復合加載試驗機的設計及應用

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

復合加載試驗機的設計及應用

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

介紹了一套復合加載試驗機。通過一機多任務的總體設計、外壓容器和夾持裝置的設計，增加了以前1 500 t試驗機不能達到的高載荷能力和外壓復合功能。經過20多套復合力試驗，驗證了該加載試驗機具備外壓載荷復合試驗功能，可實現一機多任務設計、外壓與載荷復合功能以及3 000 t的高加載能力，且該試驗機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。

復合 試驗機 載荷 壓力 設計 應用

1 引言

近年來，深井、超深井、熱采井等復雜井況的連續出現加大了石油天然氣鉆采的難度，與此同時，對鉆采用油套管的性能要求也越來越高。整管使用性能評價試驗可直接體現管材性能，為了評價油套管的整管性能，則需要配備相應的試驗設備。

關于整管使用性能評價設備，我公司已有一最大載荷可到1 500 t的復合力試驗機。但是按照目前ISO 13679標準[1]和國際上各石油公司對油套管產品的使用性能要求，石油天然氣油套管必須可承受內壓彎曲與軸向載荷復合、外壓與軸向載荷復合、內壓拉載與熱循環復合，以及拉伸失效預測管材的極限值等項目。現有試驗設備缺少外壓與載荷復合功能，且加載能力已不能滿足大規格（如?273 mm)大載荷要求。根據目前油套管的使用情況，整管使用性能評價試驗設備加載能力應達到2 000 t以上，例如4 000 m以上的深井環境。因此，急需一高噸位多功能的復合加載試驗機，以滿足外壓與軸向載荷復合功能和2 000 t以上加載能力要求，并保留原內壓、載荷、熱循環功能。為了同時滿足現有及未來更高載荷要求，國際上已有加載噸位到3 000 t的試驗室，因此我們將設計一集內壓/外壓、彎曲、載荷、加熱等功能于一體的大噸位3 000 t復合加載試驗機。

2 總體設計

該復合加載試驗機將所有的試驗項目集中于一個系統進行控制，以實現操作方便、一機多任務運行，如圖1所示，水壓（外壓/內壓)、氣壓（內壓)、彎曲、軸向加載等集中由中央控制系統進行控制和采集。軸向加載通過液壓系統和加載主體進行加載，由數據采集系統進行實時反饋，實現對載荷的控制，液壓系統有4個泵，分別進行軸向加載和彎曲加載。壓力和載荷集中于中央控制系統，最終實現軸向拉伸、軸向壓縮、彎曲、內壓/外壓等復合加載。

該復合加載試驗機具備原1 500 t沒有的外壓與軸向復合功能，加載能力應達到最大拉伸載荷3 000 t，安裝方便，安全性高，并保留原1 500 t加載試驗機的四點彎曲試驗、內壓試驗、加熱、檢漏等功能。

3 設計方法

圖1 復合加載試驗機總體設計圖

3.1 試驗機主體的設計

主體由后固定頭、前滑動頭、液壓缸、側桿、載荷傳感器等組成一個自成平衡的載荷框架，如圖2所示。載荷由高性能液壓系統驅動，通過高強度的機械主體——固定頭、滑動頭、側桿、單耳等實現高強載荷的傳遞，加載到試樣上，進行高載荷拉伸或壓縮。大噸位液壓缸的設計和制造嚴格控制質量，摩擦力小，抗磨損、抗腐蝕性能強，并且易于維修。

滑動頭和固定頭與側桿之間通過高強螺紋連接，固定頭和滑動頭上桿連接單耳，單耳上有螺紋，試樣通過螺紋和相應的連接件與單耳連接從而實現載荷傳遞。液壓缸與滑動頭連接，并在另一頭連接傳感器，然后連接側桿和固定頭，并與試樣平行，在加載過程中兩個傳感器與試樣加載平行實現加載的真實可靠。

