復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王雙鎖 張麗敏 孫宇 楊永昌 劉家泳

復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王雙鎖 張麗敏 孫宇 楊永昌 劉家泳

結(jié)合目前的國(guó)際上對(duì)石油天然氣油套管整管使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)越來(lái)越苛刻的要求及實(shí)際使用情況，闡述了復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)思路和工作原理等，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了3000t復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)的功能、精度和安全性，取得了優(yōu)良效果。

復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī) 外壓 ISO13679試驗(yàn)

目前，石油行業(yè)隨著深井、超深井、熱采井等復(fù)雜井況連續(xù)出現(xiàn)，加大了石油天然氣鉆采難度，同時(shí)對(duì)石油天然氣用油套管提出了更高的要求，拉伸載荷大都超過(guò)了1500噸，并增加了外壓與載荷復(fù)合要求?，F(xiàn)有1500噸立式加載試驗(yàn)機(jī)已不能滿(mǎn)足要求，必須增加外壓能力，提高加載能力。為適應(yīng)石油行業(yè)的發(fā)展，在對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)分析研究后，我國(guó)設(shè)計(jì)了3000噸世界同行業(yè)最大噸位的復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)，以滿(mǎn)足不斷苛刻的試驗(yàn)要求。

1.總體設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)集中控制試驗(yàn)機(jī)加載主體、水壓、氣壓、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲裝置、安全保護(hù)系統(tǒng)；最終實(shí)現(xiàn)軸向拉伸、軸向壓縮、彎曲、內(nèi)壓/外壓等復(fù)合加載。

該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)能力應(yīng)達(dá)到以下要求：最大拉伸載荷3000噸，最大壓縮載荷1800噸，可進(jìn)行外壓和軸向載荷復(fù)合試驗(yàn)，外壓加彎曲復(fù)合試驗(yàn)，整機(jī)精度不超過(guò)±1%[1]，安裝方便，安全性高，并保留原1500t試驗(yàn)機(jī)的功能：四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、內(nèi)壓試驗(yàn)、檢漏裝置等。其總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2.復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)工作原理

2.1復(fù)合力試驗(yàn)

復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)擁有高性能液壓系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)液壓缸，通過(guò)高強(qiáng)度的機(jī)械主體：固定頭、滑動(dòng)頭、側(cè)桿、單耳等實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)載荷的傳遞，加載到試樣上進(jìn)行高載荷拉伸或壓縮，如圖2所示。配合外壓高壓釜、彎曲加載裝置及加熱設(shè)備，進(jìn)行拉/壓+內(nèi)/外壓、拉/壓+彎曲+內(nèi)壓、拉+內(nèi)壓+加熱等復(fù)合力試驗(yàn)及熱循環(huán)試驗(yàn)。試樣通過(guò)螺紋與載荷架連接，與立式載荷架相比安裝更方便、安裝精度更高。

2.2破壞性試驗(yàn)

在進(jìn)行拉伸破壞性試驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的夾持裝置，如圖3所示，在安裝于試驗(yàn)機(jī)之前將試樣兩端夾持裝置[3]，在試驗(yàn)機(jī)的單耳處放置連接箱體的下半部分，將安裝好夾持裝置的試樣放到試驗(yàn)機(jī)上，保證夾持裝置在連接箱體內(nèi)，然后扣上連接箱體的下半部分，至此拉伸破壞性試樣的安裝完成。當(dāng)進(jìn)行拉伸失效試驗(yàn)時(shí)，載荷通過(guò)液壓系統(tǒng)傳遞到試驗(yàn)機(jī)主體上，并通過(guò)主體的單耳傳遞到連接箱體，夾持裝置置于箱體內(nèi)，載荷通過(guò)他們的接觸面和加持裝置的斜面?zhèn)鬟f到試樣上，施加載荷，由于試樣大部分為9.625in以上試樣，當(dāng)試樣失效時(shí)，對(duì)設(shè)備沖擊很大，而且危險(xiǎn)性也相當(dāng)大，針對(duì)該情況，試驗(yàn)機(jī)上還安裝了蓄能器和安全防護(hù)裝置，以減少危險(xiǎn)的發(fā)生。

液壓缸上安裝的蓄能器可減少斷裂瞬間對(duì)載荷架的沖擊，其工作原理[2]如圖4所示，破壞試驗(yàn)前打開(kāi)蓄能器（4）前的閥門(mén)（6），試樣斷裂前，液壓泵（3）將油箱（2）里的液壓油（1）增壓，通過(guò)管路①將液壓油打入油缸（8）中，從而推動(dòng)活塞杠（7）移動(dòng)，同時(shí)液壓油受擠壓通過(guò)管路②回流進(jìn)油箱；當(dāng)載荷達(dá)到管子的屈服強(qiáng)度時(shí)，管子斷裂，活塞前的油壓瞬間減少，而活塞后面的油壓瞬間增大，此時(shí)液壓油除通過(guò)管路②回流進(jìn)油箱外，還會(huì)通過(guò)，管路③進(jìn)入蓄能器，壓縮氮?dú)饽?，最后再通過(guò)管路②回流進(jìn)油箱，從而很大程度降低試樣斷裂對(duì)設(shè)備的沖擊。

3.試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用

復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)制造安裝完成后，已進(jìn)行了50多套ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合力試驗(yàn)。該試樣的試驗(yàn)方案如表1。

拉伸破壞性試驗(yàn)：以外徑：273.05，壁厚：27mm，鋼級(jí)：TP140的樣管為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖5所示當(dāng)拉伸載荷為3196Kips時(shí)樣管失效，失效瞬間，蓄能器油路打開(kāi)對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行緩沖保護(hù)。

4. 結(jié)論

通過(guò)外徑9.625in試樣的ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了3000噸復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)思路符合目前石油天然氣行業(yè)用油套管的要求，其載荷能力、試驗(yàn)功能和載荷精度達(dá)到ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)，有能力進(jìn)行高載荷、高外壓/內(nèi)壓等復(fù)合力試驗(yàn)，具備拉伸破壞性試驗(yàn)?zāi)芰?，且精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并保證了設(shè)備和人身安全。

表 1 外徑為9.625in套管ISO 13679 A系列方案

[1] ISO13679 Petroleum and natual gas industries - Procedures for testing casing and tubing connections [S] , 2002.

[2] Universal Charging ande Testing Unit FPU-1, For Bladder,Piston and Diaphragm Accumulators, Hydac international.

天津鋼管集團(tuán)股份有限公司）