井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及油气井钻采技术领域中实现井筒内管柱在轴向压力和扭矩作用下屈曲行为的模拟和测量的实验装置，具体涉及井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置及其实验方法。

背景技术：

井筒内管柱包括钻柱、套管柱、测试管柱、抽油杆管柱、连续管等，常受到轴向压力和扭矩作用，容易导致屈曲，其屈曲力学行为是石油工程中的关键问题，对石油工程中的诸多方面(如钻井、完井、测井、压裂、采油等)都有不良影响，会引起钻头方向改变及井下摩阻和扭矩显著增加(甚至使管柱“锁死”)，导致钻具疲劳破坏、油管密封失效、管柱连接失效、连续油管无法下入以及采油杆管柱偏磨等。因此，研究井筒内管柱的屈曲行为具有重要意义。

东北石油大学翟继东设计的管柱屈曲实验装置，管柱为不锈钢，采用万能试验机提供轴向压力，并记录管柱轴向位移，可模拟井筒内两端固定管柱在轴向压力作用下的屈曲行为。管锋，段梦兰等人设计连续油管井下力学行为模拟实验台架，管柱用高强弹簧钢丝模拟，采用电动缸在首端提供推力和回拉力，由传感器获得不同位移下首末端轴向压力，可实现水平井内一端固定管柱分别在推力和回拉力作用下的屈曲行为模拟。中国发明专利201210101723.1设计了双层管整体屈曲模拟实验装置，对双层管实现轴向和侧向加载，由检测的轴向压力、轴端位移及各应变反映双层管的屈曲特性。该装置可模拟两端固定双层管在轴向和侧向加载作用下的整体屈曲行为。中国实用新型专利201420542160.4设计了一种多功能加载管道整体屈曲实验系统，可分别模拟温、压、机械加载管道整体屈曲情况。该试验装置可实现管道在温度，轴向压力以及机械方面轴向及侧向轴向压力作用下的整体屈曲。王宇，高国华等人设计的井筒内管柱小尺寸模拟实验台，采用有机玻璃管模拟井眼，弹簧作为模拟管柱，采用步进电机或人工方式，通过滚珠丝杠实现对模拟管柱的轴向加载，分别测量加载端和固定端发生正弦屈曲和螺旋屈曲的载荷与位移。设计的以上实验装置均可实现井筒内管柱轴向压力载荷加载，测量管柱的屈曲行为，但没有实现井筒内管柱受扭矩作用的屈曲实验模拟。

张广清设计斜直井段旋转钻柱稳定性试验研究装置，上端配有调速电机实现钻柱旋转运动，用扭矩传感器测量施加的扭矩；下端配有手动螺旋机构、位移传感器和压力传感器，实现轴向压力施加，并测量受压钻柱的轴向压力和位移。该实验装置能够研究旋转钻柱稳定性，但轴向压力为手动加载，施加不方便。由于管柱屈曲受到井筒摩擦力的影响，上下两端的载荷存在差异，该装置上端不能实现轴向压力测量，下端不能实现扭矩测量。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置，这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置用于解决现有的实验装置不能实现轴向压力和扭矩的同时施加与测量，以及不能实现管柱两端轴向压力和扭矩各自独立测量的问题，本发明的另一个目的是提供这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置的实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置包括轴向压力加载装置、扭矩加载装置、夹持装置、外管、静态管柱试件、固定接头、受载装置，轴向压力加载装置固定于第一底座上，轴向压力加载装置连接扭矩加载装置，扭矩加载装置滑动连接于第二底座上，静态管柱试件设置于外管内，外管由至少一个夹持装置夹持，静态管柱试件两端分别通过固定接头连接在扭矩加载装置和受载装置之间；轴向压力加载装置设置有第一压力传感器和拉线传感器，扭矩加载装置包括动态扭矩传感器和角位移传感器，第一压力传感器连接扭矩加载装置的减速器，拉线传感器拉线连接在减速器的底座上；受载装置包括第三底座、静态扭矩传感器、第二压力传感器、前挡板、后挡板，第三底座上设置导轨，前挡板通过小轴承安装在小轴承座上，小轴承座通过导轨滑块与导轨滑动连接，后挡板通过导轨滑块与导轨滑动连接，前挡板通过连接杆与相应的固定接头连接，静态扭矩传感器一端与前挡板键连接，静态扭矩传感器另一端固定在后挡板上，后挡板另一侧连接第二压力传感器，第二压力传感器与第三底座固定连接，前挡板与后挡板之间设置有大轴承。

