顶驱下套管装置应力应变测试研究

顶驱下套管装置是一种集机械、液压于一体的，用于下套管作业或者作为套管钻井驱动的专用设备。目前，随着深井、超深井、大位移水平井及复杂井的不断增多，顶驱下套管装置越来越多地应用于高难度套管下放作业中。所以，装置的机械可靠性已成为其性能指标的一项重要内容。但由于自身结构和实际载荷条件的复杂性，常规理论模型难以精确分析计算。为此，有必要采用试验测试技术对装置的实际工作性能、可靠性和稳定性进行测试、分析和评价。

本文针对顶驱下套管装置的自身特点，基于应变电测技术的基本原理及测试方法，对装置关键零部件进行应力应变测试，实时观测应力变化情况，为修正和完善设计计算理论、验证结构设计的合理性以及机械性能的稳定性提供了可靠的实验依据。

应力应变测试方案

测试内容

为测试顶驱下套管装置的实际工作性能、可靠性和稳定性，在静载拉伸试验台对该装置进行模拟实际工况下的拉力试验。启动静载试验台液压站进行连续加载，直至装置的额定抗拉载荷和1.5倍额定抗拉载荷，在加载过程中，对顶驱下套管装置关键零部件的应变数据同步进行数据采集处理和分析。

仪器介绍

仪器采用聚航科技的JHYC静态应变仪，仪器模块化设计，软件式操作，数据实时保存，可自动生成报表，精度高，测量结果准确。

贴片方案及应力计算

测试过程中共布置了6个单向应变片，11个三向应变花。其中，围绕主传载轴一周对称布置4个单向应变片，用以标定和监测加载载荷值；在测试用套管轴上轴向对称位置布置2个单向应变片，用以测试轴向拉力；围绕顶驱下套管装置卡瓦托的被测部位周向对称布置8个三向应变花，沿卡瓦心轴轴向布置3个三向应变花，实时测试模拟工作状态下关键部位的应变、应力值。

载荷测试与标定

载荷测试采用的方法是在静载拉伸试验台的主传载轴上对称粘贴4个单向应变片，以消除加载过程中偏心的影响。载荷值取测试时主传载轴上4个应变片的平均值作为计算值，进而得到实际载荷。

测试结果分析

载荷测试结果

测试过程中，静载试验台通过液压站进行连续加载，为验证应变片载荷测试的正确性，将泵压换算出的理论载荷与应变片所测载荷进行对比。如图1所示，可以发现在加载过程中，4个单向应变片的数据比较一致。由于任何受轴向拉伸的结构，偏心不可避免，在测试过程中，采用4个应变片取平均值方法，消除偏心对测量精度的影响，从图中可知，应变片所测的平均载荷与现场液压监测数据保持了良好的对应关系。

关键零部件测试结果分析

顶驱下套管装置在连续加载过程中各关键部位的应力应变测试结果说明如下：卡瓦心轴Mises等效应力与载荷关系曲线如图2所示；卡瓦托Mises等效应力与载荷关系如图3所示；卡瓦心轴、卡瓦托所受载荷与主应变关系曲线如图4所示。

在加载至额定抗拉载荷（4500KN）过程中，由图2和图4可以看出，卡瓦心轴在测试过程中等效应力与应变随载荷的变化均呈线性趋势，未出现明显屈服现象。如图2所示，对于同一测试部位，沿周向对称所测等效应力一载荷曲线基本重合，在加载至额定抗拉载荷时，卡瓦心轴中部最大等效应力相当于0.46σ_s；继续加载至1.5倍额定抗拉载荷（6750KN）时，等效应力随载荷变化的规律基本一致，各测点仍处于弹性范围内，最大等效应力相当于0.57σ_s。

卡瓦托在测试过程中等效应力与应变随载荷的变化曲线如图3-4所示，其中，图3为三个最大等效应力结果。在加载至额定抗拉载荷的过程中，等效应力与应变随载荷的变化均呈现良好的线性趋势，未出现明显屈服。当加载至额定抗拉载荷时，卡瓦托最大等效应力相当于0.64σ_s； 继续加载至1.5倍额定抗拉载荷的过程中，等效应力-载荷曲线呈非线性分布；这时，材料已进入塑性强化阶段，如图4所示，但它具有一定承载能力，直至最大载荷时，该处材料未发生明显破坏现象。

结论

本文针对顶驱下套管装置性能验证过程中，可采用应力应变电测技术，对其关键零部件进行应力应变测试。测试结果为鉴定结构可靠性提供了必要的参数，为改进设计方案提供了必要依据，确保了产品设计过程中的合理性、科学性。