CN110108585A - 一种气井环空密封胶芯摩擦磨损试验机 - Google Patents

一种气井环空密封胶芯摩擦磨损试验机 Download PDF

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Abstract

一种气井环空密封胶芯摩擦磨损试验机。包括传动与夹持***、加载***以及信号采集***。所述传动与夹持***包括直线电机、联轴器与传动轴等；所述加载***包括密封胶芯、加热杆以及液压泵站等；所述信号采集***包括温度传感器、应变片以及信号放大器等。利用本摩擦磨损试验机，可以在试验台上模拟气井防喷器工况，通过模拟***压力、摩擦生热和被封管柱相对滑动速度，模拟油气井环空密封胶芯摩擦磨损机理，从而进一步探究如何减少密封胶芯的磨损及其对密封效果的影响。

Description

一种气井环空密封胶芯摩擦磨损试验机
技术领域
本发明涉及密封橡胶摩擦磨损及摩擦力学领域，具体而言，涉及一种对气井环空密封胶芯摩擦磨损进行试验的装置。
背景技术
环形防喷器是井控装置的重要组成部分。主要用于修井、钻井、试油等油田作业井口压力的控制。根据气井开发的需求以及井控设备的安全性，通过改善密封副干摩擦，提高设备配置安全系数。由于气井的环境特殊及较高的安全要求，对密封泄露要“零容忍”，为防止硫化氢二氧化硫气体腐蚀防喷器，环形防喷器的作用变得至关重要。由于环形防喷器对于封闭井口有着极其重要的作用，因此对它的设计必须达到规定的技术要求。环形防喷器内的密封胶芯是钻修井作业工作安全施工的重要保障，胶芯密封一旦发生失效，可能导致井喷等严重的安全事故。密封胶芯筒体的失效原因和失效形式非常复杂，密封胶芯表面易发生凹陷、撕裂，直接增加井控的成本，但是现有技术中对模拟气井带压密封条件下密封胶芯的干摩擦工况以及进行数据采集和分析，还尚无有效的测试设备。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种用于气井带压环空密封胶芯的摩擦磨损试验机，利用该装置可以模拟油水井特别是气井带压作业时密封胶芯的受力工况，观测磨损量，同时有助于获得解决摩擦磨损问题的方法。
本发明的技术方案是：一种气井环空密封胶芯摩擦磨损试验机，包括传动与夹持组件、加载组件和信号采集***，其特征在于：
所述传动与夹持组件包括直线电机1、联轴器2、传动轴3、滑轨架4、滑动块5、三爪卡盘6以及钻杆7；
所述传动轴与直线电机通过联轴器相连接，所述滑动块和传动轴之间采用螺纹连接；所述三爪卡盘和滑动块通过螺纹连接，所述滑动块放置在滑轨架上，通过滑轨进行定位并滑动；所述钻杆被三爪卡盘卡紧。
所述加载组件包括第二端盖8、第二垫圈9、橡胶支撑座10、隔热环11、第一垫圈12、第一端盖13、环形加热器14、加热杆15、加热杆支撑架16、螺栓18、圆螺钉19、保温体20以及液压站28；
其中，所述第二端盖与橡胶支撑座前段通过圆螺钉19连接，待测试的密封胶芯17和所述橡胶支撑座之间通过第一端盖13和第二端盖8固定连接，所述第一端盖后端通过圆螺钉19连接；所述环形加热器置于橡胶支撑座的槽内，用隔热环11固定；所述加热杆放置在加热杆支撑架16上，所述环形加热器与加热杆通过导线连接至温控开关24，所述温控开关有测温功能，当待测试的密封胶芯17内温度达到预定值后，由所述温控开关自动关闭环形加热器；所述液压站的液压输出端接入待测试的密封胶芯17内，为密封胶芯加压；
所述信号采集***包括应变片21、信号放大器22、数模转换器23、温控开关24、温度传感器 25、动态应变仪26以及计算机；
其中，所述应变片贴片于钻杆外侧，所述应变片的信号输出端经导线连接至所述动态应变仪的信号输入端，所述动态应变仪的信号输出端连接至数模转换器的第一信号输入端，所述数模转换器的第一信号输出端与所述计算机的第一信号输入端相连接；所述温度传感器通过螺钉固定在第二端盖外侧，所述温度传感器的信号输出端与信号放大器的信号输入端通过导线相连，所述信号放大器的信号输出端连接至所述数模转化器的第二信号输入端，所述数模转换器的第二信号输出端与所述计算机的第二信号输入端相连接，所述计算机用于在内置程序的控制下采集应变片数据和温度数据；
所述待测试的密封胶芯17为中空结构，所述钻杆放置在待测试的密封胶芯17内部，以使得启动电机后，钻杆在待测试的密封胶芯内进行摩擦往复运动。
本发明具有如下有益效果：该试验机使用滑动轨道辅助钻杆往复运动，降低额外摩擦力，可最大程度利用电机效率；传动与夹持***中的三爪卡盘可适应不同管径的钻杆，更换杆柱便捷。加载***中内部中空的密封胶芯结构可有效避免液体泄露及安装压力传感器困难的问题。本发明整套装置结构空间布置简单，操作简便，安装与移运方便，适用于测试密封胶芯表面摩擦磨损，从而观察在不同载荷下的表面磨损现象。
