一种井内钻具材料腐蚀模拟试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种试验装置，特别涉及一种井内钻具材料腐蚀模拟试验装置。

背景技术：

在钻井过程中，井下工况环境较为复杂，钻井材料长期在高温、高流速钻井介质的环境中承受高应力，这些复杂苛刻的工况条件经常导致钻杆发生应力腐蚀突然断裂。应力腐蚀是破坏性和危害性最大的一种腐蚀，是指受应力的材料在特定环境介质中产生的低应力脆性断裂现象，其特点是门限应力低，裂纹扩展速度快，事故易突发。因此对于材料的应力腐蚀敏感性成为了研究重点，对钻井材料在井内的复杂工况进行模拟，研究不同工况条件对材料腐蚀的影响，可以对材料在特定工况下的实用性进行评价，并指导选材。

应力腐蚀试验根据应力加载方式的不同，可分为恒载荷、恒变形、满应变速率等加载方式。恒载荷加载方式是利用应力加载机构对试样施加一定的载荷，用于模拟工况中材料所受工作应力，其特点是可以更加直观的获取应力腐蚀开裂零界应力、断裂时间、裂纹扩展速率等。

目前主要利用应力环测试系统进行恒载荷应力腐蚀试验，应力环的恒载荷加载原理是：通过加载螺帽使得应力环环体发生压缩变形，由于应力环整体是一个弹性体，环体发生压缩变形后会对固定在其中间的试件有一个拉伸应力，从而加载一个恒定的载荷。虽然应力环原理合理，但是对应力环本身材料要求极高，所以应力环测试系统价格昂贵，且体积较小，难以实现多场耦合对实际情况进行模拟研究。而且由于应力环采用螺母加载的方式，会出现同心度与同轴度的偏差以及将扭矩传递给试件。

弹簧作为常用的构件具有在形变下长时间保证自身屈服强度的特点，且读数精确。利用弹簧取代应力环可以极大的降低成本。根据胡克定律F＝K·Δ X,弹簧的伸长量或压缩量ΔX正比于应力F,因此弹簧长度的变化直接影响试样受力即载荷的变化。但是,当金属材料发生应力腐蚀开裂时,其断口一般为脆性断口,没有明显的塑性变形,断裂伸长率一般很低。为了研究井内复杂工况对材料腐蚀行为的影响，而不是测试金属材料的应力腐蚀开裂零界应力、断裂时间、裂纹扩展速率等，所以选用的加载弹簧劲度系数较小，其应力变化也相应较小,可以近似认为试样所受载荷为恒载荷。

目前，缺少一种实验器材，能够为试件提供可控的加载力和腐蚀介质，用来研究井内复杂工况对材料腐蚀行为的影响。

技术实现要素：

本实用新型为了解决目前缺少能够为试件提供可控的加载力和腐蚀介质，用来研究井内复杂工况对材料腐蚀行为的影响的实验器材的问题，而提供一种井内钻具材料腐蚀模拟试验装置。

本实用新型包括固定架、实验容器、上夹具、下夹具、加载弹簧、千分表、升降器、腐蚀介质容器和水泵，所述的实验容器设在固定架上，所述的实验容器上下两端设有夹具通孔，所述的上夹具和下夹具分别设在实验容器的上下两端，其中，所述的上夹具穿过实验容器的上夹具通孔并固定在固定架的上顶板，所述的下夹具穿过实验容器的下夹具通孔并与位于固定架下部的加载弹簧相连；所述的千分表设在加载弹簧下端，所述的加载弹簧下端与升降器相连，所述的升降器设在固定架的升降杆上；所述的实验容器两端设有泵入口和泵出口，所述的腐蚀介质容器分别通过管道与实验容器的泵入口和泵出口相连，所述的水泵设在腐蚀介质容器与实验容器的泵入口之间的管道上。

所述的加载弹簧与下夹具之间设有拉力传感器。

所述的实验容器内设有温度计和流速计。

所述的实验容器上部设有排气阀。

所述的实验容器的上下夹具通孔与上夹具和下夹具之间设有密封圈。

所述的实验容器为立方体型透明玻璃容器。

所述的实验容器下设有托盘架，所述的托盘架固定在固定架上，所述的实验容器位于托盘架的托盘上。

所述的上夹具和下夹具的夹持部分为U型槽结构，U型槽的内侧设有绝缘衬垫，U型槽两侧设有固定销钉。

所述的升降器上设有升降摇杆，升降器上还设有锁紧螺母。

所述的腐蚀介质容器内设有加热器。

本实用新型的工作原理：

将试件上下两端分别置于实验容器的上夹具和下夹具之间，并通过夹具上的固定销钉固定，在腐蚀介质容器内加入腐蚀介质，并通过加热器对腐蚀介质进行加热到试验温度。

实验开始，首先记录加载弹簧上千分表的读数，然后通过升降器的升降摇杆控制升降器沿着升降杆向下移动，拉伸加载弹簧，当千分表到预设读数位置后停止移动升降器，并通过旋紧锁紧螺母来固定升降器的位置。启动水泵，将腐蚀介质容器内的腐蚀介质泵入实验容器中，腐蚀介质再通过泵出口和管道流回腐蚀介质容器内，实现循环。通过实验容器上的温度计和流速计监控腐蚀介质的温度和流速。

