專利名稱：一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬鉆井工況的鉆柱材料多沖斷裂韌性測(cè)試方法及裝置。
背景技術(shù)：
鉆柱在鉆井過(guò)程中產(chǎn)生裂紋是難以避免的。通過(guò)對(duì)目前鉆井工況分析，造成井下鉆柱裂紋擴(kuò)展的原因主要是鉆柱振動(dòng)，其振動(dòng)特點(diǎn)為單次沖擊載荷值不大，但多次累積能量對(duì)鉆柱失效的貢獻(xiàn)大。因此正確評(píng)價(jià)低載荷、多次沖擊載荷對(duì)鉆柱裂紋的作用機(jī)理，研究低載荷、多次沖擊斷裂韌性與鉆柱材料力學(xué)特性的相關(guān)性，需要建立一種測(cè)試鉆柱材料在鉆井液作用下的低載荷、多次沖擊斷裂韌性測(cè)試方法，設(shè)計(jì)一種測(cè)試鉆柱材料在鉆井液作用下的低載荷、多次沖擊斷裂韌性測(cè)試設(shè)備，對(duì)研究鉆柱斷裂失效機(jī)理有很大的意義。目前，動(dòng)態(tài)斷裂韌性研究中的多沖斷裂實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本上是采用活塞式?jīng)_擊錘。進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，沖擊錘上下運(yùn)動(dòng)錘擊試件，以試件斷裂時(shí)所吸收的能量來(lái)衡量材料的斷裂性能。試件的斷裂能量由錘頭每次撞擊試樣后能量的變化累加得到。該多沖實(shí)驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)精度高，能夠較好地測(cè)試材料的多沖動(dòng)態(tài)斷裂韌性。然而，在對(duì)于鉆柱相關(guān)材料的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，現(xiàn)有多沖斷裂韌性測(cè)試方法存在以下問(wèn)題(1)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法模擬鉆井工況下的井下環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確的反映井下特殊環(huán)境中尤其是鉆井液作用下材料的多沖斷裂韌性；(2)由于多沖斷裂測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，活塞式?jīng)_擊錘在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中承受了極大的工作強(qiáng)度，容易造成損壞；(3)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)較為復(fù)雜、設(shè)備購(gòu)置成本高、后期維護(hù)保養(yǎng)要求高。因此，發(fā)明一種可以模擬鉆井工況、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修保養(yǎng)容易的多沖斷裂韌性測(cè)試裝置，是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種模擬鉆井工況下的多沖斷裂韌性測(cè)試方法及裝置，以解決目前材料多沖斷裂韌性測(cè)試方法無(wú)法模擬鉆井工況、進(jìn)行符合鉆柱振動(dòng)特點(diǎn)的低載荷多沖測(cè)試的技術(shù)難題，并在達(dá)到上述目的的同時(shí)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性，降低設(shè)備成本。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種模擬鉆井工況的鉆柱材料多沖斷裂韌性測(cè)試方法，其特點(diǎn)是利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件，以一定的周期打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體鄰近的砧板，以達(dá)到進(jìn)行符合鉆柱振動(dòng)特點(diǎn)的低載荷多沖斷裂韌性測(cè)試的目的。為使用上述方法，本發(fā)明提供一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試裝置，主要包括底座、調(diào)速電機(jī)、傳動(dòng)裝置、泥漿槽、砧板、旋轉(zhuǎn)主盤、試件座。調(diào)速電機(jī)固定在底座上； 旋轉(zhuǎn)主盤置于泥漿槽內(nèi)，動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主盤轉(zhuǎn)動(dòng)；試件座用銷軸固定在旋轉(zhuǎn)主盤上；泥漿槽固定在支架上，泥漿槽內(nèi)鄰近旋轉(zhuǎn)主盤的外緣面部位固定砧板。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)主盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被固定在試件座上的試件突出于旋轉(zhuǎn)主盤外沿，即可打擊砧板，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，打擊砧板一次。