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頂驅下套管裝置是一種集機械、液壓于一體的，用于下套管作業或者作為套管鉆井驅動的專用設備。目前，隨著深井、超深井、大位移水平井及復雜井的不斷增多，頂驅下套管裝置越來越多地應用于高難度套管下放作業中。所以，裝置的機械可靠性已成為其性能指標的一項重要內容。但由于自身結構和實際載荷條件的復雜性，常規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對裝置的實際工作性能、可靠性和穩定性進行測試、分析和評價。

本文針對頂驅下套管裝置的自身特點，基于應變電測技術的基本原理及測試方法，對裝置關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、驗證結構設計的合理性以及機械性能的穩定性提供了可靠的實驗依據。

應力應變測試方案

測試內容

為測試頂驅下套管裝置的實際工作性能、可靠性和穩定性，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，對頂驅下套管裝置關鍵零部件的應變數據同步進行數據采集處理和分析。

儀器介紹

儀器采用聚航科技的JHYC靜態應變儀，儀器模塊化設計，軟件式操作，數據實時保存，可自動生成報表，精度高，測量結果準確。

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，用以標定和監測加載載荷值；在測試用套管軸上軸向對稱位置布置2個單向應變片，用以測試軸向拉力；圍繞頂驅下套管裝置卡瓦托的被測部位周向對稱布置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下關鍵部位的應變、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。

測試結果分析

載荷測試結果

測試過程中，靜載試驗臺通過液壓站進行連續加載，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，可以發現在加載過程中，4個單向應變片的數據比較一致。由于任何受軸向拉伸的結構，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場液壓監測數據保持了良好的對應關系。

關鍵零部件測試結果分析

頂驅下套管裝置在連續加載過程中各關鍵部位的應力應變測試結果說明如下：卡瓦心軸Mises等效應力與載荷關系曲線如圖2所示；卡瓦托Mises等效應力與載荷關系如圖3所示；卡瓦心軸、卡瓦托所受載荷與主應變關系曲線如圖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，未出現明顯屈服現象。如圖2所示，對于同一測試部位，沿周向對稱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*大等效應力相當于0.46σ_s；繼續加載至1.5倍額定抗拉載荷（6750KN）時，等效應力隨載荷變化的規律基本一致，各測點仍處于彈性范圍內，*大等效應力相當于0.57σ_s。

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*大等效應力結果。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良好的線性趨勢，未出現明顯屈服。當加載至額定抗拉載荷時，卡瓦托*大等效應力相當于0.64σ_s； 繼續加載至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*9大載荷時，該處材料未發生明顯破壞現象。

結論

本文針對頂驅下套管裝置性能驗證過程中，可采用應力應變電測技術，對其關鍵零部件進行應力應變測試。測試結果為鑒定結構可靠性提供了必要的參數，為改進設計方案提供了必要依據，確保了產品設計過程中的合理性、科學性。