專利名稱：管螺紋接頭內(nèi)外螺紋表面接觸狀態(tài)分布的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管螺紋接頭內(nèi)外螺紋表面接觸狀態(tài)分布的測(cè)試方法，為檢測(cè)石油管螺紋副在旋合接觸域的配合質(zhì)量提供有效實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，為規(guī)范上卸扣的操作方法提供科學(xué)依據(jù)，屬于機(jī)械和摩擦學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
正確認(rèn)識(shí)管螺紋連接在上卸扣過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布是提高石油管螺紋連接性能的前提和基礎(chǔ)。由于石油管螺紋是一種薄壁管型錐螺紋，內(nèi)外螺紋的實(shí)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(nèi)外螺紋實(shí)際接觸形面的接觸狀態(tài)很難用仿真計(jì)算等分析方法來準(zhǔn)確評(píng)價(jià)；另一方面受載復(fù)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(zhǔn)確反映其應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的實(shí)際狀況。
與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中，王琍等發(fā)表的API圓螺紋套管接頭應(yīng)力場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)(北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，Vol.22(6).555-558.)一文中介紹了一套從美國(guó)H.O.MOHR工程設(shè)計(jì)研究公司引進(jìn)的全尺寸實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)，它包括上卸扣實(shí)驗(yàn)機(jī)、內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)機(jī)和拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)三部分，采用的實(shí)驗(yàn)方案為接箍外部軸向均勻貼應(yīng)變片。這種應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)定只能反應(yīng)內(nèi)外螺紋副之間接觸壓力在接箍軸向的分布狀態(tài)，不能真實(shí)地反應(yīng)其在接箍周向的應(yīng)力分布狀態(tài)。此外這種測(cè)試方法也未能測(cè)出上卸扣過程中由于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(chǎng)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(cè)定復(fù)合載荷下套管螺紋連接許可扭矩的實(shí)驗(yàn)裝置，此實(shí)驗(yàn)裝置重點(diǎn)在于測(cè)試不同載荷下套管的許可扭矩，實(shí)驗(yàn)中采用熱電偶來檢測(cè)套管上緊過程中溫度的變化，其測(cè)試方法及裝置并不能對(duì)套管螺紋連接部位的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試。胡玉林等人在用光彈性法探討石油套管螺紋連接的強(qiáng)度和密封性能(石油大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(6)68-71)一文中提出了采用光彈性方法來測(cè)試內(nèi)外螺紋副的接觸狀態(tài)，但是這種方法通過等差線及等傾線確定主應(yīng)力非常煩瑣，結(jié)果大多都是定性的，要想在油套管螺紋上卸扣過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試則難以實(shí)現(xiàn)。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明在設(shè)計(jì)的石油管螺紋上卸扣試驗(yàn)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(bǔ)償應(yīng)變片來獲得上卸扣過程中螺紋連接部位應(yīng)力的變化信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀被磁帶記錄器記下，最后通過數(shù)據(jù)處理裝置分析出上卸扣過程中螺紋連接部分應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)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(cè)定上卸扣過程中螺紋連接部位產(chǎn)生的熱信號(hào)，信號(hào)首先經(jīng)過溫度變送器被數(shù)據(jù)處理裝置分析，然后即可得出由于上卸扣過程中摩擦熱引起的螺紋連接部位溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布。同時(shí)在動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的扭矩儀來控制上卸扣的扭矩，以防止過扭矩上扣；通過采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)花鍵軸來控制上扣速度。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟1、在現(xiàn)場(chǎng)端管體與工廠端管體相連的接箍上分別均勻布置自補(bǔ)償應(yīng)變片和溫度傳感器，其中，自補(bǔ)償應(yīng)變片在接箍軸向均勻分布，在接箍周向布置四排，每一排應(yīng)變片的夾角β為90°，溫度傳感器的布置占接箍長(zhǎng)度的1/2并靠近現(xiàn)場(chǎng)端管體，在接箍周向共有3排，每一排的夾角α為120°。