一种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置包括轴向压力加载装置、扭矩加载装置、夹持装置、外管、旋转管柱试件、固定接头、受载装置，轴向压力加载装置固定于第一底座上，轴向压力加载装置连接扭矩加载装置，扭矩加载装置滑动连接于第二底座上，旋转管柱试件设置于外管内，外管由至少一个夹持装置夹持，旋转管柱试件两端分别通过固定接头连接在扭矩加载装置和受载装置之间；轴向压力加载装置设置有第一压力传感器和拉线传感器，扭矩加载装置包括动态扭矩传感器和角位移传感器，第一压力传感器连接扭矩加载装置的减速器，拉线传感器拉线连接在减速器的底座上；受载装置包括第四底座、动态扭矩触感器、第三压力传感器、小轴承，第四底座上设置导轨，动态扭矩触感器安装在触感器底座上，触感器底座通过导轨滑块与导轨滑动连接，动态扭矩触感器输入端通过联轴器与其相应的固定接头键连接，小轴承设置在动态扭矩触感器输出端和触感器底座的立板之间，第三压力传感器通过变扣连接在触感器底座立板的另一侧，第三压力传感器与第四底座连接。

上述方案中轴向压力加载装置包括推杆电机、第一压力传感器、拉线传感器，推杆电机一端固定在第一底座的立柱上，推杆电机机身通过框架式固定夹固定，推杆电机输出端通过连接件连接第一压力传感器，第一压力传感器的另一端通过变扣连接所述的减速器；拉线传感器固定在第一底座上，第一底座后端具有沿宽度方向的条形透槽。

上述方案中扭矩加载装置包括伺服电机、减速器、动态扭矩传感器、角位移传感器，伺服电机连接减速器，减速器安装在减速器底座上，减速器底座通过导轨滑块与第二底座上设置的导轨滑动连接，动态扭矩传感器安装在动态扭矩传感器底座上，动态扭矩传感器底座也通过导轨滑块与第二底座滑动连接，减速器连接联轴器；角位移传感器通过支架固定在动态扭矩传感器底座上，角位移传感器与支架活动连接，角位移传感器测量端搭接在联轴器的外壁上；联轴器与其相应设置的固定接头连接，第二底座前端具有连接板，第二底座与第一底座通过条形透槽和连接板由螺栓固定连接。

上述方案中夹持装置包括夹持底座、夹持体、手柄，手柄由手轮和螺杆螺纹连接构成，夹持体具有下部固定部和上部开合部，上部开合部与下部固定部在一侧通过销轴活动连接，上部开合部扣合在下部固定部上时构成圆形空腔，上部开合部与下部固定部在另一侧均具有一对连接块，下部固定部的一对连接块具有销孔，手柄下部的螺杆也有销孔，手柄从两对连接块中间通过，固定轴依次穿过各个销孔，手柄上部压在上部开合部的一对连接块上将两对连接块固定在一起。

上述方案中固定接头包括由自紧夹头和转换器连接构成，转换器上还设置有调节螺钉，通过在转换器上安装、卸下调节螺钉可分别实现所述管柱试件的固定连接与铰支连接。

上述方案中后挡板一侧具有多个水平柱，各水平柱的端部均固定一个连接环上，后挡板另一侧设置变扣。

上述方案中各个压力传感器、拉线传感器、动态扭矩传感器、角位移传感器、静态扭矩传感器均连接数据采集系统，数据采集系统与电脑连接。

上述方案中夹持体内设置有两块垫块，垫块为半筒体，两块垫块分别位于上部开合部和下部固定部，以实现不同直径外管的固定。

上述井筒内管柱压扭屈曲模拟的实验方法，其包括步骤：

A、依次布置夹持装置、外管、静态管柱试件、固定接头、扭矩加载装置、受载装置、轴向压力加载装置；夹持装置由外管形状确定安放个数及位置并分布固定在水平地面上；外管固定在所述夹持装置上；静态管柱试件置于所述外管内；固定接头固定连接在所述管柱试件两端；扭矩加载装置固定布置在所述静态管柱试件一端，所述扭矩加载装置输出端联轴器与所述固定接头转换器固定连接；受载装置固定布置在所述静态管柱试件另一端，所述受载装置连接块与所述另一组固定接头转换器固定连接；轴向压力加载装置固定布置在所述扭矩加载装置另一端，所述轴向压力加载装置压力传感器通过变扣与所述扭矩加载装置减速器固定连接；

