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

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 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

介紹了一套復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)。通過(guò)一機(jī)多任務(wù)的總體設(shè)計(jì)、外壓容器和夾持裝置的設(shè)計(jì)，增加了以前1 500 t試驗(yàn)機(jī)不能達(dá)到的高載荷能力和外壓復(fù)合功能。經(jīng)過(guò)20多套復(fù)合力試驗(yàn)，驗(yàn)證了該加載試驗(yàn)機(jī)具備外壓載荷復(fù)合試驗(yàn)功能，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多任務(wù)設(shè)計(jì)、外壓與載荷復(fù)合功能以及3 000 t的高加載能力，且該試驗(yàn)機(jī)的試樣安裝較以前方便省力，安全裝置起到緩沖作用，安全性高。

復(fù)合 試驗(yàn)機(jī) 載荷 壓力 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

1 引言

近年來(lái)，深井、超深井、熱采井等復(fù)雜井況的連續(xù)出現(xiàn)加大了石油天然氣鉆采的難度，與此同時(shí)，對(duì)鉆采用油套管的性能要求也越來(lái)越高。整管使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)可直接體現(xiàn)管材性能，為了評(píng)價(jià)油套管的整管性能，則需要配備相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備。

關(guān)于整管使用性能評(píng)價(jià)設(shè)備，我公司已有一最大載荷可到1 500 t的復(fù)合力試驗(yàn)機(jī)。但是按照目前ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)[1]和國(guó)際上各石油公司對(duì)油套管產(chǎn)品的使用性能要求，石油天然氣油套管必須可承受內(nèi)壓彎曲與軸向載荷復(fù)合、外壓與軸向載荷復(fù)合、內(nèi)壓拉載與熱循環(huán)復(fù)合，以及拉伸失效預(yù)測(cè)管材的極限值等項(xiàng)目?，F(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備缺少外壓與載荷復(fù)合功能，且加載能力已不能滿(mǎn)足大規(guī)格（如?273 mm)大載荷要求。根據(jù)目前油套管的使用情況，整管使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)備加載能力應(yīng)達(dá)到2 000 t以上，例如4 000 m以上的深井環(huán)境。因此，急需一高噸位多功能的復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)，以滿(mǎn)足外壓與軸向載荷復(fù)合功能和2 000 t以上加載能力要求，并保留原內(nèi)壓、載荷、熱循環(huán)功能。為了同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)有及未來(lái)更高載荷要求，國(guó)際上已有加載噸位到3 000 t的試驗(yàn)室，因此我們將設(shè)計(jì)一集內(nèi)壓/外壓、彎曲、載荷、加熱等功能于一體的大噸位3 000 t復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)。

2 總體設(shè)計(jì)

該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)將所有的試驗(yàn)項(xiàng)目集中于一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)操作方便、一機(jī)多任務(wù)運(yùn)行，如圖1所示，水壓（外壓/內(nèi)壓)、氣壓（內(nèi)壓)、彎曲、軸向加載等集中由中央控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和采集。軸向加載通過(guò)液壓系統(tǒng)和加載主體進(jìn)行加載，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的控制，液壓系統(tǒng)有4個(gè)泵，分別進(jìn)行軸向加載和彎曲加載。壓力和載荷集中于中央控制系統(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)具備原1 500 t沒(méi)有的外壓與軸向復(fù)合功能，加載能力應(yīng)達(dá)到最大拉伸載荷3 000 t，安裝方便，安全性高，并保留原1 500 t加載試驗(yàn)機(jī)的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、內(nèi)壓試驗(yàn)、加熱、檢漏等功能。

3 設(shè)計(jì)方法

圖1 復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)圖

3.1 試驗(yàn)機(jī)主體的設(shè)計(jì)

主體由后固定頭、前滑動(dòng)頭、液壓缸、側(cè)桿、載荷傳感器等組成一個(gè)自成平衡的載荷框架，如圖2所示。載荷由高性能液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，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。大噸位液壓缸的設(shè)計(jì)和制造嚴(yán)格控制質(zhì)量，摩擦力小，抗磨損、抗腐蝕性能強(qiáng)，并且易于維修。

滑動(dòng)頭和固定頭與側(cè)桿之間通過(guò)高強(qiáng)螺紋連接，固定頭和滑動(dòng)頭上桿連接單耳，單耳上有螺紋，試樣通過(guò)螺紋和相應(yīng)的連接件與單耳連接從而實(shí)現(xiàn)載荷傳遞。液壓缸與滑動(dòng)頭連接，并在另一頭連接傳感器，然后連接側(cè)桿和固定頭，并與試樣平行，在加載過(guò)程中兩個(gè)傳感器與試樣加載平行實(shí)現(xiàn)加載的真實(shí)可靠。

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)。圖2為進(jìn)行外壓與載荷復(fù)合試驗(yàn)時(shí)的簡(jiǎn)圖。