附图说明：
图1所示为本发明的整体装配示意图。
图2是本发明中所涉及的传动与夹持***示意图。
图3是本发明中所涉及的加载***结构示意图。
图4是本发明中所涉及的加载***装配图。
图5是本发明中所涉及的密封胶芯的结构示意图。
图6是本发明中所涉及的橡胶支撑座的结构示意图。
图7是本发明中所涉及的测试***图。
图中1-直线电机；2-联轴器；3-传动轴；4-滑轨架；5-滑动块；6-三爪卡盘；7-钻杆；8-第二端盖；9-第二垫圈；10-橡胶支撑座；11-隔热环；12-第一垫圈；13-第一端盖；14-环形加热器；15-加热杆；16-加热杆支撑架；17-密封胶芯；18-螺栓；19-圆螺钉；20-保温体；21-应变片；22-信号放大器；23-数模转换器；24-温控开关；25-温度传感器；26-动态应变仪；27-工作台；28-液压站。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1至图6所示，该种摩擦磨损试验机，包括钻杆7和密封胶芯17等常规结构，所述钻杆放置在密封胶芯内，启动电机后进行摩擦往复运动，其独特之处在于：
所述摩擦磨损试验机包括一个传动与夹持***，所述传动与夹持***直线电机1、联轴器2、传动轴3、滑轨架4、滑动块5、三爪卡盘6以及钻杆7组装后构成。具体实现时，所述直线电机1采用通用安川电机 SGLFW-35A230AP。所述传动轴与直线电机通过联轴器2相连接，所述滑动块和传动轴之间采用螺纹连接；所述三爪卡盘和滑动块通过螺纹连接，所述滑动块放置在滑动架，通过滑轨进行定位并滑动；所述钻杆被三爪卡盘被夹紧装置卡紧。所述滑轨架对滑块及钻杆其定位作用并减小其往复运动作用力；所述三爪卡盘可适应不同管径的钻杆。
所述摩擦磨损试验机包括加载***，所述加载***由第二端盖8、第二垫圈9、橡胶支撑座10、隔热环11、第一垫圈12、第一端盖13、环形加热器14、加热杆15、加热杆支撑架16、密封胶芯17、螺栓18、圆螺钉19、保温体20、液压站28组装后构成。橡胶支撑座10的结构图如图6所示；密封胶芯17的结构图如图5所示。其中，所述第二端盖与橡胶支撑座前段通过圆螺钉19连接，所述密封胶芯和橡胶支撑座之间通过第一端盖13、第二端盖8固定连接，所述第一端盖后端通过圆螺钉19连接；所述环形加热器放入橡胶支撑座槽内用隔热环11固定，所述加热杆放置在加热杆支撑架16上，所述环形加热器与加热杆通过导线并联并连接至温控开关24。所述温控开关带有测温装置，当密封胶芯内温度达到预定值后，可自动关闭调节***温度。所述液压站连接至密封胶芯内，为密封胶芯加压。所述液压站28可以采用蒂森液压DPH系列。
所述传动与夹持***与加载***通过钻杆与密封胶芯相连，其中，钻杆放置在密封胶芯内部。启动电机后，钻杆在密封胶芯内进行摩擦往复运动。
所述摩擦磨损试验机包信号采集***，所述信号采集***由应变片21、信号放大器22、数模转换器23、温控开关24、pt100 25、动态应变仪26及计算机组成。具体实施时，所述信号放大器22采用通用扬州泰司信号放大器，所述数模转换器23采用通用北京波普WS-DY12，所述温控开关24采用通用PY-SM5型号，温度传感器采用PT100。
所述应变片贴片于钻杆外侧，连接电路后与动态应变仪相连接，所述动态应变仪连接至数模转换器后与计算机终端相连；所述pt100通过螺钉固定在第二端盖外侧，与信号放大器通过传输线相连，所述信号放大器连接至数模转化器后连接至计算机终端利用软件采集数据。测试***图如图7所示。
下面给出本摩擦磨损试验机的工作过程：
当直线电机启动带动传动轴做往复运动，通过所调直线电机运动速度，记录钻杆的运动速度。滑动块由传动轴带动在滑轨架导轨上运动，钻杆通过安装在滑动块的三爪卡盘带动做往复运动，来模拟气井中管柱运动的过程。通过所调直线电机运动速度，记录钻杆的运动速度。
同时密封胶芯通过液压泵站加压与杆柱实现接触摩擦，模拟气井内挤压密封胶芯的压力，通过液压阀对密封胶芯内压力的调节可实现表面压力不同情况下的摩擦磨损试验，其中橡胶与管柱之间的压力可通过液压站上液压表盘显示。
通过环形加热器与加热杆对密封胶芯温度进行改变，当温度达到设定温度后控温开关自动关闭所述加热器与加热杆。在密封胶芯内安装pt100温度传感器，通过信号放大器、数模转换器后利用计算机软件uTekss集数据，
其中应变片安装至钻杆处。利用全桥接法后连接至动态应变仪，动态应变仪与数模转换器连接，转换信号后传输至计算机，通过计算机软件uTekss进行数据采集。