配合外壓高壓釜、彎曲加載裝置及加熱設備，進行拉/壓+內/外壓、拉/壓+彎曲+內壓、拉+內壓+加熱等復合力試驗及熱循環試驗。圖2為進行外壓與載荷復合試驗時的簡圖。

圖2 復合加載設備

3.2 外壓容器的設計

為了滿足現有試驗需求，并為將來更高的能力要求做準備，本外壓容器設計最高承受壓力為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，并在內部法蘭的外圈和內圈分別放置內外兩個密封圈，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現越加壓密封越緊的效果，如圖3所示。下方設計打壓孔，上方設計為測壓孔，試驗時連接注水管到打壓孔上，注滿水后連接壓力傳感器到測壓孔上，打壓孔上換高壓管，開始打壓，打壓過程中壓力傳感器實時采集壓力到中央控制系統形成曲線。

3.3 拉伸失效夾持裝置設計

圖3 外壓容器示意圖

由于新開發產品樣管的鋼級越來越高，進行拉伸失效試驗時所需的載荷也更高了，因此，對兩端的夾持固定提出了非常苛刻的要求。為了完成高載荷的夾持問題，設計了專用的夾持裝置[2]（該夾持裝置已申請專利)，如圖4所示。該裝置利用斜面越加載夾持力越大的原理進行設計，在初始安裝時，利用彈簧等將各滑塊鎖住，并固定在試樣上，安裝完成后，在試驗機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機上，保證夾持裝置在連接箱體內，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。當進行拉伸失效試驗時，載荷通過液壓系統傳遞到試驗機主體上，并通過主體的單耳傳遞到連接箱體，夾持裝置置于箱體內，載荷通過它們的接觸面和夾持裝置的斜面傳遞到試樣上，施加載荷。

圖4 拉伸失效試驗示意圖

由于試樣大部分為9.625 in以上試樣，當試樣失效時，對設備沖擊很大，而且危險性也相當大。針對該情況，試驗機上還安裝了蓄能器和安全防護裝置，如圖1所示，以減少危險的發生。

4 試驗機的應用

復合加載試驗機制造安裝完成后，已順利進行了20多套ISO 13679標準復合力試驗和十幾個拉伸失效試驗。下面以外徑為244.48 mm，壁厚為11.99 mm，鋼級為P110套管的ISO 13679 A系列（外壓/內壓+軸向拉/壓)[1]試驗為例，說明設備的外壓載荷復合能力。如圖5所示，試樣兩端連接螺紋端塞，這種連接較原1 500 t加載試驗機的焊接連接方式方便、省時省力，外壓容器安裝于試驗特殊扣的外部，端塞與外壓容器上分別安裝有壓力傳感器和高壓管，通過連接裝置與試驗機主體的單耳連接。該試樣的試驗載荷點如表1所示，循環該試驗載荷點3次，試驗成功完成，說明該復合加載試驗機具備了外壓與軸向載荷復合能力。

圖5 外徑為9.625 in套管的外壓+拉/壓復合力試驗

表1 外徑為244.48 mm套管ISO 13679 A系列部分

拉伸失效試驗：以外徑273.05 mm，壁厚27 mm，鋼級TP140的樣管為例進行說明。如圖6所示,當拉伸載荷為3 196 t時樣管失效，失效瞬間，安全防護裝置和蓄能器對試驗機進行緩沖保護，對試驗設備、人員和周圍環境未造成任何不良影響。該復合加載試驗機可以進行3 000 t載荷的加載，具備了目前國際較大軸向加載能力。

圖6 拉伸破壞試驗載荷-時間曲線

5 結論

（1)該復合加載試驗機通過20多套ISO 13679復合力試驗和十幾個拉伸失效試驗，驗證表明，該復合加載試驗機的總體設計達到了一機多任務操作的目的，且操作方便、安全性高。

（2)通過外徑244.48 mm套管的ISO 13679標準A系列試驗實例，驗證說明該復合加載試驗機具備外壓與載荷復合功能。

（3)以外徑273.05 mm套管的拉伸失效試驗為例，驗證說明該加載系統的載荷能力達到了3 000 t。

（4)該復合加載試驗機有能力進行ISO 13679標準和目前國際鉆采井用管要求的高載荷、高外壓/內壓等復合力試驗，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.復合加載夾持裝置[P].中國: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 趙實鳴)

王雙鎖，男，副高級工程師，現任天津鋼管集團股份有限公司設備部部長，長期從事設備管理和相關技術工作。