API圆螺纹套管接头应力场分布实验

　　套管接头粘扣、泄漏和滑脱失效都产生在接头螺纹牙部位,而影响其发生失效的因素很多,既包括接头本身几何参数的影响,也受到油田操作工艺和载荷工况的影响.要想从实验手段得到螺纹牙的力学性能,采用直接测量方法是无法实现的.为此,本论文通过在螺纹接头外壁上贴应变片的方法,用美国H.o.MOHR工程设计研究公司生产的全尺寸实物评价设备,研究了套管接头在受装配、内压和拉伸工况载荷条件下,套管接头的应力场分布.同时还测量了装配扭矩随上紧圈数的变化,以及滑脱力的大小.

　　1实验设备和实验方案

　　实验设备选用从美国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.数据采集通过有120个应变片通道的计算机控制系统进行.

　　1.1实验设备

　　(1)上卸扣实验设备.设备主要由计算机采集监控系统、液压大钳、大钳配重、固定链和底座组成.上卸扣时,大钳的扭矩通过力传感器测得,转速通过速度传感器测得.计算机采集监控系统可以实时输出扭矩和时间、扭矩和圈数,以及上卸扣转速和时间、转速和圈数的函数曲线.大钳的最大扭矩是3.39x10⁴N·m,精度为±1%.

　　(2)内压实验设备.内压实验设备主要由计算机采集监控系统、密封装置、压力传感器、气泵等组成.气泵通过单向阀把自来水打入两边密封好的试样,传感器把测得的试样内部压力输入计算机,进行实时监控显示.计算机可以输出压力与时间的关系曲线.最大加压载荷为206.85MPa,精度为土0.5%.

　　(3)拉伸实验设备.该设备主要由计算机采集监控系统、8个液压缸、样本两端固定装置、力传感器、位移传感器和立柱架组成.计算机采集控制系统可以显示拉伸力与时间、拉伸力与位移的变化曲线.最大拉伸载荷为13350咖,精度为士1%.

　　1.2实验方案

　　(1)样本规格和应变片的布置.实验样本的规格为139.7rnrnx7.72rnrn,单位质量为25.3kg/m,钢级为J55,扣型为LCSG.采用接箍外部贴片,如图1为贴片图.

　　(2)实验步骤.实验分为3个步骤:第1步,样本的几何参数测量,包括:锥度、螺距、齿高、紧密距等;第2步,贴应变片、布线、仪器调平衡;第3步,进行实验.在上扣情况下,分别在手紧位置、上紧1圈、上紧2圈、上紧3圈进行相应的应变和扭矩测量;在压力情况下,分别在6.595,13.79,20.685和27.58Mpa下进行了应变测量;在拉伸情况时,分别在3n.36,533.76,756.16,975.56,1200.96咖的拉力下进行了应变的测量,还测量了滑脱力.

　　2实验结果与分析

　　2.1上扣工况应力场分布与结果分析

　　图2表示上扣工况时的接箍外表面环向应力和轴向应力的应力场分布,图中为研究点距接箍部距离.在实验端,最大环向应力距接箍端部距离为28111111,大致在第2齿之间;最大轴向应力距接箍端部距离为18~,大致在第1齿上,这与实际使用情况以及有限元理论计算结果相吻合,即套管在接箍端部第1齿容易发生粘扣.从应力大小看出,实验端上扣对接箍工厂端外表面应力影响不大.同时还测量了上扣1,2,3圈时上紧扭矩的变化大小,其值分别为843.43,1758.73和3878.16N·m,终值小于APIRP5CI中规定的最大值4190.04N·m.从紧密距测量值可知,实验端管体紧密距为3.nr。幻n,接箍紧密距为2.575~,形象地说属于大脑袋带小帽子.这样的紧密距相互配合,在基本机紧条件下,会产生外露扣.事实上通过测量,上紧后外露扣长度为2.srn幻。,如果不产生外露扣,势必使得扭矩增大,因此,优选紧密距范围,对控制上扣操作时外露扣和扭矩2个参数至关重要.