一种低温环境下测量铝合金钻杆材料线收缩系数的装置的制作方法

本实用新型涉及材料线收缩系数测量装置领域，具体涉及一种低温环境下测量铝合金钻杆材料线收缩系数的装置。

背景技术：

在石油和天然气钻井及地质钻探行业中，由于钻井深度的增加和钻探工艺的复杂化，铝合金钻杆因其相对于传统钢钻杆具有的高比强度、高耐腐蚀性、低钻进能耗等优点，已被广泛应用于生产中。但其耐磨性较低，在实际使用中一般将铝合金钻杆管体与钢接头组装在一起形成钻杆柱。为实现铝合金钻杆与钢接头的可靠连接，俄罗斯研发出了热组装工艺技术，通过加热钢接头使其膨胀，然后快速旋入铝合金钻杆管体，待其冷却后产生一定预紧力实现过盈配合。中国专利CN 103643907 B公开了一种铝合金钻杆杆体和钢接头连接使用的热组装装置，在同一实验台架上，通过更换不同材质和尺寸的铝合金钻杆和钢接头，来实现热组装。但是由于铝合金耐高温性能较差，热组装工艺易使铝合金钻杆接头处力学性能产生明显下降。因此冷组装工艺被提出以解决上述问题，中国专利CN 103711444 B公开了一种铝合金钻杆杆体和钢接头连接使用的冷组装装置，冷组装工艺是将铝合金钻杆接头处降温使其收缩，然后快速旋入钢接头中，待其恢复室温后产生一定预紧力实现过盈配合，这种方法不会对铝合金钻杆力学性能产生不利影响。为实现铝合金钻 杆和钢接头的可靠连接，需了解铝合金钻杆材料在低温环境下的线收缩系数，以制定合理的降温方案，但目前对铝合金材料在低温环境下线收缩系数的测量鲜有涉及，因此有效的测试方法和测试装置很有必要。

目前，用于测量材料线收缩(膨胀)系数的试验装置主要涉及石英管膨胀仪和激光干涉式线膨胀系数测量装置等。石英管膨胀仪能准确地测量材料在高温下的线膨胀系数，但其价格昂贵，操作复杂，对试件要求较高，而且该种装置在低温环境下较难应用。而激光干涉式线膨胀系数测量装置目前尚处于实验室阶段，其高昂的造价和复杂的操作都限制了其推广应用。

技术实现要素：

本实用新型目的是提供一种低温环境下测量铝合金钻杆材料线收缩系数的装置，可以有效克服现有技术中存在的缺点。

本实用新型包括空气压缩机、输气管道、压力控制阀、液氮储存罐、输氮管道、泄压阀、制冷箱、测量试件、温度补偿试件、应变片和电阻式应变仪；空气压缩机通过输气管道、液氮储存罐的进气口与液氮储存罐连通，输气管道上设置压力控制阀，液氮储存罐上端具有液氮出口，内部通管从液氮出口插入在液氮储存罐中，液氮储存罐通过输氮管道穿过制冷箱的液氮进口与制冷箱连通，输氮管道上具有电动控制阀，输氮管道位于制冷箱内部端设置风机和液氮分散器，制冷箱内衬有保温层，制冷箱上部具有箱盖，制冷箱外部具有电阻式应变仪和温度控制器，温度控制器用于控制制冷箱内部的温度，制冷箱内部设置有导流板和温度传感器，导流板将制冷箱分成左腔和右腔，输氮管道与制冷箱的右腔连通，风机、液氮分散器和温度传感器位于右腔中，制冷箱的左腔内置有工作台，工作台上放置有测量试件和温度补偿试件，测 量试件和温度补偿试件上端面均粘贴有应变片，应变片通过导线与电阻式应变仪连接。

所述的液氮分散器上均匀分布有喷气口。

所述的导流板上部开设有栅格，下部封闭，以保证液氮从上部进入制冷箱内，避免测量试件与液氮直接接触。

所述应变片引出的导线在电阻式应变仪上按半桥电路连接方式进行连接以消除温度对应变片的影响。

所述的测量试件形状为横截面积不大于100mm²，长度不大于100mm的长方体。

所述的温度控制器可设置阶梯型降温程序。

所述的工作台的高度不超过导流板封闭部分高度的2/3。

所述的工作台材质为不锈钢。

所述的温度补偿试件与测量试件形状相同，温度补偿试件的材质为石英。

本实用新型的工作过程和原理：

空气压缩机将带压空气经输气管道、进气口送至液氮储存罐中，在压力的作用下，液氮沿内部通管、输氮管道和液氮进口进入制冷箱中，在制冷箱内，液氮从液氮分散器喷出，在风机的作用下对制冷箱内部降温，电动控制阀和温度控制器分别控制液氮流量和制冷箱内温度，温度控制器可设置阶梯型降温程序。制冷箱内，测量试件和温度补偿试件放置于工作台上，试件上均粘贴有应变片，应变片引出的导线在电阻式应变仪上按半桥电路连接方式进行连接以消除温度对应变片的影响，在一定的温差下由电阻式应变仪可测得测量试件的应变值，从而计算出该温差下铝合金钻杆材料的线收缩系数。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本实用新型利用超低温应变片和电阻式应变仪，与制冷箱相结合，取代了传统的石英管膨胀仪，降低了试验成本，且可以检测测量试件各个方向的线收缩系数。本实用新型还改进了液氮分散器和导流板的结构，使液氮在制冷箱内部均匀气化，避免其与测量试件直接接触，从而将其对试验结果的影响降至最低。

