管螺纹接头内外螺纹表面接触状态分布的测试方法技术

一种管螺纹接头内外螺纹表面接触状态分布的测试方法，通过在接箍轴向和周向均匀布置自补偿应变片，获得上卸扣过程中螺纹连接部位应力的变化信号，通过在接箍轴向和周向均匀布置温度传感器，测定上卸扣过程中螺纹连接部位产生的热信号，信号分别经动态应变仪和温度变送器送数据处理装置，得到油套管螺纹连接上卸扣过程中温度场和应力场的动态变化，在动态测试时采用扭矩仪控制上卸扣的扭矩，采用液压马达驱动花键轴控制上扣速度。本发明专利技术方法简单易行，测量准确，对分析油套管螺纹连接粘扣的机理，油管螺纹副在旋合接触域的配合质量，优化和改进螺纹牙设计，规范油田现场上卸扣操作有着重要意义。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，为检测石油管螺纹副在旋合接触域的配合质量提供有效实验评价方法，为规范上卸扣的操作方法提供科学依据，属于机械和摩擦学
正确认识管螺纹连接在上卸扣过程中温度场和应力场的分布是提高石油管螺纹连接性能的前提和基础。由于石油管螺纹是一种薄壁管型锥螺纹，内外螺纹的实际形面与理论形面的误差受多种因素(如加工、热处理、材料等)的影响，在旋合过程中，内外螺纹实际接触形面的接触状态很难用仿真计算等分析方法来准确评价；另一方面受载复杂，影响其连接性能的因素较多，用有限元等分析方法不能准确反映其应力场和温度场的实际状况。与本专利技术相关的现有技术中，王琍等发表的API圆螺纹套管接头应力场分布实验(北京科技大学学报，2000，Vol.22(6).555-558.)一文中介绍了一套从美国H.O.MOHR工程设计研究公司引进的全尺寸实物评价试验机，它包括上卸扣实验机、内压实验机和拉伸实验机三部分，采用的实验方案为接箍外部轴向均匀贴应变片。这种应力场的测定只能反应内外螺纹副之间接触压力在接箍轴向的分布状态，不能真实地反应其在接箍周向的应力分布状态。此外这种测试方法也未能测出上卸扣过程中由于上卸扣速度和螺纹副之间的摩擦力引起的螺纹连接部位温度场的变化。Eiji等人在模拟套管工作和下放工况下套管的许可扭矩(Eiji Tsuru，et al.Allowable Torque of Tubular Connection Under Simulated Running and WorkingConditions.SPE/IADC 29353，1995.)一文中介绍了一种测定复合载荷下套管螺纹连接许可扭矩的实验装置，此实验装置重点在于测试不同载荷下套管的许可扭矩，实验中采用热电偶来检测套管上紧过程中温度的变化，其测试方法及装置并不能对套管螺纹连接部位的应力场和温度场进行准确的测试。胡玉林等人在用光弹性法探讨石油套管螺纹连接的强度和密封性能(石油大学学报，1994(6)68-71)一文中提出了采用光弹性方法来测试内外螺纹副的接触状态，但是这种方法通过等差线及等倾线确定主应力非常烦琐，结果大多都是定性的，要想在油套管螺纹上卸扣过程中进行动态测试则难以实现。为实现这样的目的，本专利技术在设计的石油管螺纹上卸扣试验装置中，通过在接箍轴向(以固定间距L1)和周向(以固定夹角90°)均匀布置自补偿应变片来获得上卸扣过程中螺纹连接部位应力的变化信号，信号经过动态应变仪被磁带记录器记下，最后通过数据处理装置分析出上卸扣过程中螺纹连接部分应力场的动态分布；通过在接箍轴向(以固定间距L2)和周向(以固定夹角120°)均匀布置温度传感器来测定上卸扣过程中螺纹连接部位产生的热信号，信号首先经过温度变送器被数据处理装置分析，然后即可得出由于上卸扣过程中摩擦热引起的螺纹连接部位温度场的动态分布。同时在动态测试时采用标准的扭矩仪来控制上卸扣的扭矩，以防止过扭矩上扣；通过采用液压马达驱动花键轴来控制上扣速度。本专利技术的方法包括如下具体步骤1、在现场端管体与工厂端管体相连的接箍上分别均匀布置自补偿应变片和温度传感器，其中，自补偿应变片在接箍轴向均匀分布，在接箍周向布置四排，每一排应变片的夹角β为90°，温度传感器的布置占接箍长度的1/2并靠近现场端管体，在接箍周向共有3排，每一排的夹角α为120°。2、采用全桥接线方式连接好自补偿应变片，可以有效消除由于温度变化所引起的热应变。3、将贴好自补偿应变片和温度传感器的部分测试试样(包括接箍和工厂端管体，工厂端管体和接箍在出厂之前已经按照规定的扭矩上扣完毕)安放在实验平台上，工厂端管体与标准扭矩仪相连，并被固定在浮动支撑上。4、将现场端管体与夹具接头连接，夹具接头通过花健轴和安全离合器与液压马达相连，通过调整浮动支撑使现场端管体和接箍轴线对中。5、将与应变片和温度传感器连好的导线分别连接到应变仪和温度变送器上，最后都与数据处理装置相连。