CN104697713A - 一种测试特殊螺纹接头密封性的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

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***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。

Description

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

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

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。

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究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。

目前对特殊螺纹性能研究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。

本研究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

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。

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***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***通过信号线与试验台面连接。

上述数据收集***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。

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。

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。

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。

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。

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。

上述压力装置主控制箱最高工作压力为70KN。

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。

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：

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；

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，来研究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***得到的数据进行分析，计算得出螺纹接头密封稳定指数W_a，其表达式为：

$W_a={\∫}_0^L{P_c}^n\left(l\right)\mathrm{dl}$

式中：Wa-螺纹接头密封稳定指数；

P_c-螺纹接头过盈密封段l范围内的接触压力分布；

n-关系指数； 

l-螺纹接头过盈密封段长度；

接头密封判据为W_ac，服役环境不同，密封判据W_ac数值不同，将螺纹接头密封稳定指数W_a与W_ac进行比较得出试验结论，若接头密封稳定指数W_a≥W_ac，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W_a＜W_ac，或者出现材料损伤，则该密封结构为非可靠密封配合。

与现有试验方法及装置相比，本发明的优点在于：

1、本试验装置及试验方法采用离散化思想进行特殊螺纹密封配合的测试，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，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，试验周期短，同时实验成本低、本试验装置结构简单，利用高强度螺栓进行配合连接，易于更换密封原件，方便维护，有利于特殊螺纹接头多品种、多样式密封配合的研发。

2、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。

附图说明

图1是本发明试验装置结构示意图。

图中：1-固定压力臂，2-活动压力臂，3-导力杆，4-支撑杆，5-管体密封单元试样，6-接箍密封单元试样，7-试验台面，8-高强度螺 栓，9-活动槽，10-活动元件，11-压力装置主控制箱，12-数据采集仪，13-数据显示器，14-高压气管，15-电缆，16-信号线，17-数据线，18-支撑架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利进行进一步详细描述：

参见图1，一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11、固定压力臂1、活动压力臂2、支撑架18、导力杆3、支撑杆4、管体密封单元试样5、接箍密封单元试样6、数据收集***，试验台面7和活动元件10；

所述压力装置主控制箱11通过电缆15和高压气管14与固定压力臂1相连，固定压力臂1与支撑架18固定连接，固定压力臂1内设有气缸和电气传感器，高压气管14通过电气传感器与气缸连通，固定压力臂1与支撑架18固定连接，活动压力臂2位于固定压力臂1下方，活动压力臂2通过气缸中的活塞杆与气缸连接，活动压力臂2与支撑架18活动连接，活动压力臂2上固设有向下的导力杆3，支撑杆4位于活动压力臂2的下方，支撑杆4与支撑架18固定连接，支撑杆4中心设有与导力杆3相配合的通孔，导力杆3穿过支撑杆4的通孔，管体密封单元试样5安装在导力杆3的下端，接箍密封单元试样6通过高强度螺栓8与试验台面7内试样工位配合、数据收集***通过信号线16与试验台面7连接。

上述数据收集***包括采集压力及接触位置的数据采集仪12和数据显示器13；所述数据采集仪12和数据显示器13通过数据线17相连，试验台面7上设有信号线16引出口，数据采集仪12和试验台面7通过信号线16相连。

上述固定压力臂1两端分别通过高强度紧固螺栓8支撑架18两 立柱固定连接。

上述支撑杆4两端分别通过高强度紧固螺栓8与支撑架18两立柱固定连接。

上述支撑架18两立柱上竖向设有活动槽9，活动压力臂2通过活动槽9沿支撑架18两立柱上下移动。

上述管体密封单元试样5通过高强度螺栓8安装在导力杆3的下端。

上述接箍密封单元试样6通过高强度磁铁吸引与试验台面7内试样工位配合。

上述压力装置主控制箱11最高工作压力为70KN。

上述导力杆3穿过支撑杆4通孔处设有活动元件10，活动元件10用于减少导力杆3垂直活动受到的阻力。

一种利用上述的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：

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5和接箍密封单元试样6；

其次，将管体密封单元试样5安装在导力杆3的下端，将接箍密封单元试样6与试验台面7内试样工位配合，通过调节压力装置主控制箱11来施加压力，来研究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***得到的数据进行分析，计算得出螺纹接头密封稳定指数W_a，其表达式为：

$W_a={\∫}_0^L{P_c}^n\left(l\right)\mathrm{dl}$

式中：Wa-螺纹接头密封稳定指数；

P_c-螺纹接头过盈密封段l范围内的接触压力分布；

n-关系指数； 

l-螺纹接头过盈密封段长度；

接头密封判据为W_ac，服役环境不同，密封判据W_ac数值不同，将螺纹接头密封稳定指数W_a与W_ac进行比较得出试验结论，若接头密封稳定指数W_a≥W_ac，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W_a＜W_ac，或者出现材料损伤，则该密封结构为非可靠密封配合。

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5、接箍密封单元试样6后，管体密封单元试样5通过高强度螺栓8安装在导力杆3的下端，接箍密封单元试样6通过高强度磁铁或高强度螺栓8与试验台面7内试样工位配合，通过调节压力装置主控制箱11施加压力，信号经电缆15反馈给固定压力臂1内的电气传感器控制压缩空气压力大小，从而来施加不同压力，压力装置工作原理为固定压力臂1内固定有气缸，由工业用压缩空气经过增压后为动力，带动气缸内活塞上下运动，力通过活塞杆传递给与其连接的活动压力臂2实现上下活动，活动压力臂下面的导力杆3将力传递给管体密封单元试样5，试验台面7上设有应力应变传感器，应力应变传感器通过信号线与数据采集仪12相连，数据采集仪12通过数据线与数据显示器13相连，通过数据分析和实体材料的应变情况来对金属过盈密封带处管体密封单元试样5和接箍密封单元试样6在不同的接触压力下的应力应变进行模拟，来研究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，对特殊螺纹接头密封结构的研发提供指导意见及技术支持。

本发明通过更换不同的管体密封单元试样5和接箍密封单元试样6，调节压力装置主控制箱11施加压力，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，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，本发明试验周期短，同时实验成本低、试验装置结构简单。

利用高强度螺栓8进行配合连接，易于更换密封原件，方便维护，有利于特殊螺纹接头多品种、多样式密封配合的研发。

本试验装置及试验方法的管体密封单元试样5及接箍密封单元试样6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。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

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***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***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***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。

10.一种利用权利要求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，来研究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***得到的数据进行分析，计算得出螺纹接头密封稳定指数W_a，其表达式为：

式中：Wa-螺纹接头密封稳定指数；

P_c-螺纹接头过盈密封段l范围内的接触压力分布；

n-关系指数；

l-螺纹接头过盈密封段长度；

接头密封判据为W_ac，服役环境不同，密封判据W_ac数值不同，将螺纹接头密封稳定指数W_a与W_ac进行比较得出试验结论，若接头密封稳定指数W_a≥W_ac，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W_a＜W_ac，或者出现材料损伤，则该密封结构为非可靠密封配合。