2、本实用新型还可以测量其他金属及合金材料在低温环境下的线收缩系数。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图

图2是本实用新型的液氮分散器结构示意图

图3是本实用新型的导流板结构示意图

其中：1-空气压缩机，2-输气管道，3-液氮储存罐，4-输氮管道，5-制冷箱，6-测量试件，7-温度补偿试件，8-应变片，9-电阻式应变仪，10-压力控制阀，11-进气口，12-液氮出口，13-内部通管，14-泄压阀，15-箱盖，16-保温层，17-液氮进口，18-电动控制阀，19-温度控制器，20-风机，21-液氮分散器，22-温度传感器，23-导流板，24-工作台，25-喷气口，26-栅格，27-导线。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括空气压缩机1、输气管道2、压力控制阀10、液氮储存罐3、输氮管道4、泄压阀14、制冷箱5、测量试件6、温度补偿试件7、应变片8和电阻式应变仪9；空气压缩机1通过输气管道2、液氮储存罐3的进气口11与液氮储存罐3连通，输气管道2上设置压力控制阀10，液氮储存罐3上端具有液氮出口12，内部通管13从液氮出口12插入在液氮储存罐3中，液氮储存罐3通过输氮管道4穿过制冷箱5的液氮进口17与制 冷箱5连通，输氮管道4上具有电动控制阀18，输氮管道4位于制冷箱5内部端设置风机20和液氮分散器21，制冷箱5内衬有保温层16，制冷箱5上部具有箱盖15，制冷箱5外部具有电阻式应变仪9和温度控制器19，温度控制器19用于控制制冷箱5内部的温度，制冷箱5内部设置有导流板23和温度传感器22，导流板23将制冷箱5分成左腔A和右腔B，输氮管道4与制冷箱5的右腔B连通，风机20、液氮分散器21和温度传感器22位于右腔B中，制冷箱5的左腔A内置有工作台24，工作台24上放置有测量试件6和温度补偿试件7，测量试件6和温度补偿试件7上端面均粘贴有应变片8，应变片8通过导线27与电阻式应变仪9连接。

如图2所示，所述的液氮分散器21上均匀分布有喷气口25。

如图3所示，所述的导流板23上部开设有栅格26，下部封闭，以保证液氮从上部进入制冷箱5内，避免测量试件6与液氮直接接触。

所述应变片8引出的导线27在电阻式应变仪9上按半桥电路连接方式进行连接以消除温度对应变片8的影响。

所述的测量试件6形状为横截面积不大于100mm²，长度不大于100mm的长方体。

所述的温度控制器19可设置阶梯型降温程序。

所述的工作台24的高度不超过导流板封闭部分高度的2/3。

所述的工作台24材质为不锈钢。

所述的温度补偿试件7与测量试件6形状相同，温度补偿试件7的材质为石英。

本实用新型的工作过程：

空气压缩机1将带压空气经输气管道2、进气口11送至液氮储存罐3中， 在压力的作用下，液氮沿内部通管13、输氮管道4和液氮进口17进入制冷箱5中，在制冷箱5内，液氮从液氮分散器21喷出，在风机20的作用下对制冷箱5内部降温，电动控制阀18和温度控制器19分别控制液氮流量和制冷箱5内温度，温度控制器19可设置阶梯型降温程序。制冷箱5内，测量试件6和温度补偿试件7放置于工作台24上，试件上均粘贴有应变片8，应变片8引出的导线27在电阻式应变仪9上按半桥电路连接方式进行连接以消除温度对应变片8的影响，在一定的温差下由电阻式应变仪9可测得测量试件6的应变值，从而计算出该温差下铝合金钻杆材料的线收缩系数。

具体实例：

如图1所示，将7075Al材质的测量试件6和石英材质的温度补偿试件7加工成横截面积88mm²、长度为70mm的长方体形状，并放置于工作台24上。测量试件6和温度补偿试件7上分别粘贴有应变片8，应变片8所引出的导线27按半桥电路连接方式连接于电阻式应变仪9上，连接完成后，盖上箱盖15，

在温度控制器19中设置降温程序，启动制冷箱5。此时，打开空气压缩机1，调整压力控制阀10使进气压力为0.4MPa。气体从进气口11进入液氮储存罐3中，在压力的作用下，液氮经内部通管13流经液氮出口12，并进入输氮管道4中。若试验过程中压力出现异常，可打开泄压阀14进行卸压。液氮从液氮进口17、液氮分散器21和导流板23均匀喷入制冷箱5中。在降温过程中，温度控制器19和温度传感器22、电动控制阀18配合控制液氮流量。

在一定温差ΔT内，电阻式应变仪9读数为测量试件的应变值ε，则在该降温区间内，7075Al的线收缩系数α可按下述公式计算：

其中α′为石英的线收缩系数，可以取5.5×10^-7。

由此即可测量出7075 Al在一定温差ΔT内的线收缩系数。