孫宇 王雙鎖 劉家泳 楊永昌 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

3 000 t復(fù)合加載設(shè)備的研制及試驗(yàn)方法的研究

孫宇 王雙鎖 劉家泳 楊永昌 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

論述了3 000 t復(fù)合加載試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)過程，包括設(shè)備主體、三點(diǎn)彎高壓釜裝置的設(shè)計(jì)及校核。建立了三點(diǎn)彎曲力學(xué)模型，對(duì)三點(diǎn)彎曲計(jì)算原理進(jìn)行了研究，并通過試驗(yàn)及標(biāo)定對(duì)設(shè)備和力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，3 000 t復(fù)合加載設(shè)備及配套裝置的設(shè)計(jì)、制造合理，三點(diǎn)彎曲力學(xué)模型的建立準(zhǔn)確。

復(fù)合加載設(shè)備 彎曲 高壓釜 撓度 力學(xué)模型 研究

3 000 t多功能復(fù)合加載試驗(yàn)設(shè)備是石油套管評(píng)價(jià)試驗(yàn)所必備的大型設(shè)備，該設(shè)備可完成ISO13679[1]規(guī)定的所有試驗(yàn)項(xiàng)目，各參數(shù)的加載能力超過ISO13679標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及目前世界上最領(lǐng)先的復(fù)合加載設(shè)備，精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大規(guī)格石油套管全面執(zhí)行ISO13679評(píng)價(jià)試驗(yàn)的空白，可模擬地殼應(yīng)力，將三維應(yīng)力及熱應(yīng)力同時(shí)施加在一個(gè)樣品上，完成拉伸、壓縮、密封、復(fù)合力等試驗(yàn)項(xiàng)目。它是目前世界上噸位最大，可模擬參數(shù)最多的整管實(shí)物性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1 設(shè)備研制

1.1 設(shè)備能力及構(gòu)成

最大拉伸載荷3 000 t，最大壓縮載荷1 800 t。其構(gòu)成包括固定座、活動(dòng)座、液壓缸、橫梁、載荷傳感器、單耳、試樣夾具等，如圖1所示。

1.2 設(shè)備設(shè)計(jì)及校核

1.2.1 設(shè)備設(shè)計(jì)方法

利用有限元模擬分析設(shè)備各部件的配合及受力情況，并通過人工計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。為降低計(jì)算量、提高計(jì)算精度，進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化假設(shè)：

圖1 3 000 t復(fù)合加載試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)圖

（1) 所有接觸面無摩擦;

（2) 所用材料為彈性材料，彈性模量為207 000 MPa，泊松比為 0.3。

1.2.2 有限元模型評(píng)估準(zhǔn)則

依據(jù)API RP 2RD[2]中涉及的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，其使用的是ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范中指定的分析設(shè)計(jì)方法。評(píng)估準(zhǔn)則如下：

式中：σy為材料最小屈服強(qiáng)度;Cf為設(shè)計(jì)情況系數(shù);Ca為許用應(yīng)力系數(shù)，取 2/ 3;σa=Caσy，基本許用連接應(yīng)力;σp為一次總體薄膜應(yīng)力;σl為一次局部薄膜應(yīng)力;σb為一次彎曲應(yīng)力;σq為二次應(yīng)力。

公式（3)包含二次應(yīng)力，盡管如此，我們保守地假定模型中所有的應(yīng)力全部為一次應(yīng)力。這個(gè)假設(shè)簡(jiǎn)化了應(yīng)力分類，限制可得到的應(yīng)力種類，包括一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力。利用ANSYS應(yīng)力線性化程序可容易地確定一次薄膜應(yīng)力與一次彎曲應(yīng)力之和，可通過公式（2)進(jìn)行評(píng)估。

因此，本文中的評(píng)估準(zhǔn)則可變?yōu)椋?/p>

式中：σm為ANSYS線性薄膜應(yīng)力;σm+b為ANSYS線性薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力;Cf取1.0。

1.2.3 支座設(shè)計(jì)校核程序

下面以支座部件為例，說明設(shè)備設(shè)計(jì)、校核程序。

1.2.3.1 材料選用

支座——Material BS EN 10025:2004 S355 J2[3]

材料最小屈服強(qiáng)度Fy=355 MPa

材料抗拉強(qiáng)度（UTS)Fu=470 MPa

1.2.3.2 評(píng)估準(zhǔn)則

根據(jù)公式（4)和（5)，強(qiáng)度評(píng)估中屈服強(qiáng)度為355 MPa的材料的許用應(yīng)力限定為：

1.2.3.3 設(shè)計(jì)要求

拉伸載荷：3 000 t;壓縮載荷：1 800 t;使用壽命：20年。

1.2.3.4 有限元模擬

支座部件有限元模型如圖2所示。支座極限受力情況為3 000 t拉伸時(shí)，其Von Mises應(yīng)力圖如圖3所示，最危險(xiǎn)截面1、2的應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估如表1所示。