B、松开输入端固定接头的自紧夹头与静态管柱试件的固定连接，驱动推杆电机推动轴向压力加载装置和扭矩加载装置前进，由轴向压力加载装置压力传感器测量预推进力；

C、紧固连接自紧夹头与静态管柱试件，驱动推杆电机对静态管柱试件施加轴向压力直至管柱试件先后发生正弦屈曲、螺旋屈曲，观察并拍摄管柱试件形状变化，停止加载；由轴向压力加载装置压力传感器和受载装置压力传感器实时测量静态管柱试件两端轴向压力；

D、放置同型号静态管柱试件于外管内，启动伺服电机对管柱试件施加扭矩直至静态管柱试件先后发生正弦屈曲、螺旋屈曲，观察并拍摄管柱试件形状变化，停止加载；由动态扭矩传感器和静态扭矩传感器实时测量静态管柱试件两端所承受的扭矩；

E、放置同型号静态管柱试件于外管内，驱动推杆电机对静态管柱试件施加轴向压力，同时，启动伺服电机对静态管柱试件施加扭矩，在轴向压力和扭矩的作用下静态管柱试件先后发生正弦屈曲、螺旋屈曲，观察并拍摄静态管柱试件形状变化，停止加载；由压力传感器实时测量静态管柱试件两端轴向压力，由动态扭矩传感器和静态扭矩传感器实时测量静态管柱试件两端所承受的扭矩；

F、采用其他型号静态管柱试件，重复实验步骤B-E。

本发明具有以下有益效果：

1、实际生产中井筒内管柱普遍同时受到轴向压力和扭矩作用，现有实验研究对此缺乏相应的研究，本发明填补了相关实验研究空白。

2、本发明工作时，当轴力加载装置施加轴力时，由管柱试件传递的轴力经过静态扭矩传感器前挡板、大轴承、静态扭矩传感器后挡板从而作用到压力传感器，实现轴力的测量；当扭矩加载装置施加扭矩时，由管柱试件传递的扭矩经过静态扭矩传感器前挡板传递到静态扭矩传感器，小轴承协助静态扭矩传感器前挡板实现自身的旋转，大轴承实现静态扭矩传感器前、后挡板之间只传递轴力，不传递扭矩，从而实现扭矩的测量。将压扭组合的复杂载荷分解成轴向压力和扭矩，分别利用压力传感器和扭矩传感器，单独或同时测量轴向压力和扭矩，且互不干扰，实现井筒内管柱在轴向压力和扭矩作用下屈曲行为的模拟和测量。

3、本发明中夹持装置配套的垫块，可固定不同直径井筒；自紧夹头可固定不同直径管柱试件。互换性好，可实现不同井筒直径和不同管柱试件的屈曲模拟实验。

4、本发明通过布置夹持装置，可实现直段、等曲率弯段、变曲率弯段等管柱试件的屈曲模拟实验。

5、本发明还可用于旋转管柱的受轴向压力的屈曲模拟实验。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的整体立体示意图；

图2是本发明夹持装置立体示意图；

图3是图2的局部示意图；

图4是本发明固定接头立体示意图；

图5是本发明扭矩加载装置立体示意图；

图6是本发明例轴向压力加载装置立体示意图；

图7是本发明受载装置立体示意图；

图8是图7的局部示意图；

图9是本发明固定接头的垫圈示意图；

图10是本发明等曲率外管布置示意图；

图11是本发明变曲率外管布置示意图；

图12是本发明中固定接头固定连接方式示意图；

图13是本发明中固定接头铰支连接方式示意图；

图14是本发明第二种实施方式中受载装置示意图。

图中：1轴向压力加载装置；2扭矩加载装置；3夹持装置；4外管；5联轴器；6受载装置；7固定接头；9导轨；10变扣；11推杆电机；12第一压力传感器；13拉线传感器；14第一底座；15框架式固定夹；16连接件；17条形透槽；21伺服电机；22减速器；23动态扭矩传感器；24角位移传感器；25减速器底座；26动态扭矩传感器底座；27第二底座；31夹持底座；32下部固定部；33上部开合部；34手柄；35固定轴；36垫块；61第三底座；62静态扭矩传感器；63第二压力传感器；64前挡板；65小轴承座；66大轴承；67后挡板；68水平柱；69连接环；71自紧夹头；72转换器；73调节螺钉；74销轴；75连接杆；81第四底座；82动态扭矩触感器；83触感器底座；84小轴承；85第三压力传感器；86立板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1：

