[发明专利]一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法

说明书

技术领域

本发明属于石油工程油井管技术领域，尤其涉及一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法。

背景技术

特殊螺纹密封面接触应力松弛将降低完井管柱气密封性能，当接触应力松弛导致螺纹泄漏速度超过最大允许泄漏速度时，易诱发气井环空带压，影响气井安全。目前，主要通过静态气密封实验来评价特殊螺纹气密封性能，而关于接触应力松弛对特殊螺纹长期气密封性能的影响研究还未见报道。接触应力松弛主要受接触副材料性能、密封参数、服役时间和环境温度等因素影响，研究密封面接触应力松弛机理和规律对于优选密封材料和优化密封参数，从而保证特殊螺纹长期气密封性能具有重要意义。

综合上述，现有技术存在的问题是：特殊螺纹静态气密封实验不能反映密封面接触应力松弛对螺纹长期气密封性能的影响。因此发明一种能模拟和测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的实验装置和方法，对于研究螺纹动态泄漏机理，优选密封材料和优化密封参数，保证特殊螺纹长期气密封性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法。

本发明是这样实现的，一种测试特殊螺纹密封面高温接触应力松弛的方法，所述方法通过外力装置形成密封副后保持垂向位移恒定，测试并记录垂向力随时间的变化值，并通过接触力学理论将垂向力换算成密封面接触应力，从而拟合出密封面接触应力松弛本构关系。

进一步，所述方法进一步包括以下步骤：

第一，调节好各装置参数，包括通过电磁感应加热装置保持密封面为设定的恒定温度，并将高压氮气加入气体腔室中；先不打开气体阀门，形成密封后再打开；

第二，密封面初始接触应力p_c0为80％min(σ_ps，σ_cs)，其中σ_ps，σ_cs分别为管体端和螺纹段密封材料的屈服强度，计算初始外加载荷F₀，外加载荷F与密封面接触应力p_c的关系；

第三，每个初始接触应力和温度条件下测试三个样品，得到三组值，取其平均值作为数据处理的原始值；

第四，根据测得的数据拟合出不同温度和密封面初始接触应力下密封面接触应力松弛本构关系：

σ_c(t)＝σ_co-V_s ln(t)

σ_c(t)—t时刻密封面平均接触应力，MPa；

σ_co—密封面初始接触应力，MPa；

V_s—密封面接触应力松弛速度，m/s，与接触材料环境温度和接触应力有关。

进一步，所述第二步骤中外加载荷F与密封面接触应力p_c的关系为：

F—密封面外加载荷，N；

E_p—管体弹性模量，MPa；

ν_p—管体泊松比，无因次；

E_c—接箍弹性模量，MPa；

ν_c—接箍泊松比，无因次；

α—接箍端锥形凹槽半角，°；

μ_e—密封面静摩擦系数，无因次；

R—管体端锥体曲率半径，mm；

r_c—平均密封半径，mm。

进一步，加载初始垂向力F₀并保持垂向压缩变形量恒定，测试并记录垂向力F随时间的变化值F(t)；根据式(1)可将F(t)换算成密封面接触应力p_c(t)，要求每2个小时测试记录一次垂向力，共记录1000个数据。

进一步，在所述调节好各装置参数之前进一步包括：

步骤一，将下承载垫片放在外部加载装置上，再将下部结构放在下承载垫片上；

步骤二，将特殊螺纹管体端插入下部结构凹槽内，形成金属对金属密封副；

步骤三，将圆形橡胶垫放入特殊螺纹管体端上方，再将上部结构的凹槽对准特殊螺纹管体端；

步骤四，安装液体腔室壁罩并检查安装的可靠性，同时将排液孔用密封帽拧紧密封；

步骤五，加上承载垫片，并将外力装置与上承载垫片接触；

步骤六，通过注液孔将液体腔室注满高沸点导热硅油，并检查是否漏液；

步骤七，通过注液孔接头连接压力自动调节装置；