由表1可知，截面1最大薄膜應(yīng)力為許用薄膜應(yīng)力的0.77，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力為許用應(yīng)力的0. 79;截面2最大薄膜應(yīng)力為許用薄膜應(yīng)力的0.36，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力為許用應(yīng)力的0.47，因此，支座的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。

圖2 支座部件有限元模型

圖3 支座3 000 t拉伸狀態(tài)Von Mises應(yīng)力圖

1.2.3.5 支座校核

為確保設(shè)備的設(shè)計(jì)完全符合要求，還必須對(duì)整體設(shè)備進(jìn)行人工計(jì)算校核，以支座為例,其結(jié)構(gòu)及受力示意如圖4所示。

載荷架最大拉載 T＝3 000 t;

（1) 組件橫截面校核

材料最小屈服強(qiáng)度為：σy＝355 MPa;Z＝1.23×108 mm3;

表1 支座3 000 t拉伸應(yīng)力狀態(tài)

圖4 支座結(jié)構(gòu)及受力示意圖

綜上，支座的設(shè)計(jì)符合要求。

1.3 三點(diǎn)彎高壓釜裝置

該裝置可模擬油井管在井下承受外壓加彎曲條件的復(fù)合力試驗(yàn)，需在彎曲條件下承受高壓，因此需要獨(dú)特的密封設(shè)計(jì)，每副密封件由1個(gè)支撐環(huán)、1個(gè)載荷環(huán)、1個(gè)密封環(huán)和4個(gè)棒邊保護(hù)環(huán)及密封用聯(lián)接螺栓組成，靠高壓釜內(nèi)壓力對(duì)密封圈加載，使其變形，完成密封，壓力越大，密封性能越好。此裝置由高壓釜、固定框架、加載油缸及加載控制系統(tǒng)組成。

1.3.1 三點(diǎn)彎高壓釜設(shè)計(jì)

考慮實(shí)際受力情況，并利用對(duì)稱性條件，取其四分之一進(jìn)行有限元建模，整個(gè)模型由39 627個(gè)節(jié)點(diǎn)和84 336個(gè)單元組成。用MSC/NASTRAN2004完成上述有限元模型的計(jì)算，得到如圖5、圖6的計(jì)算結(jié)果。從圖5可看出：整個(gè)模型的最大等效應(yīng)力為517 MPa，發(fā)生在開孔內(nèi)邊緣處，稍大于材料的屈服強(qiáng)度510 MPa。其余各處的等效應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度值。從圖6可看出：最大主應(yīng)力465 MPa，亦發(fā)生在開孔內(nèi)邊緣處，由此可認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖5 等效應(yīng)力分布云圖

圖6 最大主應(yīng)力分布云圖

1.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

三點(diǎn)彎高壓釜可實(shí)現(xiàn)撓度、應(yīng)變雙重控制，施加外壓時(shí)應(yīng)變片必須與水隔絕，為此，我們專門設(shè)計(jì)耐水耐高壓的密封膠，此試驗(yàn)可同時(shí)檢測(cè)高壓釜及密封膠的性能。

1.3.2.1 試驗(yàn)方案（見表2)

表2 試樣信息及試驗(yàn)方案

1.3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖7為三點(diǎn)彎撓度曲線，最大撓度達(dá)145 mm，經(jīng)計(jì)算，狗腿度達(dá)20°，達(dá)到試驗(yàn)要求。

圖7 撓度-時(shí)間曲線

經(jīng)計(jì)算，應(yīng)變曲線與實(shí)測(cè)撓度相吻合。應(yīng)變片密封膠在水下堅(jiān)持7天后失效，整個(gè)過程中，高壓釜密封部位未見泄漏。

由試驗(yàn)驗(yàn)證三點(diǎn)彎高壓釜裝置的設(shè)計(jì)制造是合理的，完全滿足試驗(yàn)要求。

1.4 3 000 t載荷架系統(tǒng)標(biāo)定

1.4.1 標(biāo)定原理

以標(biāo)準(zhǔn)傳感器Master為依據(jù)對(duì)3 000 t復(fù)合加載設(shè)備的兩個(gè)載荷傳感器及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，通過測(cè)量Master的電壓值與兩個(gè)載荷傳感器的電壓值進(jìn)行對(duì)比，并將兩個(gè)載荷傳感器的載荷之和與控制載荷進(jìn)行對(duì)比，以此標(biāo)定載荷傳感器及整體系統(tǒng)的精度。

1.4.2 拉伸標(biāo)定

拉伸標(biāo)定量程0～5 200 kips，標(biāo)定數(shù)據(jù)見表3。

1.4.3 壓縮標(biāo)定

壓縮標(biāo)定量程0～-3 000 kips，標(biāo)定數(shù)據(jù)見表4。

表3 拉伸標(biāo)定數(shù)據(jù)

