一种测试特殊螺纹接头密封性的试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于石油管材的特殊螺纹接头技术领域，具体涉及一种测试特殊螺纹 接头密封性的试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002] 油、套管通过螺纹连接形成长达数千米的管柱，螺纹接头同油套管柱一起在油气 井中承受复杂井况的考验，螺纹接头质量的好坏直接影响了钻采作业的成败和油气井的寿 命。调查显示，国内油套管失效事故有高达86%发生在螺纹连接处。
[0003] 进入新世纪，随着油气井开采技术的不断发展和井下工况的越来越复杂，传统的 API螺纹接头由于自身结构的缺陷而无法满足油田客户的使用要求。而特殊螺纹接头通过 设计独特的机械结构，可以很好的弥补API螺纹接头的设计缺陷。通过现场应用证明，采用 特殊螺纹接头是油田客户解决石油套管过早失效的有效措施之一。为此，各生产厂家对特 殊螺纹接头展开了大量的探宄和特殊螺纹接头专利产品的开发。特殊螺纹接头密封性能作 为接头的主要考查指标，已引起越来越多科研人员的关注，国内外研发人员花费了大量的 人力、物力来研发不同特殊螺纹密封配合。
[0004] 目前对特殊螺纹性能研宄方法主要有实物试验法和有限元分析法。但是实物试验 法实验周期长，同时试验成本高、代价大，对特殊螺纹的研发带来了巨大的困难；而有限元 分析法的基本思想是在理想情况下将连续的求解区域离散化，通过分开求解出这些未知量 来得到整个求解域的近似解，缺少了实物实验法的逼真性，同时没有考虑接头材料本身的 很多偶然因素。
[0005] 本研宄开发了一种综合实物试验法和有限元分析法的测试特殊螺纹密封性的试 验方法及装置，既沿用了有限元分析法离散化的基本思想，同时又具有实物试验法逼真性 的试验装置及试验方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服了现有技术的缺点，提供了一种用于石油管材用特殊螺纹 接头密封性的试验装置及试验方法，能够对特殊螺纹接头金属过盈密封带处在不同的接触 压力下试验材料的应力应变情况进行模拟测试，更加准确逼真的反映了特殊螺纹接头金属 过盈密封带处材料的应力应变情况，为特殊螺纹接头密封结构的开发提供指导，有效减少 实物试验频次。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种测试特殊螺纹接头密封性的 试验装置，包括压力装置主控制箱、固定压力臂、活动压力臂、支撑架、导力杆、支撑杆、管体 密封单元试样、接箍密封单元试样、数据收集系统和试验台面；所述压力装置主控制箱通过 电缆和高压气管与固定压力臂相连，固定压力臂与支撑架固定连接，固定压力臂内设有气 缸和电气传感器，高压气管通过电气传感器与气缸连通，固定压力臂与支撑架固定连接，活 动压力臂位于固定压力臂下方，活动压力臂通过气缸中的活塞杆与气缸连接，活动压力臂 与支撑架活动连接，活动压力臂上固设有向下的导力杆，支撑杆位于活动压力臂的下方，支 撑杆与支撑架固定连接，支撑杆中心设有与导力杆相配合的通孔，导力杆穿过支撑杆的通 孔，管体密封单元试样安装在导力杆的下端，接箍密封单元试样通过高强度螺栓与试验台 面内试样工位配合、数据收集系统通过信号线与试验台面连接。
[0008] 上述数据收集系统包括采集压力及接触位置的数据采集仪和数据显示器；所述数 据采集仪和数据显示器通过数据线相连，试验台面上设有信号线引出口，数据采集仪和试 验台面通过信号线相连。
[0009] 上述固定压力臂两端分别通过高强度紧固螺栓与支撑架两立柱固定连接。
[0010] 上述支撑杆两端分别通过高强度紧固螺栓与支撑架两立柱固定连接。
[0011] 上述支撑架两立柱上竖向设有活动槽，活动压力臂通过活动槽沿支撑架两立柱上 下移动。
[0012] 上述管体密封单元试样通过高强度螺栓安装在导力杆的下端。
[0013] 上述接箍密封单元试样通过高强度磁铁吸引与实验台面内试样工位配合。
[0014] 上述压力装置主控制箱最高工作压力为70KN。
[0015] 上述导力杆穿过支撑杆通孔处设有活动元件，活动元件用于减少导力杆垂直活动 受到的阻力。
[0016] 一种利用上述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0017] 首先，将研发的特殊螺纹接头密封结构以相同材料严格按照1 :1制作成管体密封 单元试样和接箍密封单元试样；
[0018] 其次，将管体密封单元试样安装在导力杆的下端，将接箍密封单元试样与试验台 面内试样工位配合，通过调节压力装置主控制箱来施加压力，来研宄特殊螺纹接头密封结 构在不同的过盈配合情况下的材料应力应变情况；
[0019] 最后，将通过数据收集系统得到的数据进行分析，计算得出螺纹接头密封稳定指 数1，其表达式为：
[0020]
【主权项】
