頂驅(qū)下套管裝置是一種集機(jī)械、液壓于一體的，用于下套管作業(yè)或者作為套管鉆井驅(qū)動的專用設(shè)備。目前，隨著深井、超深井、大位移水平井及復(fù)雜井的不斷增多，頂驅(qū)下套管裝置越來越多地應(yīng)用于高難度套管下放作業(yè)中。所以，裝置的機(jī)械可靠性已成為其性能指標(biāo)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。但由于自身結(jié)構(gòu)和實(shí)際載荷條件的復(fù)雜性，常規(guī)理論模型難以精確分析計算。為此，有必要采用試驗(yàn)測試技術(shù)對裝置的實(shí)際工作性能、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行測試、分析和評價。

本文針對頂驅(qū)下套管裝置的自身特點(diǎn)，基于應(yīng)變電測技術(shù)的基本原理及測試方法，對裝置關(guān)鍵零部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試，實(shí)時觀測應(yīng)力變化情況，為修正和完善設(shè)計計算理論、驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及機(jī)械性能的穩(wěn)定性提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

應(yīng)力應(yīng)變測試方案

測試內(nèi)容

為測試頂驅(qū)下套管裝置的實(shí)際工作性能、可靠性和穩(wěn)定性，在靜載拉伸試驗(yàn)臺對該裝置進(jìn)行模擬實(shí)際工況下的拉力試驗(yàn)。啟動靜載試驗(yàn)臺液壓站進(jìn)行連續(xù)加載，直至裝置的額定抗拉載荷和1.5倍額定抗拉載荷，在加載過程中，對頂驅(qū)下套管裝置關(guān)鍵零部件的應(yīng)變數(shù)據(jù)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理和分析。

儀器介紹

儀器采用聚航科技的JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀，儀器模塊化設(shè)計，軟件式操作，數(shù)據(jù)實(shí)時保存，可自動生成報表，精度高，測量結(jié)果準(zhǔn)確。

貼片方案及應(yīng)力計算

測試過程中共布置了6個單向應(yīng)變片，11個三向應(yīng)變花。其中，圍繞主傳載軸一周對稱布置4個單向應(yīng)變片，用以標(biāo)定和監(jiān)測加載載荷值；在測試用套管軸上軸向?qū)ΨQ位置布置2個單向應(yīng)變片，用以測試軸向拉力；圍繞頂驅(qū)下套管裝置卡瓦托的被測部位周向?qū)ΨQ布置8個三向應(yīng)變花，沿卡瓦心軸軸向布置3個三向應(yīng)變花，實(shí)時測試模擬工作狀態(tài)下關(guān)鍵部位的應(yīng)變、應(yīng)力值。

載荷測試與標(biāo)定

載荷測試采用的方法是在靜載拉伸試驗(yàn)臺的主傳載軸上對稱粘貼4個單向應(yīng)變片，以消除加載過程中偏心的影響。載荷值取測試時主傳載軸上4個應(yīng)變片的平均值作為計算值，進(jìn)而得到實(shí)際載荷。

測試結(jié)果分析

載荷測試結(jié)果

測試過程中，靜載試驗(yàn)臺通過液壓站進(jìn)行連續(xù)加載，為驗(yàn)證應(yīng)變片載荷測試的正確性，將泵壓換算出的理論載荷與應(yīng)變片所測載荷進(jìn)行對比。如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)在加載過程中，4個單向應(yīng)變片的數(shù)據(jù)比較一致。由于任何受軸向拉伸的結(jié)構(gòu)，偏心不可避免，在測試過程中，采用4個應(yīng)變片取平均值方法，消除偏心對測量精度的影響，從圖中可知，應(yīng)變片所測的平均載荷與現(xiàn)場液壓監(jiān)測數(shù)據(jù)保持了良好的對應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵零部件測試結(jié)果分析

頂驅(qū)下套管裝置在連續(xù)加載過程中各關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果說明如下：卡瓦心軸Mises等效應(yīng)力與載荷關(guān)系曲線如圖2所示；卡瓦托Mises等效應(yīng)力與載荷關(guān)系如圖3所示；卡瓦心軸、卡瓦托所受載荷與主應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

在加載至額定抗拉載荷（4500KN）過程中，由圖2和圖4可以看出，卡瓦心軸在測試過程中等效應(yīng)力與應(yīng)變隨載荷的變化均呈線性趨勢，未出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象。如圖2所示，對于同一測試部位，沿周向?qū)ΨQ所測等效應(yīng)力一載荷曲線基本重合，在加載至額定抗拉載荷時，卡瓦心軸中部最大等效應(yīng)力相當(dāng)于0.46σ_s；繼續(xù)加載至1.5倍額定抗拉載荷（6750KN）時，等效應(yīng)力隨載荷變化的規(guī)律基本一致，各測點(diǎn)仍處于彈性范圍內(nèi)，最大等效應(yīng)力相當(dāng)于0.57σ_s。

卡瓦托在測試過程中等效應(yīng)力與應(yīng)變隨載荷的變化曲線如圖3-4所示，其中，圖3為三個最大等效應(yīng)力結(jié)果。在加載至額定抗拉載荷的過程中，等效應(yīng)力與應(yīng)變隨載荷的變化均呈現(xiàn)良好的線性趨勢，未出現(xiàn)明顯屈服。當(dāng)加載至額定抗拉載荷時，卡瓦托最大等效應(yīng)力相當(dāng)于0.64σ_s； 繼續(xù)加載至1.5倍額定抗拉載荷的過程中，等效應(yīng)力-載荷曲線呈非線性分布；這時，材料已進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段，如圖4所示，但它具有一定承載能力，直至最大載荷時，該處材料未發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象。

結(jié)論

本文針對頂驅(qū)下套管裝置性能驗(yàn)證過程中，可采用應(yīng)力應(yīng)變電測技術(shù)，對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試。測試結(jié)果為鑒定結(jié)構(gòu)可靠性提供了必要的參數(shù)，為改進(jìn)設(shè)計方案提供了必要依據(jù)，確保了產(chǎn)品設(shè)計過程中的合理性、科學(xué)性。