管螺紋接頭內外螺紋表面接觸狀態分布的測試方法
2023-05-26 22:07:21
專利名稱：管螺紋接頭內外螺紋表面接觸狀態分布的測試方法
技術領域：
本發明涉及一種管螺紋接頭內外螺紋表面接觸狀態分布的測試方法，為檢測石油管螺紋副在旋合接觸域的配合質量提供有效實驗評價方法，為規範上卸扣的操作方法提供科學依據，屬於機械和摩擦學技術領域。
正確認識管螺紋連接在上卸扣過程中溫度場和應力場的分布是提高石油管螺紋連接性能的前提和基礎。由於石油管螺紋是一種薄壁管型錐螺紋，內外螺紋的實際形面與理論形面的誤差受多種因素(如加工、熱處理、材料等)的影響，在旋合過程中，內外螺紋實際接觸形面的接觸狀態很難用仿真計算等分析方法來準確評價；另一方面受載複雜，影響其連接性能的因素較多，用有限元等分析方法不能準確反映其應力場和溫度場的實際狀況。
與本發明相關的現有技術中，王琍等發表的API圓螺紋套管接頭應力場分布實驗(北京科技大學學報，2000，Vol.22(6).555-558.)一文中介紹了一套從美國H.O.MOHR工程設計研究公司引進的全尺寸實物評價試驗機，它包括上卸扣實驗機、內壓實驗機和拉伸實驗機三部分，採用的實驗方案為接箍外部軸向均勻貼應變片。這種應力場的測定只能反應內外螺紋副之間接觸壓力在接箍軸向的分布狀態，不能真實地反應其在接箍周向的應力分布狀態。此外這種測試方法也未能測出上卸扣過程中由於上卸扣速度和螺紋副之間的摩擦力引起的螺紋連接部位溫度場的變化。Eiji等人在模擬套管工作和下放工況下套管的許可扭矩(Eiji Tsuru，et al.Allowable Torque of Tubular Connection Under Simulated Running and WorkingConditions.SPE/IADC 29353，1995.)一文中介紹了一種測定複合載荷下套管螺紋連接許可扭矩的實驗裝置，此實驗裝置重點在於測試不同載荷下套管的許可扭矩，實驗中採用熱電偶來檢測套管上緊過程中溫度的變化，其測試方法及裝置並不能對套管螺紋連接部位的應力場和溫度場進行準確的測試。胡玉林等人在用光彈性法探討石油套管螺紋連接的強度和密封性能(石油大學學報，1994(6)68-71)一文中提出了採用光彈性方法來測試內外螺紋副的接觸狀態，但是這種方法通過等差線及等傾線確定主應力非常煩瑣，結果大多都是定性的，要想在油套管螺紋上卸扣過程中進行動態測試則難以實現。
為實現這樣的目的，本發明在設計的石油管螺紋上卸扣試驗裝置中，通過在接箍軸向(以固定間距L1)和周向(以固定夾角90°)均勻布置自補償應變片來獲得上卸扣過程中螺紋連接部位應力的變化信號，信號經過動態應變儀被磁帶記錄器記下，最後通過數據處理裝置分析出上卸扣過程中螺紋連接部分應力場的動態分布；通過在接箍軸向(以固定間距L2)和周向(以固定夾角120°)均勻布置溫度傳感器來測定上卸扣過程中螺紋連接部位產生的熱信號，信號首先經過溫度變送器被數據處理裝置分析，然後即可得出由於上卸扣過程中摩擦熱引起的螺紋連接部位溫度場的動態分布。同時在動態測試時採用標準的扭矩儀來控制上卸扣的扭矩，以防止過扭矩上扣；通過採用液壓馬達驅動花鍵軸來控制上扣速度。
本發明的方法包括如下具體步驟1、在現場端管體與工廠端管體相連的接箍上分別均勻布置自補償應變片和溫度傳感器，其中，自補償應變片在接箍軸向均勻分布，在接箍周向布置四排，每一排應變片的夾角β為90°，溫度傳感器的布置佔接箍長度的1/2並靠近現場端管體，在接箍周向共有3排，每一排的夾角α為120°。
2、採用全橋接線方式連接好自補償應變片，可以有效消除由於溫度變化所引起的熱應變。
3、將貼好自補償應變片和溫度傳感器的部分測試試樣(包括接箍和工廠端管體，工廠端管體和接箍在出廠之前已經按照規定的扭矩上扣完畢)安放在實驗平臺上，工廠端管體與標準扭矩儀相連，並被固定在浮動支撐上。
4、將現場端管體與夾具接頭連接，夾具接頭通過花健軸和安全離合器與液壓馬達相連，通過調整浮動支撐使現場端管體和接箍軸線對中。
5、將與應變片和溫度傳感器連好的導線分別連接到應變儀和溫度變送器上，最後都與數據處理裝置相連。
6、啟動和調節液壓馬達使現場端管體達到合理地上扣速度和上扣扭矩(具體數值根據API RP 5C1標準來執行)，數據處理裝置則動態地記錄上扣過程引起接箍內部發生的應力和溫度場的變化，最後處理相關記錄數據，繪製出管螺紋連接內外螺紋副的真實接觸狀態示意圖。
本發明方法簡單易行，而且可以準確測量油套管螺紋連接上卸扣過程中溫度場和應力場的動態變化，所的結果對分析油套管螺紋連接粘扣的機理，油管螺紋副在旋合接觸域的配合質量，優化和改進螺紋牙設計，規範油田現場上卸扣操作有著重要的理論意義和直接的經濟效益；
圖1中，1為工廠端管體，2為應力應變片，3為接箍，4為現場端管體，5為溫度傳感器。