1. 一种测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，包括压力装置主控制箱、固 定压力臂、活动压力臂、支撑架、导力杆、支撑杆、管体密封单元试样、接箍密封单元试样、数 据收集系统和试验台面； 所述压力装置主控制箱通过电缆和高压气管与固定压力臂相连，固定压力臂内设有气 缸和电气传感器，高压气管通过电气传感器与气缸连通，固定压力臂与支撑架固定连接，活 动压力臂位于固定压力臂下方，活动压力臂通过气缸中的活塞杆与气缸连接，活动压力臂 与支撑架活动连接，活动压力臂上固设有向下的导力杆，支撑杆位于活动压力臂的下方，支 撑杆与支撑架固定连接，支撑杆中心设有与导力杆相配合的通孔，导力杆穿过支撑杆的通 孔，管体密封单元试样安装在导力杆的下端，接箍密封单元试样通过高强度螺栓与试验台 面内试样工位配合、数据收集系统通过信号线与试验台面连接。
2. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，所述数据 收集系统包括采集压力及接触位置的数据采集仪和数据显示器；所述数据采集仪和数据显 示器通过数据线相连，试验台面上设有信号线引出口，数据采集仪和试验台面通过信号线 相连。
3. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，所述固定 压力臂两端分别通过高强度紧固螺栓与支撑架两立柱固定连接。
4. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，所述支撑 杆两端分别通过高强度紧固螺栓与支撑架两立柱固定连接。
5. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，所述支撑 架两立柱上竖向设有活动槽，活动压力臂通过活动槽沿支撑架两立柱上下移动。
6. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，所述管体 密封单元试样试样通过高强度螺栓安装在导力杆的下端。
7. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，所述接箍 密封单元试样通过高强度磁铁吸引与试验台面内试样工位配合。
8. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，所述压力 装置主控制箱最高工作压力为70KN。
9. 如权利要求书1所述测试特殊螺纹接头密封性的试验装置，其特征在于，导力杆穿 过支撑杆的通孔处设有活动元件，活动元件用于减少导力杆垂直活动受到的阻力。
10. -种利用权利要求1~9任一权利要求所述的测试特殊螺纹接头密封性的试验装 置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 首先，将研发的特殊螺纹接头密封结构以相同材料严格按照1:1比例制作成管体密封 单元试样和接箍密封单元试样； 其次，将管体密封单元试样安装在导力杆的下端，将接箍密封单元试样与试验台面内 试样工位配合，通过调节压力装置主控制箱来施加压力，来研宄特殊螺纹接头密封结构在 不同的过盈配合情况下的材料应力应变情况； 最后，将通过数据收集系统得到的数据进行分析，计算得出螺纹接头密封稳定指数Wa， 其表达式为：
式中：Wa-螺纹接头密封稳定指数； P。-螺纹接头过盈密封段1范围内的接触压力分布；n_关系指数； 1-螺纹接头过盈密封段长度； 接头密封判据为Wa。，服役环境不同，密封判据Wa。数值不同，将螺纹接头密封稳定指数 13与Wa。进行比较得出试验结论，若接头密封稳定指数WWa。，同时没有出现材料损伤，则 该密封结构为可靠密封配合，若接头密封稳定指数wa<wa。，或者出现材料损伤，则该密封 结构为非可靠密封配合。
【专利摘要】本发明公开了一种测试特殊螺纹接头密封性的试验装置及试验方法，该装置包括压力装置主控制箱、固定压力臂、活动压力臂、支撑架、导力杆、支撑杆、管体密封单元试样、接箍密封单元试样、数据收集系统和试验台面；本发明通过更换不同的管体密封单元试样和接箍密封单元试样，调节压力装置主控制箱施加压力，可对金属过盈密封带在不同的接触压力下的应力应变进行模拟，研究石油套管、油管的管体与接箍之间螺纹接头的密封性能，有效减少实物试验频次，本试验装置及试验方法的管体密封单元试样及接箍密封单元试样直接采用了研发材料进行试验，具有有限元分析法无法实现的逼真性，试验结论有很好的重现性，对特殊螺纹接头密封配合的研发具有很好的指导意义。
【IPC分类】G01M3-00, G01N3-08
【公开号】CN104697713
【申请号】CN201510082166
【发明人】毕宗岳, 鲁碧为, 白鹤, 张峰, 李周波, 王军, 何石磊, 韦奉, 李远征, 周新义, 杨晓龙, 王亮, 赵勇, 苑清英
【申请人】宝鸡石油钢管有限责任公司
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月15日