試件打擊砧板后，試件座以銷軸為中心向旋轉(zhuǎn)主盤旋轉(zhuǎn)的反方向旋轉(zhuǎn)至橡膠塞位置，使試件不再突出于旋轉(zhuǎn)主盤外沿，從而使旋轉(zhuǎn)主盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。試件座靠近旋轉(zhuǎn)主盤中心一側(cè)處安裝一橡膠塞，用以限定試件座以銷軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度， 并利用其彈性和旋轉(zhuǎn)主盤做圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，使試件座在經(jīng)過(guò)砧板后回到試件打擊砧板前的位置。與現(xiàn)有測(cè)試裝置相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，泥漿槽內(nèi)可注入不同鉆井液，用于模擬鉆井工況下的井下環(huán)境，從而使得測(cè)試結(jié)果更貼近鉆井工況下的真實(shí)情況；(2)利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)主盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可以控制試件以某一頻率及沖擊載荷打擊砧板，從而達(dá)到控制沖擊能量的目的。通過(guò)能量的累積計(jì)算出試件斷裂的沖擊韌性，能夠準(zhǔn)確地反映出材料動(dòng)態(tài)斷裂的真實(shí)行為，進(jìn)而保證了測(cè)試精度；(3)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，后期維護(hù)保養(yǎng)容易。


圖1為測(cè)試裝置示意圖之主視圖。圖2為測(cè)試裝置示意圖之俯視圖。圖3為試件座示意圖之主視圖。圖4為試件座示意圖之側(cè)視圖。圖5為試件示意圖。圖6為試件打擊砧板之前的示意圖。圖7為試件打擊砧板之后的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件以一定的周期打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體相鄰的砧板，以達(dá)到符合鉆柱振動(dòng)特點(diǎn)的低載荷多沖斷裂韌性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的目的。為使用上述方法，本發(fā)明提供的測(cè)試裝置主要包括底座10，調(diào)速電機(jī)7，傳動(dòng)裝置A，泥漿槽3，砧板2，旋轉(zhuǎn)主盤4，試件座1。調(diào)速電機(jī)7固定在底座10上；傳動(dòng)裝置A采用皮帶傳動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)小皮帶輪6傳給大皮帶輪5，經(jīng)軸13帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)主盤4旋轉(zhuǎn)，大皮帶輪5 與軸13通過(guò)鍵14連接；軸13下部用一個(gè)深溝球軸承8安裝在支座15上，上部穿過(guò)泥漿槽 3中心的軸套12，頂部用插銷11固定；旋轉(zhuǎn)主盤4置于泥漿槽3內(nèi)，泥漿槽3通過(guò)4個(gè)螺柱和底座10兩側(cè)的支架9固定在一起。啟動(dòng)測(cè)試裝置，調(diào)速電機(jī)7經(jīng)過(guò)一級(jí)皮帶輪傳動(dòng)減速后帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)主盤4在水平平面上做圓周運(yùn)動(dòng)。試件座1 (為避免偏心，旋轉(zhuǎn)主盤4上左右各有一個(gè)試件座1且呈對(duì)稱分布，其中一個(gè)作為備用)通過(guò)銷軸20固定在旋轉(zhuǎn)主盤4上，銷軸20與旋轉(zhuǎn)主盤4采用 0. 020 0. 040mm間隙配合。由于固定在試件座1上的試件16突出于旋轉(zhuǎn)主盤4外沿，旋轉(zhuǎn)主盤4旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定在試件座1 (如圖3和圖4所示)上的試件16將打擊砧板2 (如圖6 所示)。旋轉(zhuǎn)主盤4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)試件16做圓周運(yùn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周打擊砧板2 —次，打擊后試件座1帶動(dòng)試件16以銷軸20為圓心向后旋轉(zhuǎn)至橡膠塞19的位置，此時(shí)試件16不再突出于旋轉(zhuǎn)主盤4外沿(如圖7所示)。橡膠塞19具有緩沖作用避免了試件座1轉(zhuǎn)動(dòng)幅度過(guò)大，同時(shí)利用橡膠塞19的彈性和旋轉(zhuǎn)主盤4做圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，試件座1在經(jīng)過(guò)砧板2以后會(huì)回到打擊砧板2前的位置(如圖6所示)，當(dāng)試件16旋轉(zhuǎn)到砧板2處開(kāi)始下一次打擊砧板2，如此連續(xù)不斷地進(jìn)行。因此，該裝置能夠進(jìn)行持續(xù)的多沖斷裂韌性測(cè)試。