油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置製造方法
2023-10-06 01:47:04
油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置。現有裝置對試驗系統本身的耐疲勞性能有很高的要求，經常出現試樣還未疲勞失效，試驗設備已有螺栓等配件疲勞斷裂。油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置，包括加載部和支撐部，加載部包括試樣及位於試樣兩端的兩個試樣堵頭，支撐部包括位於試樣堵頭下方的兩個橡膠支座；每個試樣堵頭的外側端部分別設置彎曲加載重物。該裝置不僅能模擬評價鑽杆在旋轉彎曲作用下的疲勞強度，還可以模擬油套管在循環彎曲載荷作用下的強度與密封可靠性，同時也可以對管子或轉軸施加軸向載荷，模擬複雜受力狀態下的結構件彎曲疲勞壽命，且電磁驅動試樣旋轉彎曲，降低了試驗對試驗機械結構的性能需求。
【專利說明】油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於鑽井【技術領域】，涉及一種油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置。
【背景技術】
[0002]目前在石油天然氣開發過程中，為了保證鑽杆在井下鑽進過程中不發生異常疲勞斷裂，要求在地面進行旋轉彎曲疲勞壽命試驗評價。對套管、油管來說，在井下由於溫度、高壓流體運動衝擊等種種因素條件下，經常會出現振顫現象。振顫作用下，油套管發生循環彎曲響應。長期的彎曲導致油套管在井下發生彎曲疲勞斷裂，或接頭部位出現洩漏等失效事故。目前還沒有合適的試驗裝置能對油套管進行此類工況的實物模擬試驗裝置，只具備評價靜載荷與溫度作用下油套管的強度與密封性能的能力。國內現有用於彎曲疲勞實物試驗裝置不能模擬管子或轉軸在拉伸、壓縮或內壓等複合載荷作用下的疲勞壽命，且為機械方式驅動彎曲或旋轉，對試驗系統本身的耐疲勞性能有很高的要求，經常出現試樣還未疲勞失效，試驗設備已有螺栓等配件疲勞斷裂。國外採用諧振驅動的彎曲疲勞試驗機如圖1所示，其彎曲加載重物2全部放在橡膠支座6外側，偏置彎曲加載重物11由電機帶動，繞試樣軸線旋轉。這種裝置在試驗過程其彎矩一直為一個方向，如圖7所示，只是大小變化，且在橡膠支座6處彎矩同樣產生循環變化，加上磨損，更容易產生疲勞。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種能夠避免實驗裝置本身發生疲勞而損害，也不會磨損試樣外表面的實物複合載荷下彎曲疲勞性能試驗裝置。
[0004]為解決上述技術問題，本發明的技術方案是:油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置，包括加載部和支撐部，加載部包括試樣及位於試樣兩端的兩個試樣堵頭，支撐部包括位於試樣堵頭下方的兩個橡膠支座；每個試樣堵頭的外側端部分別設置彎曲加載重物，每個橡膠支座分別位於臨近試樣的位置，在每個橡膠支座與試樣之間的試樣堵頭上分別設置有旋轉電磁彎曲加載重物，每個試樣堵頭上的旋轉電磁彎曲加載重物與彎曲加載重物關於橡膠支座對稱；旋轉電磁彎曲加載重物由同圓心的位於內環的永磁體層和位於外環的電磁鐵層組成；永磁體層通過固定裝置固定在試樣堵頭上，電磁鐵層通過支座支撐，電磁鐵層與電源連接；所述永磁體層與電磁鐵層分別由數個沿圓周方向排列的永磁體和電磁鐵間隔組成，永磁體的數量與電磁鐵的數量相同，永磁體和電磁鐵一一對應的沿相同圓周位置均勻間隔排列，每個永磁體與每個電磁鐵之間的距離相等且磁極相對。
[0005]所述旋轉電磁彎曲加載重物的質量等於永磁體層質量與固定裝置的質量之和。
[0006]與現有技術相比較，本發明具有以下有益效果:該裝置不僅能模擬評價鑽杆在旋轉彎曲作用下的疲勞強度，還可以模擬油套管在循環彎曲載荷作用下的強度與密封可靠性，同時也可以對管子或轉軸施加軸向載荷，模擬複雜受力狀態下的結構件彎曲疲勞壽命，且電磁驅動試樣旋轉彎曲，降低了試驗對試驗機械結構的性能需求。【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為現有的彎曲疲勞性能試驗裝置結構示意圖；
圖2為圖1裝置產生的彎矩效應示意圖；
圖3為本發明的彎曲疲勞試驗裝置結構示意圖；
圖4為本發明的複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置結構示意圖；
圖5為圖4的俯視圖；
圖6為電磁旋轉彎曲裝置的結構示意圖；
圖7為電磁旋轉彎曲裝置中永磁體和電磁鐵的電磁場示意圖；
圖8為本發明裝置產生的彎矩效應示意圖。
[0008]其中:1.旋轉電磁彎曲加載重物；2.彎曲加載重物；3.萬向節；4.電磁鐵；5.永磁體；6.橡膠支座；7.試樣；8.試樣堵頭；9.複合載荷框架；10.電源；11.永磁體層；12.電磁鐵層。
【具體實施方式】
[0009]下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細的說明。
