頂驅(qū)下套管裝置是一種集機械、液壓于一體的，用于下套管作業(yè)或者作為套管鉆井驅(qū)動的專用設備。目前，隨著深井、超深井、大位移水平井及復雜井的不斷增多，頂驅(qū)下套管裝置越來越多地應用于高難度套管下放作業(yè)中。所以，裝置的機械可靠性已成為其性能指標的一項重要內(nèi)容。但由于自身結(jié)構(gòu)和實際載荷條件的復雜性，常規(guī)理論模型難以精確分析計算。為此，有必要采用試驗測試技術(shù)對裝置的實際工作性能、可靠性和穩(wěn)定性進行測試、分析和評價。
本文針對頂驅(qū)下套管裝置的自身特點，基于應變電測技術(shù)的基本原理及測試方法，對裝置關(guān)鍵零部件進行應力應變測試，實時觀測應力變化情況，為修正和完善設計計算理論、驗證結(jié)構(gòu)設計的合理性以及機械性能的穩(wěn)定性提供了可靠的實驗依據(jù)。
應力應變測試方案
測試內(nèi)容
為測試頂驅(qū)下套管裝置的實際工作性能、可靠性和穩(wěn)定性，在靜載拉伸試驗臺對該裝置進行模擬實際工況下的拉力試驗。啟動靜載試驗臺液壓站進行連續(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)鍵零部件的應變數(shù)據(jù)同步進行數(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)應變儀，儀器模塊化設計，軟件式操作，數(shù)據(jù)實時保存，可自動生成報表，精度高，測量結(jié)果準確。
貼片方案及應力計算
測試過程中共布置了6個單向應變片，11個三向應變花。其中，圍繞主傳載軸一周對稱布置4個單向應變片，用以標定和監(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個三向應變花，沿卡瓦心軸軸向布置3個三向應變花，實時測試模擬工作狀態(tài)下關(guān)鍵部位的應變、應力值。
載荷測試與標定
載荷測試采用的方法是在靜載拉伸試驗臺的主傳載軸上對稱粘貼4個單向應變片，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個應變片的平均值作為計算值，進而得到實際載荷。
測試結(jié)果分析
載荷測試結(jié)果
測試過程中，靜載試驗臺通過液壓站進行連續(xù)加載，為驗證應變片載荷測試的正確性，將泵壓換算出的理論載荷與應變片所測載荷進行對比。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)鍵部位的應力應變測試結(jié)果說明如下：卡瓦心軸Mises等效應力與載荷關(guān)系曲線如圖2所示；卡瓦托Mises等效應力與載荷關(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力與應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力相當于0.46σs；繼續(xù)加載至1.5倍額定抗拉載荷（6750KN）時，等效應力隨載荷變化的規(guī)律基本一致，各測點仍處于彈性范圍內(nèi)，最大等效應力相當于0.57σs。
卡瓦托在測試過程中等效應力與應變隨載荷的變化曲線如圖3-4所示，其中，圖3為三個最大等效應力結(jié)果。在加載至額定抗拉載荷的過程中，等效應力與應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。當加載至額定抗拉載荷時，卡瓦托最大等效應力相當于0.64σs； 繼續(xù)加載至1.5倍額定抗拉載荷的過程中，等效應力-載荷曲線呈非線性分布；這時，材料已進入塑性強化階段，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)下套管裝置性能驗證過程中，可采用應力應變電測技術(shù)，對其關(guān)鍵零部件進行應力應變測試。測試結(jié)果為鑒定結(jié)構(gòu)可靠性提供了必要的參數(shù)，為改進設計方案提供了必要依據(jù)，確保了產(chǎn)品設計過程中的合理性、科學性。