如图1所示，这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置包括轴向压力加载装置1、扭矩加载装置2、夹持装置3、外管4、静态管柱试件、固定接头7、受载装置6，轴向压力加载装置1固定于第一底座14上，轴向压力加载装置1连接扭矩加载装置2，扭矩加载装置2滑动连接于第二底座27上，静态管柱试件设置于外管4内，外管4由至少一个夹持装置3夹持，静态管柱试件两端分别通过固定接头7连接在扭矩加载装置2和受载装置6之间；轴向压力加载装置1设置有第一压力传感器12和拉线传感器13，扭矩加载装置2包括动态扭矩传感器23和角位移传感器24，第一压力传感器12连接扭矩加载装置2的减速器22，拉线传感器13拉线连接在减速器底座25上。

结合图7、图8所示，受载装置6包括第三底座61、静态扭矩传感器62、第二压力传感器63、前挡板64、后挡板67，第三底座61固定在水平地面上，第三底座61上设置导轨9，前挡板64通过小轴承安装在小轴承座65上，小轴承座65通过导轨滑块与导轨9滑动连接，后挡板67通过导轨滑块与导轨9滑动连接，前挡板64通过连接杆与相应的固定接头7连接，静态扭矩传感器62一端与前挡板64键连接，静态扭矩传感器62另一端固定在后挡板67上，后挡板67另一侧连接第二压力传感器63，第二压力传感器63与第三底座61固定连接，前挡板64与后挡板67之间设置有大轴承66，大轴承66分别与后挡板67和前挡板64固定连接，实现两者旋转的互不干扰。小轴承座65、后挡板67均可在导轨9上滑动。后挡板67一侧具有多个水平柱68，各水平柱68的端部均固定一个连接环69上，后挡板67另一侧设置变扣10。当轴向压力加载装置1施加轴向压力时，轴向压力通过管柱试件、固定接头7、连接杆、前挡板64、大轴承66、后挡板67，从而作用在压力传感器，实现受载端轴向压力的测量；当扭矩施加装置2施加扭矩时，扭矩通过管柱试件、固定接头7、连接杆、前挡板64，从而作用在静态扭矩传感器62上，实现受载端扭矩的测量。

如图6所示，轴向压力加载装置1包括推杆电机11、第一压力传感器12、拉线传感器13，推杆电机11一端固定在第一底座14的立柱上，第一底座14固定在水平地面上。推杆电机11机身通过框架式固定夹15固定，推杆电机11机身由框架式固定夹15、螺钉、螺母实现固定与松开；推杆电机11输出端通过连接件16连接第一压力传感器12，第一压力传感器12的另一端通过变扣10连接所述的减速器22；拉线传感器13固定在第一底座14上，第一底座14后端具有沿宽度方向的条形透槽17。当轴向压力加载装置1施加轴向压力，轴向压力通过推杆电机11作用在第一压力传感器12，实现轴向压力的测量；拉线传感器拉线连接在所述减速器底座25上，拉线随着减速器22在导轨9上的滑动不断增长，实现轴向压力作用距离的测量。

如图5所示，扭矩加载装置2包括伺服电机21、减速器22、动态扭矩传感器23、角位移传感器24，伺服电机21连接减速器22，减速器22安装在减速器底座25上，减速器底座25通过导轨滑块与第二底座27上设置的导轨9滑动连接，第二底座27固定在水平地面上，动态扭矩传感器23安装在动态扭矩传感器底座26上，动态扭矩传感器底座26也通过导轨滑块与第二底座27滑动连接，动态扭矩传感器23可在导轨9上滑动，减速器22连接联轴器5，动态扭矩传感器23与联轴器5键连接；角位移传感器24通过支架固定在动态扭矩传感器底座26上，角位移传感器24与支架活动连接，角位移传感器24通过支架可旋转，角位移传感器24测量端搭接在联轴器5的外壁上；联轴器5与其相应设置的固定接头7连接，第二底座27前端具有连接板，第二底座27与第一底座14通过条形透槽17和连接板由螺栓固定连接。当扭矩加载装置2施加扭矩时，扭矩通过伺服电机21、减速器22、联轴器5，从而作用在动态扭矩传感器23，实现输入端扭矩的测量；角位移传感器24搭接在动态扭矩传感器23输出端联轴器5，实现管柱试件旋转角度的测量。