2、采用全橋接線方式連接好自補(bǔ)償應(yīng)變片，可以有效消除由于溫度變化所引起的熱應(yīng)變。
3、將貼好自補(bǔ)償應(yīng)變片和溫度傳感器的部分測(cè)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(jīng)按照規(guī)定的扭矩上扣完畢)安放在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，工廠端管體與標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀相連，并被固定在浮動(dòng)支撐上。
4、將現(xiàn)場(chǎng)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(dá)相連，通過調(diào)整浮動(dòng)支撐使現(xiàn)場(chǎng)端管體和接箍軸線對(duì)中。
5、將與應(yīng)變片和溫度傳感器連好的導(dǎo)線分別連接到應(yīng)變儀和溫度變送器上，最后都與數(shù)據(jù)處理裝置相連。
6、啟動(dòng)和調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)使現(xiàn)場(chǎng)端管體達(dá)到合理地上扣速度和上扣扭矩(具體數(shù)值根據(jù)API RP 5C1標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行)，數(shù)據(jù)處理裝置則動(dòng)態(tài)地記錄上扣過程引起接箍?jī)?nèi)部發(fā)生的應(yīng)力和溫度場(chǎng)的變化，最后處理相關(guān)記錄數(shù)據(jù)，繪制出管螺紋連接內(nèi)外螺紋副的真實(shí)接觸狀態(tài)示意圖。
本發(fā)明方法簡(jiǎn)單易行，而且可以準(zhǔn)確測(cè)量油套管螺紋連接上卸扣過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，所的結(jié)果對(duì)分析油套管螺紋連接粘扣的機(jī)理，油管螺紋副在旋合接觸域的配合質(zhì)量，優(yōu)化和改進(jìn)螺紋牙設(shè)計(jì)，規(guī)范油田現(xiàn)場(chǎng)上卸扣操作有著重要的理論意義和直接的經(jīng)濟(jì)效益；


圖1中，1為工廠端管體，2為應(yīng)力應(yīng)變片，3為接箍，4為現(xiàn)場(chǎng)端管體，5為溫度傳感器。
圖2為本發(fā)明應(yīng)變片接橋線路示意圖。
圖3為本發(fā)明管螺紋上卸扣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。
圖3中，6為液壓馬達(dá)，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(dòng)支承，13為導(dǎo)線，4為現(xiàn)場(chǎng)端管體，5為接箍，1為工廠端管體。
本發(fā)明的實(shí)施例為APIJ55φ139.7×7.72mm套管圓螺紋接頭，以檢測(cè)此型套管螺紋連接內(nèi)外螺紋副在旋合接觸域的配合質(zhì)量和粘扣失效機(jī)理，具體測(cè)試步驟如下
1.對(duì)所用自補(bǔ)償應(yīng)變片和溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并記錄標(biāo)定結(jié)果；2.如圖1所示，在與工廠端管體1和現(xiàn)場(chǎng)端管體4相連的接箍3上分別粘貼自補(bǔ)償應(yīng)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(bǔ)償應(yīng)變片在軸向均勻分布，其間距L1主要是根據(jù)所測(cè)試的接箍長(zhǎng)度和一排應(yīng)變片的數(shù)量來計(jì)算，在周向共有4排應(yīng)變片，每一排應(yīng)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，但是其僅占接箍長(zhǎng)度的1/2，且靠近現(xiàn)場(chǎng)端管體，其間距L2主要是根據(jù)所測(cè)試的接箍長(zhǎng)度的1/2和一排溫度傳感器的數(shù)量來計(jì)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(jù)選定的貼片方案將接箍3上測(cè)點(diǎn)處打磨處理好，準(zhǔn)確地劃線、貼片，接好導(dǎo)線并做好防護(hù)，測(cè)點(diǎn)及導(dǎo)線都要有編號(hào)。
3.如圖2采用全橋接線方式連接好自補(bǔ)償應(yīng)變片。
4.如圖3所示，將貼好自補(bǔ)償應(yīng)變片和溫度傳感器的部分測(cè)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(jīng)按照規(guī)定的扭矩上扣完畢)安放在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，工廠端管體1與標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀11相連，并被固定在浮動(dòng)支撐12上。