Claims (1)

1.一种气井环空密封胶芯摩擦磨损试验机，包括传动与夹持组件、加载组件和信号采集***，其特征在于：
所述传动与夹持组件包括直线电机(1)、联轴器(2)、传动轴(3)、滑轨架(4)、滑动块(5)、三爪卡盘(6)以及钻杆(7)；
所述传动轴与直线电机通过联轴器相连接，所述滑动块和传动轴之间采用螺纹连接；所述三爪卡盘和滑动块通过螺纹连接，所述滑动块放置在滑轨架上，通过滑轨进行定位并滑动；所述钻杆被三爪卡盘卡紧；
所述加载组件包括第二端盖(8)、第二垫圈(9)、橡胶支撑座(10)、隔热环(11)、第一垫圈(12)、第一端盖(13)、环形加热器(14)、加热杆(15)、加热杆支撑架(16)、 螺栓(18)、圆螺钉(19)、保温体(20)以及液压站(28)；
其中，所述第二端盖与橡胶支撑座前段通过圆螺钉(19)连接，待测试的密封胶芯(17)和所述橡胶支撑座之间通过第一端盖(13)和第二端盖(8)固定连接，所述第一端盖后端通过圆螺钉(19)连接；所述环形加热器置于橡胶支撑座的槽内，用隔热环(11)固定；所述加热杆放置在加热杆支撑架(16)上，所述环形加热器与加热杆通过导线连接至温控开关(24)，所述温控开关有测温功能，当待测试的密封胶芯(17)内温度达到预定值后，由所述温控开关自动关闭环形加热器；所述液压站的液压输出端接入待测试的密封胶芯(17)内，为密封胶芯加压；
所述信号采集***包括应变片(21)、信号放大器(22)、数模转换器(23)、温控开关(24)、温度传感器( 25)、动态应变仪(26)以及计算机；
其中，所述应变片贴片于钻杆外侧，所述应变片的信号输出端经导线连接至所述动态应变仪的信号输入端，所述动态应变仪的信号输出端连接至数模转换器的第一信号输入端，所述数模转换器的第一信号输出端与所述计算机的第一信号输入端相连接；所述温度传感器通过螺钉固定在第二端盖外侧，所述温度传感器的信号输出端与信号放大器的信号输入端通过导线相连，所述信号放大器的信号输出端连接至所述数模转化器的第二信号输入端，所述数模转换器的第二信号输出端与所述计算机的第二信号输入端相连接，所述计算机用于在内置程序的控制下采集应变片数据和温度数据；
所述待测试的密封胶芯(17)为中空结构，所述钻杆放置在待测试的密封胶芯(17)内部，以使得启动电机后，钻杆在待测试的密封胶芯内进行摩擦往复运动。
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