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 （天津钢管集团股份有限公司，天津 300301)

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 （天津钢管集团股份有限公司，天津 300301)

介绍了一套复合加载试验机。通过一机多任务的总体设计、外压容器和夹持装置的设计，增加了以前1 500 t试验机不能达到的高载荷能力和外压复合功能。经过20多套复合力试验，验证了该加载试验机具备外压载荷复合试验功能，可实现一机多任务设计、外压与载荷复合功能以及3 000 t的高加载能力，且该试验机的试样安装较以前方便省力，安全装置起到缓冲作用，安全性高。

复合 试验机 载荷 压力 设计 应用

1 引言

近年来，深井、超深井、热采井等复杂井况的连续出现加大了石油天然气钻采的难度，与此同时，对钻采用油套管的性能要求也越来越高。整管使用性能评价试验可直接体现管材性能，为了评价油套管的整管性能，则需要配备相应的试验设备。

关于整管使用性能评价设备，我公司已有一最大载荷可到1 500 t的复合力试验机。但是按照目前ISO 13679标准[1]和国际上各石油公司对油套管产品的使用性能要求，石油天然气油套管必须可承受内压弯曲与轴向载荷复合、外压与轴向载荷复合、内压拉载与热循环复合，以及拉伸失效预测管材的极限值等项目。现有试验设备缺少外压与载荷复合功能，且加载能力已不能满足大规格（如ø273 mm)大载荷要求。根据目前油套管的使用情况，整管使用性能评价试验设备加载能力应达到2 000 t以上，例如4 000 m以上的深井环境。因此，急需一高吨位多功能的复合加载试验机，以满足外压与轴向载荷复合功能和2 000 t以上加载能力要求，并保留原内压、载荷、热循环功能。为了同时满足现有及未来更高载荷要求，国际上已有加载吨位到3 000 t的试验室，因此我们将设计一集内压/外压、弯曲、载荷、加热等功能于一体的大吨位3 000 t复合加载试验机。

2 总体设计

该复合加载试验机将所有的试验项目集中于一个系统进行控制，以实现操作方便、一机多任务运行，如图1所示，水压（外压/内压)、气压（内压)、弯曲、轴向加载等集中由中央控制系统进行控制和采集。轴向加载通过液压系统和加载主体进行加载，由数据采集系统进行实时反馈，实现对载荷的控制，液压系统有4个泵，分别进行轴向加载和弯曲加载。压力和载荷集中于中央控制系统，最终实现轴向拉伸、轴向压缩、弯曲、内压/外压等复合加载。

该复合加载试验机具备原1 500 t没有的外压与轴向复合功能，加载能力应达到最大拉伸载荷3 000 t，安装方便，安全性高，并保留原1 500 t加载试验机的四点弯曲试验、内压试验、加热、检漏等功能。

3 设计方法

图1 复合加载试验机总体设计图

3.1 试验机主体的设计

主体由后固定头、前滑动头、液压缸、侧杆、载荷传感器等组成一个自成平衡的载荷框架，如图2所示。载荷由高性能液压系统驱动，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。大吨位液压缸的设计和制造严格控制质量，摩擦力小，抗磨损、抗腐蚀性能强，并且易于维修。

滑动头和固定头与侧杆之间通过高强螺纹连接，固定头和滑动头上杆连接单耳，单耳上有螺纹，试样通过螺纹和相应的连接件与单耳连接从而实现载荷传递。液压缸与滑动头连接，并在另一头连接传感器，然后连接侧杆和固定头，并与试样平行，在加载过程中两个传感器与试样加载平行实现加载的真实可靠。

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。图2为进行外压与载荷复合试验时的简图。

图2 复合加载设备

3.2 外压容器的设计

为了满足现有试验需求，并为将来更高的能力要求做准备，本外压容器设计最高承受压力为210 MPa。外压容器采用4140材料，锻造加工成型，利用法兰封堵两端，并在内部法兰的外圈和内圈分别放置内外两个密封圈，分别在外压容器与法兰之间和试样与法兰之间形成密封，并在水压的作用下实现越加压密封越紧的效果，如图3所示。下方设计打压孔，上方设计为测压孔，试验时连接注水管到打压孔上，注满水后连接压力传感器到测压孔上，打压孔上换高压管，开始打压，打压过程中压力传感器实时采集压力到中央控制系统形成曲线。

3.3 拉伸失效夹持装置设计

图3 外压容器示意图

由于新开发产品样管的钢级越来越高，进行拉伸失效试验时所需的载荷也更高了，因此，对两端的夹持固定提出了非常苛刻的要求。为了完成高载荷的夹持问题，设计了专用的夹持装置[2]（该夹持装置已申请专利)，如图4所示。该装置利用斜面越加载夹持力越大的原理进行设计，在初始安装时，利用弹簧等将各滑块锁住，并固定在试样上，安装完成后，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，载荷通过它们的接触面和夹持装置的斜面传递到试样上，施加载荷。

图4 拉伸失效试验示意图

由于试样大部分为9.625 in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，如图1所示，以减少危险的发生。

4 试验机的应用

复合加载试验机制造安装完成后，已顺利进行了20多套ISO 13679标准复合力试验和十几个拉伸失效试验。下面以外径为244.48 mm，壁厚为11.99 mm，钢级为P110套管的ISO 13679 A系列（外压/内压+轴向拉/压)[1]试验为例，说明设备的外压载荷复合能力。如图5所示，试样两端连接螺纹端塞，这种连接较原1 500 t加载试验机的焊接连接方式方便、省时省力，外压容器安装于试验特殊扣的外部，端塞与外压容器上分别安装有压力传感器和高压管，通过连接装置与试验机主体的单耳连接。该试样的试验载荷点如表1所示，循环该试验载荷点3次，试验成功完成，说明该复合加载试验机具备了外压与轴向载荷复合能力。

图5 外径为9.625 in套管的外压+拉/压复合力试验

表1 外径为244.48 mm套管ISO 13679 A系列部分

拉伸失效试验：以外径273.05 mm，壁厚27 mm，钢级TP140的样管为例进行说明。如图6所示,当拉伸载荷为3 196 t时样管失效，失效瞬间，安全防护装置和蓄能器对试验机进行缓冲保护，对试验设备、人员和周围环境未造成任何不良影响。该复合加载试验机可以进行3 000 t载荷的加载，具备了目前国际较大轴向加载能力。

图6 拉伸破坏试验载荷-时间曲线

5 结论

（1)该复合加载试验机通过20多套ISO 13679复合力试验和十几个拉伸失效试验，验证表明，该复合加载试验机的总体设计达到了一机多任务操作的目的，且操作方便、安全性高。

（2)通过外径244.48 mm套管的ISO 13679标准A系列试验实例，验证说明该复合加载试验机具备外压与载荷复合功能。

（3)以外径273.05 mm套管的拉伸失效试验为例，验证说明该加载系统的载荷能力达到了3 000 t。

（4)该复合加载试验机有能力进行ISO 13679标准和目前国际钻采井用管要求的高载荷、高外压/内压等复合力试验，并且试样安装较以前更方便省力，安全性高。

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

[2]孙宇.复合加载夹持装置[P].中国: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.

complex,testing machine,loading,pressure,design

（收稿 2011－12－02 编辑 赵实鸣)

王双锁，男，副高级工程师，现任天津钢管集团股份有限公司设备部部长，长期从事设备管理和相关技术工作。