5.如圖3所示，將現(xiàn)場(chǎng)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(dá)6相連，通過調(diào)整浮動(dòng)支撐12使現(xiàn)場(chǎng)端管體4和接箍3軸線對(duì)中。
6.如圖3所示，將與應(yīng)變片和溫度傳感器連好的導(dǎo)線13分別連接到應(yīng)變儀、磁帶記錄器和溫度變送器上，最后都與數(shù)據(jù)處理裝置相連。
7.啟動(dòng)和調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)使現(xiàn)場(chǎng)端管體達(dá)到一定的上扣速度和上扣扭矩，測(cè)試在不同上扣速度和扭矩下螺紋連接的受力狀態(tài)，詳細(xì)記錄每一次上卸扣過程所使用上扣速度和上扣扭矩的數(shù)值。
8.根據(jù)試樣的幾何參數(shù)，應(yīng)變片和溫度傳感器的部位以及相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后繪出上卸扣過程中石油管螺紋連接應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布狀態(tài)。
測(cè)試結(jié)果對(duì)準(zhǔn)確分析APIJ55φ139.7×7.72mm套管圓螺紋接頭內(nèi)外螺紋副的接觸狀態(tài)，螺紋旋合區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)與上卸扣速度、扭矩和螺紋副自身幾何及物理參數(shù)的關(guān)系提供了科學(xué)依據(jù)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了同行專家的認(rèn)可。
權(quán)利要求
1.一種管螺紋接頭內(nèi)外螺紋表面接觸狀態(tài)分布的測(cè)試方法，其特征在于包括如下具體步驟1)在現(xiàn)場(chǎng)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(bǔ)償應(yīng)變片(2)和溫度傳感器(5)，其中，自補(bǔ)償應(yīng)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(yīng)變片的夾角β為90°，溫度傳感器(5)的布置占接箍(3)長(zhǎng)度的1/2并靠近現(xiàn)場(chǎng)端管體(4)，在接箍(3)周向共有3排，每一排的夾角α為120°；2)采用全橋接線方式連接好自補(bǔ)償應(yīng)變片(2)；3)將貼好自補(bǔ)償應(yīng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，工廠端管體(1)與標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀(11)相連，并被固定在浮動(dòng)支撐(12)上；4)將現(xiàn)場(chǎng)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(dá)(6)相連，通過調(diào)整浮動(dòng)支撐(12)使現(xiàn)場(chǎng)端管體(4)和接箍(3)軸線對(duì)中；5)將與應(yīng)變片(2)和溫度傳感器(5)連好的導(dǎo)線(13)分別連接到應(yīng)變儀和溫度變送器上，最后都與數(shù)據(jù)處理裝置相連；6)啟動(dòng)和調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)(6)使現(xiàn)場(chǎng)端管體(4)達(dá)到合理地上扣速度和上扣扭矩，數(shù)據(jù)處理裝置則動(dòng)態(tài)地記錄上扣過程引起接箍(3)內(nèi)部發(fā)生的應(yīng)力和溫度場(chǎng)的變化，最后處理相關(guān)記錄數(shù)據(jù)，繪制出管螺紋連接內(nèi)外螺紋副的真實(shí)接觸狀態(tài)示意圖。
全文摘要
一種管螺紋接頭內(nèi)外螺紋表面接觸狀態(tài)分布的測(cè)試方法，通過在接箍軸向和周向均勻布置自補(bǔ)償應(yīng)變片，獲得上卸扣過程中螺紋連接部位應(yīng)力的變化信號(hào)，通過在接箍軸向和周向均勻布置溫度傳感器，測(cè)定上卸扣過程中螺紋連接部位產(chǎn)生的熱信號(hào)，信號(hào)分別經(jīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和溫度變送器送數(shù)據(jù)處理裝置，得到油套管螺紋連接上卸扣過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，在動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)采用扭矩儀控制上卸扣的扭矩，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)花鍵軸控制上扣速度。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量準(zhǔn)確，對(duì)分析油套管螺紋連接粘扣的機(jī)理，油管螺紋副在旋合接觸域的配合質(zhì)量，優(yōu)化和改進(jìn)螺紋牙設(shè)計(jì)，規(guī)范油田現(xiàn)場(chǎng)上卸扣操作有著重要意義。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1448706SQ0311615
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者姚振強(qiáng), 袁光杰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)