柱11的頂板13以上和上連接柱11的頂板13以下，通過手動調(diào)節(jié)螺母實(shí)現(xiàn)對測試管柱施加靜態(tài)的拉伸和壓縮載荷。
[0033]參閱圖3、圖4，所述彈簧7上端與下連接柱8上端通過螺栓固定，彈簧7下端與底板5通過螺栓固定，以便于拆卸維修；所述彈簧7在加載靜載荷后，能滿足下連接柱8的光桿下端始終處于底板5下方并且能與頂桿4保持有效接觸。