在实验过程中记录各个数据，记录实验时间，最后取出试件，对试件各种性能进行检测，得出试件的应力、腐蚀模拟实验结果，确定试件的性能。

本实用新型的有益效果：

本实用新型结构简单、操作方便、安装容易，减少了人力、物力的投入，并且实验节约时间；能够为试件提供可控的加载力和腐蚀介质，避免实验中腐蚀介质对加载弹簧的腐蚀，减小实验数据的误差，实现多场耦合对实际钻井内情况进行模拟研究；加载弹簧的拉力、夹具和试件都处于同一竖直中心线内，减小施力偏差造成的结果误差。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型实验容器结构示意图。

1、固定架 2、实验容器 3、上夹具 4、下夹具 5、加载弹簧

6、千分表 7、升降器 8、腐蚀介质容器 9、水泵 10、升降杆

11、泵入口 12、泵出口 13、管道 14、温度计 15、流速计

16、排气阀 17、托盘架 18、升降摇杆 19、锁紧螺母 20、加热器

21、拉力传感器。

具体实施方式

请参阅图1至图2所示：

本实用新型包括固定架1、实验容器2、上夹具3、下夹具4、加载弹簧5、千分表6、升降器7、腐蚀介质容器8和水泵9，所述的实验容器2设在固定架1上，所述的实验容器2上下两端设有夹具通孔，所述的上夹具3和下夹具4分别设在实验容器2的上下两端，其中，所述的上夹具3穿过实验容器2 的上夹具通孔并固定在固定架1的上顶板，所述的下夹具4穿过实验容器2 的下夹具通孔并与位于固定架1下部的加载弹簧5相连；所述的千分表6设在加载弹簧5下端，所述的加载弹簧5下端与升降器7相连，所述的升降器7 设在固定架1的升降杆10上；所述的实验容器2两端分别设有泵入口11和泵出口12，所述的腐蚀介质容器8分别通过管道13与实验容器2的泵入口 11和泵出口12相连，所述的水泵9设在腐蚀介质容器8与实验容器2的泵入口11之间的管道13上；

所述的加载弹簧5与下夹具4之间设有拉力传感器21，用于检测拉力大小，配合千分表6的使用，保证实验数据的准确性；

所述的实验容器2内设有温度计14和流速计15；

所述的实验容器2上部设有排气阀16，及时排出腐蚀过程中产生的氢气；

所述的实验容器2的上下夹具通孔与上夹具3和下夹具4之间设有密封圈，防止腐蚀介质泄漏；

所述的实验容器2为立方体型透明玻璃容器，方便对实验过程的观察和监测；

所述的实验容器2下设有托盘架17，所述的托盘架17固定在固定架1上，所述的实验容器2位于托盘架17的托盘上，通过调节托盘的高度来调节实验容器2的高度；

所述的上夹具3和下夹具4的夹持部分为U型槽结构，U型槽的内侧设有绝缘衬垫，绝缘衬垫采用耐腐性，强韧性，绝缘性的聚四氟乙烯材料，防止不同金属的电偶腐蚀；U型槽两侧设有固定销钉，用于固定试件；

所述的升降器7上设有升降摇杆18，升降器7上还设有锁紧螺母19；

所述的腐蚀介质容器8内设有加热器20；

本实用新型的工作原理：

将试件上下两端分别置于实验容器2的上夹具3和下夹具4之间，并通过夹具上的固定销钉固定，在腐蚀介质容器8内加入腐蚀介质，并通过加热器20对腐蚀介质进行加热到试验温度。

实验开始，首先记录加载弹簧5上千分表6的读数，然后通过升降器7 的升降摇杆18控制升降器7沿着升降杆10向下移动，拉伸加载弹簧5，恒载荷加载过程中，利用千分表6精确测量加载弹簧5的长度x1，加载弹簧5原长x0，根据胡克定律F＝k·(x1-x0)计算出加载的载荷F，当千分表6到预设读数位置后停止移动升降器7，并通过旋紧锁紧螺母19来固定升降器7的位置。启动水泵9，将腐蚀介质容器8内的腐蚀介质泵入实验容器2中，腐蚀介质再通过泵出口12和管道13流回腐蚀介质容器8内，实现循环。通过实验容器2上的温度计14和流速计15监控腐蚀介质的温度和流速，从而调节加热器20的加热温度和水泵9的压力。在实验过程中记录各个数据，记录实验时间，最后取出试件，对试件各种性能进行检测，得出试件的应力、腐蚀模拟实验结果，确定试件的性能。