表4 拉伸標(biāo)定數(shù)據(jù)

1.4.4 結(jié)果分析

由表3和表4可知，系統(tǒng)誤差全部控制在1%以內(nèi)，滿足ISO13679標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求，說明3 000 t復(fù)合加載設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造是合理的，系統(tǒng)精度滿足試驗(yàn)要求。

2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法的研究

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是模擬油井管在井下由于地殼運(yùn)動(dòng)等原因產(chǎn)生彎曲或下井過程中沿井眼軌跡產(chǎn)生的狗腿度(°/30 m或°/100 ft)，以此評(píng)價(jià)油井管接頭的密封性能。3 000 t復(fù)合加載設(shè)備及三點(diǎn)彎高壓釜裝置不僅能完成ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CAL IV B系試驗(yàn)，還可完成油井管承受外壓加彎曲的試驗(yàn)，目前國(guó)際上還沒有油井管承受外壓加彎曲試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3 000 t復(fù)合加載設(shè)備及配套三點(diǎn)彎高壓釜裝置填補(bǔ)了此項(xiàng)空白，對(duì)油井管實(shí)物性能進(jìn)行了更全面的評(píng)價(jià)，為相關(guān)試驗(yàn)的開發(fā)、推廣以至走向成熟創(chuàng)造了良好的開端。

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的關(guān)鍵是力學(xué)模型的建立，不僅關(guān)系到三點(diǎn)彎高壓釜裝置的設(shè)計(jì)制造，更關(guān)系到三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2.1 試樣兩端鉸支

試樣兩端鉸支力學(xué)模型如圖8所示。

圖8 兩端鉸支力學(xué)模型

其計(jì)算撓度及彎矩的公式[5]為：

2.2 試樣兩端固支

試樣兩端固支力學(xué)模型如圖9所示。

圖9 兩端固支力學(xué)模型

其計(jì)算撓度及彎矩的公式[5]為：

在2.1節(jié)、2.2節(jié)的公式中，P為集中載荷;Q為剪力，對(duì)鄰近截面所產(chǎn)生的力矩沿順時(shí)針方向者為正;M為彎矩，使截面上部受壓，下部受拉者為正;f為撓度，向下變位者為正;E為彈性摩量;J為截面的軸慣性矩。

對(duì)比兩組公式，當(dāng)施加相同載荷P時(shí)，M1max＞M2max。同理，當(dāng)試樣達(dá)到相同撓度，即f1=f2時(shí)，可得P1＜P2。由此可見，兩端固支比兩端鉸支對(duì)試樣的要求更苛刻，又因三點(diǎn)彎裝置需實(shí)現(xiàn)外壓與彎曲同時(shí)進(jìn)行，高壓釜兩端需要與管體之間密封，而用兩端固支的方法會(huì)大幅度降低設(shè)備設(shè)計(jì)、制造的難度，因此，三點(diǎn)彎曲力學(xué)模型選用兩端固支模型。

由1.3.2節(jié)可知，三點(diǎn)彎高壓釜裝置通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，說明該力學(xué)模型的建立是合理、準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

3．1 3 000 t復(fù)合加載主體設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及校核合理，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

3．2 三點(diǎn)彎高壓釜裝置的設(shè)計(jì)、制造合理，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)撓度、應(yīng)變與狗腿度的計(jì)算準(zhǔn)確，密封系統(tǒng)可滿足試驗(yàn)要求，應(yīng)變片密封膠可滿足相應(yīng)試驗(yàn)的需求。

3．3 三點(diǎn)彎力學(xué)模型的建立是合理準(zhǔn)確的。

[1]ISO 13679：2002，Petroleum and Natural Gas Indus tries-Procedures for Testing Casing and Tubing Connections,Recommended Practice on Procedures for Testing Casing and Tubing Connections[S].

[2]陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)[M].山東:石油大學(xué)出版社，2000：79.

[3]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》聯(lián)合編寫組．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上冊(cè)（第二分冊(cè))（修訂)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1987：339-340.

Study and Testing Method of 3 000 t Combined Loading Equipment

Sun Yu,Wang Shuangsuo,Liu Jiayong,Yang Yongchang

The designing process of 3 000 t combined loading testing equipment is demonstrated,including the design and calibration of main equipment and three-point bending autoclave.Theauthorsestablished themechanicalmodelof three-point bending,studied its calculation principle and verified the equipment and mechanical model by test and calibration.Results showed the design and manufacturing of 3 000 t combined loading equipment and its auxiliaries were reasonable and the mechanical model of three-point bending was correct.

combined loading equipment,three-point bending autoclave,overall angle change rate,deflection,mechanical model

（收稿 2011－07－05 責(zé)編 潘娜)

孫宇，碩士，副高級(jí)工程師，主要從事油、套管的實(shí)物性能評(píng)價(jià)、抗腐蝕性及微觀組織分析方面的研究工作。