圖2 復(fù)合加載設(shè)備

3.2 外壓容器的設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足現(xiàn)有試驗(yàn)需求，并為將來(lái)更高的能力要求做準(zhǔn)備，本外壓容器設(shè)計(jì)最高承受壓力為210 MPa。外壓容器采用4140材料，鍛造加工成型，利用法蘭封堵兩端，并在內(nèi)部法蘭的外圈和內(nèi)圈分別放置內(nèi)外兩個(gè)密封圈，分別在外壓容器與法蘭之間和試樣與法蘭之間形成密封，并在水壓的作用下實(shí)現(xiàn)越加壓密封越緊的效果，如圖3所示。下方設(shè)計(jì)打壓孔，上方設(shè)計(jì)為測(cè)壓孔，試驗(yàn)時(shí)連接注水管到打壓孔上，注滿(mǎn)水后連接壓力傳感器到測(cè)壓孔上，打壓孔上換高壓管，開(kāi)始打壓，打壓過(guò)程中壓力傳感器實(shí)時(shí)采集壓力到中央控制系統(tǒng)形成曲線(xiàn)。

3.3 拉伸失效夾持裝置設(shè)計(jì)

圖3 外壓容器示意圖

由于新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品樣管的鋼級(jí)越來(lái)越高，進(jìn)行拉伸失效試驗(yàn)時(shí)所需的載荷也更高了，因此，對(duì)兩端的夾持固定提出了非?？量痰囊蟆榱送瓿筛咻d荷的夾持問(wèn)題，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的夾持裝置[2]（該夾持裝置已申請(qǐng)專(zhuān)利)，如圖4所示。該裝置利用斜面越加載夾持力越大的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，在初始安裝時(shí)，利用彈簧等將各滑塊鎖住，并固定在試樣上，安裝完成后，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)它們的接觸面和夾持裝置的斜面?zhèn)鬟f到試樣上，施加載荷。

圖4 拉伸失效試驗(yàn)示意圖

由于試樣大部分為9.625 in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，如圖1所示，以減少危險(xiǎn)的發(fā)生。

4 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，已順利進(jìn)行了20多套ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合力試驗(yàn)和十幾個(gè)拉伸失效試驗(yàn)。下面以外徑為244.48 mm，壁厚為11.99 mm，鋼級(jí)為P110套管的ISO 13679 A系列（外壓/內(nèi)壓+軸向拉/壓)[1]試驗(yàn)為例，說(shuō)明設(shè)備的外壓載荷復(fù)合能力。如圖5所示，試樣兩端連接螺紋端塞，這種連接較原1 500 t加載試驗(yàn)機(jī)的焊接連接方式方便、省時(shí)省力，外壓容器安裝于試驗(yàn)特殊扣的外部，端塞與外壓容器上分別安裝有壓力傳感器和高壓管，通過(guò)連接裝置與試驗(yàn)機(jī)主體的單耳連接。該試樣的試驗(yàn)載荷點(diǎn)如表1所示，循環(huán)該試驗(yàn)載荷點(diǎn)3次，試驗(yàn)成功完成，說(shuō)明該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)具備了外壓與軸向載荷復(fù)合能力。

圖5 外徑為9.625 in套管的外壓+拉/壓復(fù)合力試驗(yàn)

表1 外徑為244.48 mm套管ISO 13679 A系列部分

拉伸失效試驗(yàn)：以外徑273.05 mm，壁厚27 mm，鋼級(jí)TP140的樣管為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖6所示,當(dāng)拉伸載荷為3 196 t時(shí)樣管失效，失效瞬間，安全防護(hù)裝置和蓄能器對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行緩沖保護(hù)，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、人員和周?chē)h(huán)境未造成任何不良影響。該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行3 000 t載荷的加載，具備了目前國(guó)際較大軸向加載能力。

圖6 拉伸破壞試驗(yàn)載荷-時(shí)間曲線(xiàn)

5 結(jié)論

（1)該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)通過(guò)20多套ISO 13679復(fù)合力試驗(yàn)和十幾個(gè)拉伸失效試驗(yàn)，驗(yàn)證表明，該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)達(dá)到了一機(jī)多任務(wù)操作的目的，且操作方便、安全性高。

（2)通過(guò)外徑244.48 mm套管的ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)A系列試驗(yàn)實(shí)例，驗(yàn)證說(shuō)明該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)具備外壓與載荷復(fù)合功能。

（3)以外徑273.05 mm套管的拉伸失效試驗(yàn)為例，驗(yàn)證說(shuō)明該加載系統(tǒng)的載荷能力達(dá)到了3 000 t。

（4)該復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)有能力進(jìn)行ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)和目前國(guó)際鉆采井用管要求的高載荷、高外壓/內(nèi)壓等復(fù)合力試驗(yàn)，并且試樣安裝較以前更方便省力，安全性高。

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

[2]孫宇.復(fù)合加載夾持裝置[P].中國(guó):2008201436287，2009-10-07.

Design and Application of Complex Loading Testing Machine

Wang Shuangsuo,Zhang Limin,Sun Yu,Yang Yongchang,Liu Jiayong

A set of complex loading testing machine is introduced.The complex function of high load capacity and external pressure,not available on 1 500 t testing machine,is achieved on this type with the design of multi-task overall design,external pressurized vessel and clamping device.More than 20 compound force tests were carried out,which verified its external pressure load complex testing function,multi-task design,external pressure and load function,and 3 000 t high loading capacity.The sample of the new machine could be easily installed with saved energy.The safety device could buffer,which strengthened the safety of the machine.

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（收稿 2011－12－02 編輯 趙實(shí)鳴)

王雙鎖，男，副高級(jí)工程師，現(xiàn)任天津鋼管集團(tuán)股份有限公司設(shè)備部部長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事設(shè)備管理和相關(guān)技術(shù)工作。