结合图2、图3所示，夹持装置3包括夹持底座31、夹持体、手柄34，手柄34由手轮和螺杆螺纹连接构成，手轮的中心有螺孔，螺杆与手轮通过螺孔螺纹连接。夹持体具有下部固定部32和上部开合部33，夹持底座31固定在水平地面上，夹持底座31两端焊接有耳板，夹持底座31之间、夹持底座31与所述扭矩加载装置2或所述受载装置6之间均可通过连接杆、螺钉和螺母连接。上部开合部33与下部固定部32在一侧通过销轴活动连接，上部可绕着销轴旋转，上部开合部33扣合在下部固定部32上时构成圆形空腔，上部开合部33与下部固定部32在另一侧均具有一对连接块，下部固定部32的一对连接块具有销孔，手柄34下部螺杆也有销孔，手柄34从两对连接块中间通过，固定轴35依次穿过各个销孔，手柄34上部压在上部开合部33的一对连接块上将两对连接块固定在一起，实现上部开合部33与下部固定部32的连接与分离。旋紧手柄34，手柄螺杆受螺纹连接作用向上提升，带动下部固定部32的连接块向上提升实现对所述外管的紧固；松开手柄34，向上旋转一定距离，手柄34与其螺杆绕销轴旋转至各连接块的侧面，从而打开夹持体，拿出外管。随着外管长度的增加，所述夹持装置3亦可增加若干套。

外管4包括直管段，等曲率弯管段，变曲率弯管段和接头。所述外管4均由有机玻璃制成，管段之间通过接头连接。所述管柱试件为金属管，由于外管4采用有机玻璃制造，所述管柱试件采用硬度较低的铝管和铜管。所述管柱试件根据材料、直径、长度的不同分为不同型号。所述管柱试件置于所述外管4内，所述管柱试件两端采用固定接头7固定连接。

如图4所示，固定接头7包括由自紧夹头71和转换器72连接构成，转换器72上还设置有调节螺钉73，通过在转换器72上安装、卸下调节螺钉73可分别实现所述管柱试件的固定连接与铰支连接。本发明中固定接头7有两组，一个为装置输入端固定接头7，一个为装置输出端固定接头7，分别位于所述管柱试件两端，所述自紧夹头71可固定不同直径管柱试件，实现对所述管柱试件的夹持，自紧夹头71尾部通过变扣10与所述转换器72固定连接，转换器72另一端连接连接杆75。

上述井筒内管柱压扭屈曲模拟的实验方法，其包括步骤：

A、依次布置夹持装置3、外管4、静态管柱试件、固定接头7、扭矩加载装置2、受载装置6、轴力加载装置；夹持装置3由外管4形状确定安放个数及位置并分布固定在水平地面上；外管4固定在所述夹持装置3上；静态管柱试件置于所述外管4内；固定接头7固定连接在所述管柱试件两端；扭矩加载装置2固定布置在所述静态管柱试件一端，所述扭矩加载装置2输出端联轴器5与所述固定接头转换器72固定连接；受载装置6固定布置在所述静态管柱试件另一端，所述受载装置6连接块与所述另一组固定接头转换器72固定连接；轴力加载装置固定布置在所述扭矩加载装置2另一端，所述轴力加载装置压力传感器通过变扣10与所述扭矩加载装置2减速器22固定连接；

B、松开输入端固定接头7的自紧夹头与静态管柱试件的固定连接，驱动推杆电机11推动轴力加载装置和扭矩加载装置2前进，由轴力加载装置压力传感器测量预推进力；

C、紧固连接自紧夹头71与静态管柱试件，驱动推杆电机11对静态管柱试件施加轴向压力直至管柱试件先后发生正弦屈曲、螺旋屈曲，观察并拍摄管柱试件形状变化，停止加载；由轴力加载装置压力传感器和受载装置6压力传感器实时测量静态管柱试件两端轴向压力；

D、放置同型号静态管柱试件于外管4内，启动伺服电机21对管柱试件施加扭矩直至静态管柱试件先后发生正弦屈曲、螺旋屈曲，观察并拍摄管柱试件形状变化，停止加载；由动态扭矩传感器23和静态扭矩传感器62实时测量静态管柱试件两端所承受的扭矩；

