复合加载试验机的设计及应用

2011-09-21王双锁张丽敏孙宇杨永昌刘家泳

中国钢铁业 2011年12期

关键词：外压蓄能器内压

王双锁张丽敏孙宇杨永昌刘家泳

复合加载试验机的设计及应用

王双锁张丽敏孙宇杨永昌刘家泳

结合目前的国际上对石油天然气油套管整管使用性能评价试验越来越苛刻的要求及实际使用情况，阐述了复合加载试验机的总体设计思路和工作原理等，并通过试验验证了3000t复合加载试验机的功能、精度和安全性，取得了优良效果。

复合加载试验机外压 ISO13679试验

目前，石油行业随着深井、超深井、热采井等复杂井况连续出现，加大了石油天然气钻采难度，同时对石油天然气用油套管提出了更高的要求，拉伸载荷大都超过了1500吨，并增加了外压与载荷复合要求。现有1500吨立式加载试验机已不能满足要求，必须增加外压能力，提高加载能力。为适应石油行业的发展，在对现有国内外试验机分析研究后，我国设计了3000吨世界同行业最大吨位的复合加载试验机，以满足不断苛刻的试验要求。

1.总体设计

中央控制系统集中控制试验机加载主体、水压、气压、数据采集系统、三点弯曲和四点弯曲装置、安全保护系统；最终实现轴向拉伸、轴向压缩、弯曲、内压/外压等复合加载。

该复合加载试验机能力应达到以下要求：最大拉伸载荷3000吨，最大压缩载荷1800吨，可进行外压和轴向载荷复合试验，外压加弯曲复合试验，整机精度不超过±1%[1]，安装方便，安全性高，并保留原1500t试验机的功能：四点弯曲试验、内压试验、检漏装置等。其总体设计图如图1所示。

2.复合加载试验机工作原理

2.1复合力试验

复合加载试验机拥有高性能液压系统，驱动液压缸，通过高强度的机械主体：固定头、滑动头、侧杆、单耳等实现高强载荷的传递，加载到试样上进行高载荷拉伸或压缩，如图2所示。配合外压高压釜、弯曲加载装置及加热设备，进行拉/压+内/外压、拉/压+弯曲+内压、拉+内压+加热等复合力试验及热循环试验。试样通过螺纹与载荷架连接，与立式载荷架相比安装更方便、安装精度更高。

2.2破坏性试验

在进行拉伸破坏性试验时，设计了专用的夹持装置，如图3所示，在安装于试验机之前将试样两端夹持装置[3]，在试验机的单耳处放置连接箱体的下半部分，将安装好夹持装置的试样放到试验机上，保证夹持装置在连接箱体内，然后扣上连接箱体的下半部分，至此拉伸破坏性试样的安装完成。当进行拉伸失效试验时，载荷通过液压系统传递到试验机主体上，并通过主体的单耳传递到连接箱体，夹持装置置于箱体内，载荷通过他们的接触面和加持装置的斜面传递到试样上，施加载荷，由于试样大部分为9.625in以上试样，当试样失效时，对设备冲击很大，而且危险性也相当大，针对该情况，试验机上还安装了蓄能器和安全防护装置，以减少危险的发生。

液压缸上安装的蓄能器可减少断裂瞬间对载荷架的冲击，其工作原理[2]如图4所示，破坏试验前打开蓄能器（4）前的阀门（6），试样断裂前，液压泵（3）将油箱（2）里的液压油（1）增压，通过管路①将液压油打入油缸（8）中，从而推动活塞杠（7）移动，同时液压油受挤压通过管路②回流进油箱；当载荷达到管子的屈服强度时，管子断裂，活塞前的油压瞬间减少，而活塞后面的油压瞬间增大，此时液压油除通过管路②回流进油箱外，还会通过，管路③进入蓄能器，压缩氮气囊，最后再通过管路②回流进油箱，从而很大程度降低试样断裂对设备的冲击。

3.试验机的应用

复合加载试验机制造安装完成后，已进行了50多套ISO 13679标准复合力试验。该试样的试验方案如表1。

拉伸破坏性试验：以外径：273.05，壁厚：27mm，钢级：TP140的样管为例进行说明，如图5所示当拉伸载荷为3196Kips时样管失效，失效瞬间，蓄能器油路打开对试验机进行缓冲保护。

4. 结论

通过外径9.625in试样的ISO 13679标准试验，验证了3000吨复合加载试验机的设计思路符合目前石油天然气行业用油套管的要求，其载荷能力、试验功能和载荷精度达到ISO 13679标准，有能力进行高载荷、高外压/内压等复合力试验，具备拉伸破坏性试验能力，且精度达到设计要求，并保证了设备和人身安全。