[0010]國外採用諧振驅動的彎曲疲勞試驗裝置如圖1所示，圖1為其中關鍵部位的彎曲疲勞試驗裝置結構示意圖，其彎曲加載重物2全部放在橡膠支座6外側，偏置彎曲加載重物11由電機帶動，繞試樣軸線旋轉。這種裝置在試驗過程其彎矩一直為一個方向，參見圖7，只是大小變化，且在橡膠支座6處彎矩同樣產生循環變化，加上磨損，更容易產生疲勞。
[0011]參見圖3、圖4及圖5，油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置，包括加載部和支撐部，加載部包括試樣7及位於試樣7兩端的兩個試樣堵頭8，支撐部包括位於試樣堵頭8下方的兩個橡膠支座6 ;每個試樣堵頭8的外側端部分別設置彎曲加載重物2，每個橡膠支座6分別位於臨近試樣7的位置，在每個橡膠支座6與試樣7之間的試樣堵頭8上分別設置有旋轉電磁彎曲加載重物1，每個試樣堵頭8上的旋轉電磁彎曲加載重物I與彎曲加載重物2關於橡膠支座6對稱；兩個試樣堵頭(8)的端部分別通過萬向節(3)連接複合載荷框架9，應用萬向節3可保證試驗的旋轉彎曲載荷不向複合載荷框架9傳遞，但可以傳遞拉伸或壓縮載荷。
[0012]參見圖3及圖6，旋轉電磁彎曲加載重物I由同圓心的位於內環的永磁體層11和位於外環的電磁鐵層12組成；永磁體層通過固定裝置固定在試樣堵頭8上，電磁鐵層通過支座支撐，永磁體層和電磁鐵層分別與電源連接；永磁體層11與電磁鐵層12分別由數個沿圓周方向排列的永磁體5和電磁鐵4間隔組成，永磁體5的數量與電磁鐵4的數量相同，永磁體5和電磁鐵4 對應的沿相同圓周位置均勻間隔排列，每個永磁體5與每個電磁鐵4之間的距離相等且磁極相對；永磁體層11與電磁鐵層12之間有足夠的彎曲位移間隙，此間隙為在試樣7彎曲位移基礎上增加2?4_ ;旋轉電磁彎曲加載重物I的質量等於永磁體層11質量與固定裝置的質量之和。
[0013]試驗過程中，由電源10的控制器控制每一塊電磁鐵4的開始及結束通電時間，使通電的電磁鐵4繞順時針或逆時針旋轉。如圖5所示，其中一個電磁鐵A先通電X秒，斷電，
同時另一個電磁鐵B再通電X秒，斷電，依次為C、D.......A，繼續旋轉下去，x=l////7，其中
/為試樣旋轉頻率，η為電磁鐵塊數。由於磁極相對，所以每個通電的電磁鐵都會給與其對應的永磁體5 —個橫向作用力，使得試樣7產生彎曲。隨著通電繞軸旋轉，橫向力也繞軸旋轉，使試樣7產生旋轉效應，這麼做可以保證沒有機械設備的旋轉，避免試驗裝置本身發生疲勞，也不會磨損試樣外表面。
[0014]本發明可保證試樣7內部的旋轉彎曲效應與實際工況相符，試樣7內初始彎矩為
O,開始旋轉彎曲試驗後，橡膠支座6處的彎矩基本不變，但試樣7內的彎矩一直在最大與最小彎矩之間變化，如圖8所示。
[0015]由於圖3旋轉彎曲疲勞試驗裝置結構的第一階彎曲固有頻率f 一般不超過30HZ，所以可通過控制試樣的旋轉速度與結構的固有頻率接近，讓結構因為共振而產生較大的振動，用較低的能量輸入滿足試驗要求。
[0016]實施例:本發明具體的操作步驟為:
1)根據試樣7尺寸確定彎曲加載重物2的質量；
2)如無內壓及軸向載荷，按圖2所示結構分析第一階彎曲固有頻率；
3)按第二步計算頻率的3/5調整控制電源的電源變化頻率，驅動試樣旋轉；
4)監測彎曲位移變化，直至穩定；
5)如彎曲位移穩定後不能達到要求的數值,則逐步增加電機轉速,監測位移的變化；
6)當彎曲位移達到要求值時，穩定旋轉速度，開始旋轉彎曲疲勞試驗；
7)當試樣發生疲勞斷裂或循環次數達到要求數值時，即可關閉控制電源10，停止試驗。
【權利要求】
1.油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置，包括加載部和支撐部，加載部包括試樣(7)及位於試樣(7 )兩端的兩個試樣堵頭(8 )，支撐部包括位於試樣堵頭(8 )下方的兩個橡膠支座(6);每個試樣堵頭(8)的外側端部分別設置彎曲加載重物(2)，每個橡膠支座(6)分別位於臨近試樣(7)的位置，其特徵在於:在每個橡膠支座(6)與試樣(7)之間的試樣堵頭(8)上分別設置有旋轉電磁彎曲加載重物(I )，每個試樣堵頭(8)上的旋轉電磁彎曲加載重物(I)與彎曲加載重物(2)關於橡膠支座(6)對稱；旋轉電磁彎曲加載重物(I)由同圓心的位於內環的永磁體層(11)和位於外環的電磁鐵層(12)組成；永磁體層通過固定裝置固定在試樣堵頭(8)上，電磁鐵層通過支座支撐，電磁鐵層與電源連接；所述永磁體層(11)與電磁鐵層(12)分別由數個沿圓周方向排列的永磁體(5)和電磁鐵(4)間隔組成，永磁體(5)的數量與電磁鐵(4)的數量相同，永磁體(5)和電磁鐵(4) 一一對應的沿相同圓周位置均勻間隔排列，每個永磁體(5)與每個電磁鐵(4)之間的距離相等且磁極相對。
2.根據權利要求1所述的油套管複合載荷下彎曲疲勞試驗裝置，其特徵在於:所述旋轉電磁彎曲加載重物(I)的質量等於永磁體層(11)質量與固定裝置的質量之和。
【文檔編號】G01N3/20GK103926154SQ201410170166
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】楊析, 申昭熙, 史交齊 申請人:西安利爾石油工程技術有限公司