E、放置同型号静态管柱试件于外管4内，驱动推杆电机11对静态管柱试件施加轴向压力，同时，启动伺服电机21对静态管柱试件施加扭矩，在轴向压力和扭矩的作用下静态管柱试件先后发生正弦屈曲、螺旋屈曲，观察并拍摄静态管柱试件形状变化，停止加载；由压力传感器实时测量静态管柱试件两端轴向压力，由动态扭矩传感器26和静态扭矩传感器62实时测量静态管柱试件两端所承受的扭矩；

F、采用其他型号静态管柱试件，重复实验步骤B-E。

实施例2：（不同直径井筒）：

本实施例可实现压扭作用下不同直径井筒内管柱屈曲行为模拟实验。

本实施例是在实施例1的实验装置的基础上进行改造，即改变外管的直径，在夹持装置内加入垫块实现不同直径外管的固定，如图9所示。

本实施方式的实验装置可用于研究井筒与管柱的环空间隙对管柱屈曲行为的影响，其步骤流程与实施例1的实验流程相同。

本具体实施方式的其他结构和发明效果与实施例1的相同，在此不再赘述。

实施例3：（不同井段）：

本实施例可实现压扭作用下不同井段内管柱屈曲行为模拟实验。

本实施方式是在实施例1的实验装置的基础上进行改造，不同井段模拟可由外管的直段、等曲率弯段以及变曲率弯段任意组合得到，改变夹持装置的布置位置，可实现不同外管组合的固定，如图10和图11所示。

本实施方式的实验装置可用于研究不同井段对管柱屈曲行为的影响，其步骤流程与实施例1的实验流程相同。

本具体实施方式的其他结构和发明效果与实施例1的相同，在此不再赘述。

实施例4：（轴向压力作用管柱施加不同的约束方式）：

本实施方式可实现单独轴向压力作用下井筒内不同约束管柱的屈曲行为模拟实验。

本实施方式是在实施例1的实验装置的基础上进行改造，实施例1管柱试件由固定接头7实现固定约束连接，卸下转换器72上的调节螺钉73，自紧夹头71通过转换器72上的销轴可在水平面内转动，实现管柱试件的铰支约束连接，如图12和图13所示。

本实施方式的实验装置可用于研究管柱约束方式对井筒内管柱屈曲行为的影响，其步骤流程与实施例1的实验流程相同。

本具体实施方式的其他结构和发明效果与实施例1的相同，在此不再赘述。

实施例5：（旋转管柱受轴向压力的屈曲）：

本实施方式可实现压扭作用下井筒内旋转管柱的屈曲行为模拟实验。本实施方式中管柱试件两端扭矩都采用动态扭矩传感器23测量，可模拟压扭作用下井筒内旋转管柱的屈曲行为。其结构如下：

这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置包括轴向压力加载装置1、扭矩加载装置2、夹持装置3、外管4、旋转管柱试件、固定接头7、受载装置，轴向压力加载装置1固定于第一底座14上，轴向压力加载装置1连接扭矩加载装置2，扭矩加载装置2滑动连接于第二底座27上，动态管柱试件设置于外管4内，外管4由至少一个夹持装置3夹持，旋转管柱试件两端分别通过固定接头7连接在扭矩加载装置2和受载装置之间；轴向压力加载装置1设置有第一压力传感器12和拉线传感器13，扭矩加载装置2包括动态扭矩传感器23和角位移传感器24，第一压力传感器12连接扭矩加载装置2的减速器22，拉线传感器拉线连接在减速器22上。

如图14所示，受载装置包括第四底座81、动态扭矩触感器82、第三压力传感器85、小轴承84，第四底座81固定在水平地面上，第四底座81上设置导轨9，动态扭矩触感器82安装在触感器底座83上，触感器底座83通过导轨滑块与导轨9滑动连接，动态扭矩触感器底座83可在导轨9上滑动；动态扭矩触感器82输入端通过联轴器5与其相应的固定接头7键连接，小轴承84设置在动态扭矩触感器82输出端和触感器底座83的立板86之间，实现两者旋转的互不干扰；第三压力传感器85通过变扣10连接在触感器底座83立板86的另一侧，第三压力传感器85与第四底座81连接。

本实施例中的轴向压力加载装置1、扭矩加载装置2、夹持装置3、外管4、固定接头7均与实施例1相同。