6、启动和调节液压马达使现场端管体达到合理地上扣速度和上扣扭矩(具体数值根据API RP 5C1标准来执行)，数据处理装置则动态地记录上扣过程引起接箍内部发生的应力和温度场的变化，最后处理相关记录数据，绘制出管螺纹连接内外螺纹副的真实接触状态示意图。本专利技术方法简单易行，而且可以准确测量油套管螺纹连接上卸扣过程中温度场和应力场的动态变化，所的结果对分析油套管螺纹连接粘扣的机理，油管螺纹副在旋合接触域的配合质量，优化和改进螺纹牙设计，规范油田现场上卸扣操作有着重要的理论意义和直接的经济效益； 附图说明图1中，1为工厂端管体，2为应力应变片，3为接箍，4为现场端管体，5为温度传感器。图2为本专利技术应变片接桥线路示意图。图3为本专利技术管螺纹上卸扣实验平台示意图。图3中，6为液压马达，7为固定支承，8为安全离合器，9为夹具接头，10为花键轴，11为扭矩仪，12为浮动支承，13为导线，4为现场端管体，5为接箍，1为工厂端管体。本专利技术的实施例为APIJ55φ139.7×7.72mm套管圆螺纹接头，以检测此型套管螺纹连接内外螺纹副在旋合接触域的配合质量和粘扣失效机理，具体测试步骤如下 1.对所用自补偿应变片和温度传感器进行标定，并记录标定结果；2.如图1所示，在与工厂端管体1和现场端管体4相连的接箍3上分别粘贴自补偿应变片2和温度传感器5(温度传感器为定做的，靠磁铁来固定)，其中自补偿应变片在轴向均匀分布，其间距L1主要是根据所测试的接箍长度和一排应变片的数量来计算，在周向共有4排应变片，每一排应变片间的夹角β为90°；温度传感器在接箍轴向上的分布也是均匀的，但是其仅占接箍长度的1/2，且靠近现场端管体，其间距L2主要是根据所测试的接箍长度的1/2和一排温度传感器的数量来计算，在周向共有3排温度传感器，每一排温度传感器的夹角α为120°。根据选定的贴片方案将接箍3上测点处打磨处理好，准确地划线、贴片，接好导线并做好防护，测点及导线都要有编号。3.如图2采用全桥接线方式连接好自补偿应变片。4.如图3所示，将贴好自补偿应变片和温度传感器的部分测试试样(包括接箍3和工厂端管体1，工厂端管体1和接箍3在出厂之前已经按照规定的扭矩上扣完毕)安放在实验平台上，工厂端管体1与标准扭矩仪11相连，并被固定在浮动支撑12上。5.如图3所示，将现场端管体4与夹具接头9连接，夹具接头9通过花健轴10和安全离合器8与液压马达6相连，通过调整浮动支撑12使现场端管体4和接箍3轴线对中。6.如图3所示，将与应变片和温度传感器连好的导线13分别连接到应变仪、磁带记录器和温度变送器上，最后都与数据处理装置相连。7.启动和调节液压马达使现场端管体达到一定的上扣速度和上扣扭矩，测试在不同上扣速度和扭矩下螺纹连接的受力状态，详细记录每一次上卸扣过程所使用上扣速度和上扣扭矩的数值。8.根据试样的几何参数，应变片和温度传感器的部位以及相应的测试数据，经过分析处理后绘出上卸扣过程中石油管螺纹连接应力场和温度场的分布状态。测试结果对准确分析APIJ55φ139.7×7.72mm套管圆螺纹接头内外螺纹副的接触状态，螺纹旋合区域的应力场、温度场与上卸扣速度、扭矩和螺纹副自身几何及物理参数的关系提供了科学依据，分析结果的准确性得到了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管螺纹接头内外螺纹表面接触状态分布的测试方法，其特征在于包括如下具体步骤：１）在现场端管体（４）与工厂端管体（１）相连的接箍（３）上分别均匀布置自补偿应变片（２）和温度传感器（５），其中，自补偿应变片（２）在接箍（３）轴向均匀分布， 在接箍（３）周向布置四排，每一排应变片的夹角β为９０°，温度传感器（５）的布置占接箍（３）长度的１／２并靠近现场端管体（４），在接箍（３）周向共有３排，每一排的夹角α为１２０°；２）采用全桥接线方式连接好自补偿应变片（２）；３）将贴 好自补偿应变片（２）和温度传感器（５）的接箍（３）和工厂端管体（１）安放在实验平台上，工厂端管体（１）与标准扭矩仪（１１）相连，并被固定在浮动支撑（１２）上；４）将现场端管体（４）与夹具接头（９）连接，夹具接头（９）通过花健轴（１０）和 安全离合器（８）与液压马达（６）相连，通过调整浮动支撑（１２）使现场端管体（４）和接箍（３）轴线对中；５）将与应变片（２）和温度传感器（５）连好的导线（１３）分别连接到应变仪和温度变送器上，最后都与数据处理装置相连；６）启动和调节液 压马达（６）使现场端管体（４）达到合理地上扣速度和上扣扭矩，数据处理装置则动态地记录上扣过程引起接箍（３）内部发生的应力和温度场的变化，最后处理相关记录数据，绘制出管螺纹连接内外螺纹副的真实接触状态示意图。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚振强，袁光杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]