本實(shí)用新型涉及材料線收縮系數(shù)測量裝置領(lǐng)域，具體涉及一種低溫環(huán)境下測量鋁合金鉆桿材料線收縮系數(shù)的裝置。

背景技術(shù)：

在石油和天然氣鉆井及地質(zhì)鉆探行業(yè)中，由于鉆井深度的增加和鉆探工藝的復(fù)雜化，鋁合金鉆桿因其相對于傳統(tǒng)鋼鉆桿具有的高比強(qiáng)度、高耐腐蝕性、低鉆進(jìn)能耗等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。但其耐磨性較低，在實(shí)際使用中一般將鋁合金鉆桿管體與鋼接頭組裝在一起形成鉆桿柱。為實(shí)現(xiàn)鋁合金鉆桿與鋼接頭的可靠連接，俄羅斯研發(fā)出了熱組裝工藝技術(shù)，通過加熱鋼接頭使其膨脹，然后快速旋入鋁合金鉆桿管體，待其冷卻后產(chǎn)生一定預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)過盈配合。中國專利CN 103643907 B公開了一種鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭連接使用的熱組裝裝置，在同一實(shí)驗(yàn)臺架上，通過更換不同材質(zhì)和尺寸的鋁合金鉆桿和鋼接頭，來實(shí)現(xiàn)熱組裝。但是由于鋁合金耐高溫性能較差，熱組裝工藝易使鋁合金鉆桿接頭處力學(xué)性能產(chǎn)生明顯下降。因此冷組裝工藝被提出以解決上述問題，中國專利CN 103711444 B公開了一種鋁合金鉆桿桿體和鋼接頭連接使用的冷組裝裝置，冷組裝工藝是將鋁合金鉆桿接頭處降溫使其收縮，然后快速旋入鋼接頭中，待其恢復(fù)室溫后產(chǎn)生一定預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)過盈配合，這種方法不會對鋁合金鉆桿力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。為實(shí)現(xiàn)鋁合金鉆 桿和鋼接頭的可靠連接，需了解鋁合金鉆桿材料在低溫環(huán)境下的線收縮系數(shù)，以制定合理的降溫方案，但目前對鋁合金材料在低溫環(huán)境下線收縮系數(shù)的測量鮮有涉及，因此有效的測試方法和測試裝置很有必要。

目前，用于測量材料線收縮(膨脹)系數(shù)的試驗(yàn)裝置主要涉及石英管膨脹儀和激光干涉式線膨脹系數(shù)測量裝置等。石英管膨脹儀能準(zhǔn)確地測量材料在高溫下的線膨脹系數(shù)，但其價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，對試件要求較高，而且該種裝置在低溫環(huán)境下較難應(yīng)用。而激光干涉式線膨脹系數(shù)測量裝置目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，其高昂的造價(jià)和復(fù)雜的操作都限制了其推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是提供一種低溫環(huán)境下測量鋁合金鉆桿材料線收縮系數(shù)的裝置，可以有效克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)。

本實(shí)用新型包括空氣壓縮機(jī)、輸氣管道、壓力控制閥、液氮儲存罐、輸?shù)艿?、泄壓閥、制冷箱、測量試件、溫度補(bǔ)償試件、應(yīng)變片和電阻式應(yīng)變儀；空氣壓縮機(jī)通過輸氣管道、液氮儲存罐的進(jìn)氣口與液氮儲存罐連通，輸氣管道上設(shè)置壓力控制閥，液氮儲存罐上端具有液氮出口，內(nèi)部通管從液氮出口插入在液氮儲存罐中，液氮儲存罐通過輸?shù)艿来┻^制冷箱的液氮進(jìn)口與制冷箱連通，輸?shù)艿郎暇哂须妱?dòng)控制閥，輸?shù)艿牢挥谥评湎鋬?nèi)部端設(shè)置風(fēng)機(jī)和液氮分散器，制冷箱內(nèi)襯有保溫層，制冷箱上部具有箱蓋，制冷箱外部具有電阻式應(yīng)變儀和溫度控制器，溫度控制器用于控制制冷箱內(nèi)部的溫度，制冷箱內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)流板和溫度傳感器，導(dǎo)流板將制冷箱分成左腔和右腔，輸?shù)艿琅c制冷箱的右腔連通，風(fēng)機(jī)、液氮分散器和溫度傳感器位于右腔中，制冷箱的左腔內(nèi)置有工作臺，工作臺上放置有測量試件和溫度補(bǔ)償試件，測 量試件和溫度補(bǔ)償試件上端面均粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片通過導(dǎo)線與電阻式應(yīng)變儀連接。

