[发明专利]一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油与天然气工业钻井工程技术领域，具体涉及一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置及方法。

背景技术

在石油钻井过程中，钻杆的服役环境恶劣，受力情况复杂，往往面临着严重的钻具失效风险。螺纹失效是一种重要的石油钻杆失效形式，而螺纹连接处发生断裂是钻具连接失效最严重和最具破坏性的一种事故。螺纹发生断裂的主要原因，是由于螺纹连接处存在着应力疲劳区，使用中当应力疲劳达到一定的极限，螺纹就会发生突然的断裂。因此，预防疲劳损坏，减少井下钻具螺纹处断裂事故的发生，必须做好钻具螺纹疲劳的性能评估和测试工作。而现有的疲劳试验机多是简单的静态疲劳测试，目前还没有可以模拟钻具螺纹动态疲劳的测试装置。

发明内容

本发明为了解决现有疲劳试验装置的不足，目的是提供一种能够模拟井下钻具螺纹承受静态和动态双重载荷条件下的动态疲劳测试装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置，其特征在于它包括底座、设于底座中心的微调升降装置、设于微调升降装置上的激振器、设于激振器上方的底板、设于底板上方的顶板、设于底板中心的滑动轴承、下连接柱安装在滑动轴承中、设于底板下端面的游标卡尺、设于顶板中心的上连接柱、设于底板与下连接柱之间的弹簧、设于上连接柱上部的拉伸螺母、设于上连接柱下部的压缩螺母、设于顶板和底板及底座之间的支撑柱、上连接柱与下连接柱之间安装有试样，试样中部螺纹连接处外壁贴有应变片。

所述试样为现场钻具螺纹连接头模拟试样，中部空心，两端实心，分别与上连接柱和下连接柱螺纹连接。所述上连接柱下端为螺纹连接母扣，上端为螺杆、所述下连接柱上端为螺纹连接母扣，下端为光杆。

所述的拉伸螺母和压缩螺母分别安装在上连接柱的顶板以上和上连接柱的顶板以下，通过手动调节螺母实现对测试管柱施加静态的拉伸和压缩载荷；

所述弹簧上端与下连接柱上端通过螺栓固定，弹簧下端与底板通过螺栓固定，以便于拆卸维修、所述弹簧在加载静载荷后，须满足下连接柱的光杆下端始终处于底板下方并且能与顶杆保持有效接触；

所述游标卡尺的上测量爪与底板下端面焊接连接、下测量爪可在卡尺上游动，实现对弹簧应变的精确测量；

所述激振器的顶杆与下连接柱底面接触，可向试样施加动态激励，所述微调升降装置采用机械调整装置。激振器和应变片通过电线连接测量与控制主机，所述的测量与控制主机集成了信号接收与处理元件，可实现对应变、激振力、激振频率的实时监控和数据记录。

该钻具螺纹动态疲劳模拟方法包括对静载荷的模拟和对动载荷的模拟两部分，其中，所述的静荷载利用弹簧机构模拟，所述的动载荷利用一个激振机构模拟。实验所模拟的静载荷远远大于试样及上下连接柱的自重，可忽略试样及上下连接柱的自重对弹簧所产生的应变，故游标卡尺的前后读数差所对应的弹簧应力即为对试样施加的静载荷。

利用本发明装置进行实验的方法包括如下步骤：

A、测量并记录弹簧在空载条件下游标卡尺的读数；

B、计算达到实验要求静载荷所需的弹簧应变量；

C、将加工好的试样安装在上连接柱和下连接柱之间；

D、将应变片贴于试样中部螺纹连接处外壁，并通过电线与测量与控制主机连接；

E、调节拉伸螺母或压缩螺母，同时观察游标卡尺的读数，当游标卡尺的前后读数差达到所需弹簧应变量时，停止加载；

F、调节微调升降装置，使顶杆与光杆下端面保持接触；

G、通过测量与控制主机控制激振器输出实验要求的激振频率和激振力，驱动顶杆向试样加载动态激励；

H、通过测量与控制主机实时监测并记录激振力、激振频率和应变数据，在实验结束后，对试样进行裂纹检测和断口形貌分析。

本发明由于采取上述技术方案，具有以下优点：

1、采用弹簧机构，在实现对测试管柱静态的拉伸和压缩的同时，不影响激振器将激振力传递至测试管柱，结构简单，使用方便；

2、采用手动调节螺母，利用螺纹副传动对弹簧施加作用力，传动平稳，且螺纹副具有自锁作用，可以很方便的停下来进行读数，而不用担心读数变化，读数准确方便；

3、可通过测量与控制主机控制激振器输出不同形式的动态激励，并实现对应变、激振力、激振频率的实时监控和数据记录。

附图说明

图1为本发明钻具螺纹动态疲劳模拟测试装置的立体图

图2为本发明的结构示意图

图3为本发明的激振机构和测量装置示意图