圖2為本發明應變片接橋線路示意圖。
圖3為本發明管螺紋上卸扣實驗平臺示意圖。
圖3中，6為液壓馬達，7為固定支承，8為安全離合器，9為夾具接頭，10為花鍵軸，11為扭矩儀，12為浮動支承，13為導線，4為現場端管體，5為接箍，1為工廠端管體。
本發明的實施例為APIJ55φ139.7×7.72mm套管圓螺紋接頭，以檢測此型套管螺紋連接內外螺紋副在旋合接觸域的配合質量和粘扣失效機理，具體測試步驟如下
1.對所用自補償應變片和溫度傳感器進行標定，並記錄標定結果；2.如圖1所示，在與工廠端管體1和現場端管體4相連的接箍3上分別粘貼自補償應變片2和溫度傳感器5(溫度傳感器為定做的，靠磁鐵來固定)，其中自補償應變片在軸向均勻分布，其間距L1主要是根據所測試的接箍長度和一排應變片的數量來計算，在周向共有4排應變片，每一排應變片間的夾角β為90°；溫度傳感器在接箍軸向上的分布也是均勻的，但是其僅佔接箍長度的1/2，且靠近現場端管體，其間距L2主要是根據所測試的接箍長度的1/2和一排溫度傳感器的數量來計算，在周向共有3排溫度傳感器，每一排溫度傳感器的夾角α為120°。根據選定的貼片方案將接箍3上測點處打磨處理好，準確地劃線、貼片，接好導線並做好防護，測點及導線都要有編號。
3.如圖2採用全橋接線方式連接好自補償應變片。
4.如圖3所示，將貼好自補償應變片和溫度傳感器的部分測試試樣(包括接箍3和工廠端管體1，工廠端管體1和接箍3在出廠之前已經按照規定的扭矩上扣完畢)安放在實驗平臺上，工廠端管體1與標準扭矩儀11相連，並被固定在浮動支撐12上。
5.如圖3所示，將現場端管體4與夾具接頭9連接，夾具接頭9通過花健軸10和安全離合器8與液壓馬達6相連，通過調整浮動支撐12使現場端管體4和接箍3軸線對中。
6.如圖3所示，將與應變片和溫度傳感器連好的導線13分別連接到應變儀、磁帶記錄器和溫度變送器上，最後都與數據處理裝置相連。
7.啟動和調節液壓馬達使現場端管體達到一定的上扣速度和上扣扭矩，測試在不同上扣速度和扭矩下螺紋連接的受力狀態，詳細記錄每一次上卸扣過程所使用上扣速度和上扣扭矩的數值。
8.根據試樣的幾何參數，應變片和溫度傳感器的部位以及相應的測試數據，經過分析處理後繪出上卸扣過程中石油管螺紋連接應力場和溫度場的分布狀態。
測試結果對準確分析APIJ55φ139.7×7.72mm套管圓螺紋接頭內外螺紋副的接觸狀態，螺紋旋合區域的應力場、溫度場與上卸扣速度、扭矩和螺紋副自身幾何及物理參數的關係提供了科學依據，分析結果的準確性得到了同行專家的認可。
權利要求
1.一種管螺紋接頭內外螺紋表面接觸狀態分布的測試方法，其特徵在於包括如下具體步驟1)在現場端管體(4)與工廠端管體(1)相連的接箍(3)上分別均勻布置自補償應變片(2)和溫度傳感器(5)，其中，自補償應變片(2)在接箍(3)軸向均勻分布，在接箍(3)周向布置四排，每一排應變片的夾角β為90°，溫度傳感器(5)的布置佔接箍(3)長度的1/2並靠近現場端管體(4)，在接箍(3)周向共有3排，每一排的夾角α為120°；2)採用全橋接線方式連接好自補償應變片(2)；3)將貼好自補償應變片(2)和溫度傳感器(5)的接箍(3)和工廠端管體(1)安放在實驗平臺上，工廠端管體(1)與標準扭矩儀(11)相連，並被固定在浮動支撐(12)上；4)將現場端管體(4)與夾具接頭(9)連接，夾具接頭(9)通過花健軸(10)和安全離合器(8)與液壓馬達(6)相連，通過調整浮動支撐(12)使現場端管體(4)和接箍(3)軸線對中；5)將與應變片(2)和溫度傳感器(5)連好的導線(13)分別連接到應變儀和溫度變送器上，最後都與數據處理裝置相連；6)啟動和調節液壓馬達(6)使現場端管體(4)達到合理地上扣速度和上扣扭矩，數據處理裝置則動態地記錄上扣過程引起接箍(3)內部發生的應力和溫度場的變化，最後處理相關記錄數據，繪製出管螺紋連接內外螺紋副的真實接觸狀態示意圖。
全文摘要
一種管螺紋接頭內外螺紋表面接觸狀態分布的測試方法，通過在接箍軸向和周向均勻布置自補償應變片，獲得上卸扣過程中螺紋連接部位應力的變化信號，通過在接箍軸向和周向均勻布置溫度傳感器，測定上卸扣過程中螺紋連接部位產生的熱信號，信號分別經動態應變儀和溫度變送器送數據處理裝置，得到油套管螺紋連接上卸扣過程中溫度場和應力場的動態變化，在動態測試時採用扭矩儀控制上卸扣的扭矩，採用液壓馬達驅動花鍵軸控制上扣速度。本發明方法簡單易行，測量準確，對分析油套管螺紋連接粘扣的機理，油管螺紋副在旋合接觸域的配合質量，優化和改進螺紋牙設計，規範油田現場上卸扣操作有著重要意義。
文檔編號G01M99/00GK1448706SQ0311615
公開日2003年10月15日 申請日期2003年4月3日 優先權日2003年4月3日
發明者姚振強, 袁光傑 申請人:上海交通大學