所述的液氮分散器上均勻分布有噴氣口。

所述的導(dǎo)流板上部開設(shè)有柵格，下部封閉，以保證液氮從上部進(jìn)入制冷箱內(nèi)，避免測量試件與液氮直接接觸。

所述應(yīng)變片引出的導(dǎo)線在電阻式應(yīng)變儀上按半橋電路連接方式進(jìn)行連接以消除溫度對應(yīng)變片的影響。

所述的測量試件形狀為橫截面積不大于100mm²，長度不大于100mm的長方體。

所述的溫度控制器可設(shè)置階梯型降溫程序。

所述的工作臺的高度不超過導(dǎo)流板封閉部分高度的2/3。

所述的工作臺材質(zhì)為不銹鋼。

所述的溫度補(bǔ)償試件與測量試件形狀相同，溫度補(bǔ)償試件的材質(zhì)為石英。

本實(shí)用新型的工作過程和原理：

空氣壓縮機(jī)將帶壓空氣經(jīng)輸氣管道、進(jìn)氣口送至液氮儲存罐中，在壓力的作用下，液氮沿內(nèi)部通管、輸?shù)艿篮鸵旱M(jìn)口進(jìn)入制冷箱中，在制冷箱內(nèi)，液氮從液氮分散器噴出，在風(fēng)機(jī)的作用下對制冷箱內(nèi)部降溫，電動(dòng)控制閥和溫度控制器分別控制液氮流量和制冷箱內(nèi)溫度，溫度控制器可設(shè)置階梯型降溫程序。制冷箱內(nèi)，測量試件和溫度補(bǔ)償試件放置于工作臺上，試件上均粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片引出的導(dǎo)線在電阻式應(yīng)變儀上按半橋電路連接方式進(jìn)行連接以消除溫度對應(yīng)變片的影響，在一定的溫差下由電阻式應(yīng)變儀可測得測量試件的應(yīng)變值，從而計(jì)算出該溫差下鋁合金鉆桿材料的線收縮系數(shù)。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、本實(shí)用新型利用超低溫應(yīng)變片和電阻式應(yīng)變儀，與制冷箱相結(jié)合，取代了傳統(tǒng)的石英管膨脹儀，降低了試驗(yàn)成本，且可以檢測測量試件各個(gè)方向的線收縮系數(shù)。本實(shí)用新型還改進(jìn)了液氮分散器和導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)，使液氮在制冷箱內(nèi)部均勻氣化，避免其與測量試件直接接觸，從而將其對試驗(yàn)結(jié)果的影響降至最低。

2、本實(shí)用新型還可以測量其他金屬及合金材料在低溫環(huán)境下的線收縮系數(shù)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本實(shí)用新型的液氮分散器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是本實(shí)用新型的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)示意圖

其中：1-空氣壓縮機(jī)，2-輸氣管道，3-液氮儲存罐，4-輸?shù)艿溃?-制冷箱，6-測量試件，7-溫度補(bǔ)償試件，8-應(yīng)變片，9-電阻式應(yīng)變儀，10-壓力控制閥，11-進(jìn)氣口，12-液氮出口，13-內(nèi)部通管，14-泄壓閥，15-箱蓋，16-保溫層，17-液氮進(jìn)口，18-電動(dòng)控制閥，19-溫度控制器，20-風(fēng)機(jī)，21-液氮分散器，22-溫度傳感器，23-導(dǎo)流板，24-工作臺，25-噴氣口，26-柵格，27-導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型包括空氣壓縮機(jī)1、輸氣管道2、壓力控制閥10、液氮儲存罐3、輸?shù)艿?、泄壓閥14、制冷箱5、測量試件6、溫度補(bǔ)償試件7、應(yīng)變片8和電阻式應(yīng)變儀9；空氣壓縮機(jī)1通過輸氣管道2、液氮儲存罐3的進(jìn)氣口11與液氮儲存罐3連通，輸氣管道2上設(shè)置壓力控制閥10，液氮儲存罐3上端具有液氮出口12，內(nèi)部通管13從液氮出口12插入在液氮儲存罐3中，液氮儲存罐3通過輸?shù)艿?穿過制冷箱5的液氮進(jìn)口17與制 冷箱5連通，輸?shù)艿?上具有電動(dòng)控制閥18，輸?shù)艿?位于制冷箱5內(nèi)部端設(shè)置風(fēng)機(jī)20和液氮分散器21，制冷箱5內(nèi)襯有保溫層16，制冷箱5上部具有箱蓋15，制冷箱5外部具有電阻式應(yīng)變儀9和溫度控制器19，溫度控制器19用于控制制冷箱5內(nèi)部的溫度，制冷箱5內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)流板23和溫度傳感器22，導(dǎo)流板23將制冷箱5分成左腔A和右腔B，輸?shù)艿?與制冷箱5的右腔B連通，風(fēng)機(jī)20、液氮分散器21和溫度傳感器22位于右腔B中，制冷箱5的左腔A內(nèi)置有工作臺24，工作臺24上放置有測量試件6和溫度補(bǔ)償試件7，測量試件6和溫度補(bǔ)償試件7上端面均粘貼有應(yīng)變片8，應(yīng)變片8通過導(dǎo)線27與電阻式應(yīng)變儀9連接。