為了模擬鉆柱在使用中常出現(xiàn)的裂紋破壞形式，對(duì)鉆柱縱向和橫向進(jìn)行切割取樣，經(jīng)機(jī)械加工處理后，再線切割一個(gè)預(yù)制裂紋17和一個(gè)卡口 18，加工好的試件16如圖5 所示，加工卡口 18是便于把試件16用夾緊螺栓21夾緊固定在試件座1上。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以選擇是否向泥漿槽內(nèi)注入鉆井液，以模擬鉆井液環(huán)境中的多沖斷裂韌性測(cè)試，或模擬大氣環(huán)境中的多沖斷裂韌性測(cè)試。依據(jù)旋轉(zhuǎn)特性可知，試件及試件座隨主盤一起在作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)理論，可知物體在圓周上運(yùn)動(dòng)某一時(shí)刻(或通過(guò)圓周上某一點(diǎn))的線速度的方向就在圓周該點(diǎn)的切線方向上。因試件座的尺寸大小與主盤半徑相比遠(yuǎn)小于主盤半徑的長(zhǎng)度，因此可以把試件座的速度看作其所在圓周位置的切線速度，即ν = ωτ式中ν-切線速度m/s ；ω -主盤角速度rad/s ；r-主盤半徑m。由于試件座后橡膠塞吸收的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沖擊能量，因此可以忽略不記。設(shè)E為試件沖擊一次吸收能量，試件斷裂時(shí)試件多次沖擊韌性為Q，有
1 9E = -mv
2式中E-試件沖擊一次吸收能量J ；ν-切線速度m/s ；m-試件座質(zhì)量kg ；由此可知試件沖擊一次吸收的能量
1 2E = —多次沖擊韌性Q為Q = NE式中N-試件斷裂時(shí)沖擊次數(shù)；沖擊次數(shù)N為N = Wt式中t_試件斷裂時(shí)間s ；W-主盤的轉(zhuǎn)速r/s。最終當(dāng)試件斷裂時(shí)就可以得到試件的多沖動(dòng)態(tài)斷裂韌性Q。以上公開(kāi)的僅為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試方法，其特征在于利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件，以一定的周期和頻率打擊旋轉(zhuǎn)體外與旋轉(zhuǎn)體外緣相鄰的砧板，以達(dá)到進(jìn)行符合鉆柱振動(dòng)特點(diǎn)的低載荷多沖斷裂韌性測(cè)試的目的。
2.一種為權(quán)利要求1所述的方法使用的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試裝置，其特征在于裝置主要包括底座(10)、調(diào)速電機(jī)(7)、傳動(dòng)裝置(A)、泥漿槽(3)、砧板O)、旋轉(zhuǎn)主盤G)、試件座(1)，調(diào)速電機(jī)(7)固定在底座(10)上，旋轉(zhuǎn)主盤⑷置于泥漿槽(3)內(nèi)， 動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)裝置(A)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主盤(4)轉(zhuǎn)動(dòng)，試件座(1)固定在旋轉(zhuǎn)主盤(4)上，泥漿槽 (3)內(nèi)鄰近旋轉(zhuǎn)主盤的外緣面部位固定砧板0)，泥漿槽(3)固定在支架(9)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試裝置，其特征在于試件座(1)采用銷軸00)固定在旋轉(zhuǎn)主盤(4)上，銷軸OO)與旋轉(zhuǎn)主盤(4)采用0.020 0. 040mm間隙配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試裝置，其特征在于試件座(1)靠近旋轉(zhuǎn)主盤中心一側(cè)處安裝一橡膠塞(19)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)主盤(4)上對(duì)稱地固定兩個(gè)試件座(1)。
全文摘要
一種模擬鉆井工況的多沖斷裂韌性測(cè)試方法及裝置，其特點(diǎn)是利用旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)特性，使固定在旋轉(zhuǎn)體外緣的試件，以一定的周期和頻率打擊鄰近旋轉(zhuǎn)體外緣面固定的砧板，達(dá)到進(jìn)行符合鉆柱振動(dòng)特點(diǎn)的低載荷多沖實(shí)驗(yàn)的目的。該裝置在測(cè)試時(shí)可以選擇是否向泥漿槽內(nèi)注入鉆井液，從而可以模擬泥漿鉆井和空氣鉆井工況下的井下環(huán)境，真實(shí)地反映鉆柱材料在井下低載荷多沖作用下的斷裂情況。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，適用于對(duì)鉆柱材料多沖斷裂韌性的測(cè)試和研究。
文檔編號(hào)G01N3/34GK102305746SQ201110221579
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月4日
發(fā)明者周瑩, 孫永興, 張繼川, 施太和, 曾德智, 朱紅鈞, 朱達(dá)江, 李強(qiáng), 林元華, 王其軍, 謝娟 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)