如圖2所示，所述的液氮分散器21上均勻分布有噴氣口25。

如圖3所示，所述的導(dǎo)流板23上部開設(shè)有柵格26，下部封閉，以保證液氮從上部進(jìn)入制冷箱5內(nèi)，避免測量試件6與液氮直接接觸。

所述應(yīng)變片8引出的導(dǎo)線27在電阻式應(yīng)變儀9上按半橋電路連接方式進(jìn)行連接以消除溫度對應(yīng)變片8的影響。

所述的測量試件6形狀為橫截面積不大于100mm²，長度不大于100mm的長方體。

所述的溫度控制器19可設(shè)置階梯型降溫程序。

所述的工作臺24的高度不超過導(dǎo)流板封閉部分高度的2/3。

所述的工作臺24材質(zhì)為不銹鋼。

所述的溫度補(bǔ)償試件7與測量試件6形狀相同，溫度補(bǔ)償試件7的材質(zhì)為石英。

本實(shí)用新型的工作過程：

空氣壓縮機(jī)1將帶壓空氣經(jīng)輸氣管道2、進(jìn)氣口11送至液氮儲存罐3中， 在壓力的作用下，液氮沿內(nèi)部通管13、輸?shù)艿?和液氮進(jìn)口17進(jìn)入制冷箱5中，在制冷箱5內(nèi)，液氮從液氮分散器21噴出，在風(fēng)機(jī)20的作用下對制冷箱5內(nèi)部降溫，電動(dòng)控制閥18和溫度控制器19分別控制液氮流量和制冷箱5內(nèi)溫度，溫度控制器19可設(shè)置階梯型降溫程序。制冷箱5內(nèi)，測量試件6和溫度補(bǔ)償試件7放置于工作臺24上，試件上均粘貼有應(yīng)變片8，應(yīng)變片8引出的導(dǎo)線27在電阻式應(yīng)變儀9上按半橋電路連接方式進(jìn)行連接以消除溫度對應(yīng)變片8的影響，在一定的溫差下由電阻式應(yīng)變儀9可測得測量試件6的應(yīng)變值，從而計(jì)算出該溫差下鋁合金鉆桿材料的線收縮系數(shù)。

具體實(shí)例：

如圖1所示，將7075Al材質(zhì)的測量試件6和石英材質(zhì)的溫度補(bǔ)償試件7加工成橫截面積88mm²、長度為70mm的長方體形狀，并放置于工作臺24上。測量試件6和溫度補(bǔ)償試件7上分別粘貼有應(yīng)變片8，應(yīng)變片8所引出的導(dǎo)線27按半橋電路連接方式連接于電阻式應(yīng)變儀9上，連接完成后，蓋上箱蓋15，

在溫度控制器19中設(shè)置降溫程序，啟動(dòng)制冷箱5。此時(shí)，打開空氣壓縮機(jī)1，調(diào)整壓力控制閥10使進(jìn)氣壓力為0.4MPa。氣體從進(jìn)氣口11進(jìn)入液氮儲存罐3中，在壓力的作用下，液氮經(jīng)內(nèi)部通管13流經(jīng)液氮出口12，并進(jìn)入輸?shù)艿?中。若試驗(yàn)過程中壓力出現(xiàn)異常，可打開泄壓閥14進(jìn)行卸壓。液氮從液氮進(jìn)口17、液氮分散器21和導(dǎo)流板23均勻噴入制冷箱5中。在降溫過程中，溫度控制器19和溫度傳感器22、電動(dòng)控制閥18配合控制液氮流量。

在一定溫差ΔT內(nèi)，電阻式應(yīng)變儀9讀數(shù)為測量試件的應(yīng)變值ε，則在該降溫區(qū)間內(nèi)，7075Al的線收縮系數(shù)α可按下述公式計(jì)算：

其中α′為石英的線收縮系數(shù)，可以取5.5×10^-7。

由此即可測量出7075 Al在一定溫差ΔT內(nèi)的線收縮系數(shù)。