（材料加工工程专业论文）套管钻井条件下套管的疲劳寿命估算.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 套管钻井条件下套管的疲劳寿命估算 材料加工工程 黧篙矢森锰鳅- 李平全，林凯( 签名) 望釜癯绉掀j 摘要 套管钻井中的套管柱不仅要保证钻井作业的正常进行，还必须确保套管在钻井完 成后具有足够的剩余强度以便能够完成后续的完井、固井作业。因此对套管钻井中的 套管柱进行疲劳分析，全面掌握套管钻井中套管柱的疲劳强度以及疲劳强度与寿命之 间的关系，对下一步预测套管的剩余强度和剩余寿命具有非常重要的作用。 本文采用试验研究与理论分析相结合的方法，从工程应用的角度出发，首次对套 管钻井条件下套管的多轴疲劳问题进行了研究，提出了适用与现场的p s n 寿命计 算公式。该公式在拉一拉单轴疲劳试验的基础上，利用v o nm i s e s 等效应力法，对拉一 扭双轴疲劳试验结果进行了等效应力的计算，从而将复杂的多轴疲劳问题转化成一般的 单轴疲劳问题。并分别考虑了几何尺寸、表面加工情况等多种影响疲劳强度的因素，将 从小尺寸试样上得到的试验结果进行了修正，并近似地应用到大尺寸实际套管上。 利用上述方法及有限元数值模拟法，对典型工况下套管柱顶部和底部两个部位进行 了寿命估算，结果表明套管柱在钻井全过程中不会发生疲劳失效。并且两种方法估算的 结果比较吻合，验证了本文提出的以单轴疲劳试验为基础，通过等效应力、小尺寸试验 修正的方法，得到的实物套管钻井疲劳的估算方法是有效的。提出的套管钻井现场的p s n 寿命估算公式、参数和曲线图具有一定的工程适用性。可应用于文中限定的工况 条件下，若改变工况，需要重新计算。 关键词：套管钻井疲劳寿命估算拉一扭双轴疲劳试验p s n 曲线 论文类型：应用基础 ( 本文得到c n p c 应用基础研究项目“套管钻井套管柱力学研究”资金的资助，项目编 号c n p c 0 3 a 4 0 4 0 2 ) 英文摘要 s b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h e f a t i g u el i f ee s t i m a t eo ft h ec a s i n gd u r i n gc a s i n gd r i l l i n g t h em a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g w a n gp i n g ( s i g n a t u r e ) l ip i n gq u a n ，l i nk a i jp ”3 & h 枷扎扎山 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t so ft h ec a s i n gd r i l l i n gt e c h n i c a l ，i te x p o s e sm a n y p r o b l e m si na c t u a la p p l i e dp r o c e s s b e c a u s eac a s i n gd u r i n gc a s i n gd r i l l i n gw a sw a n t e dn o t o n l yt og u a r a n t e et h a tt h ed r i l l i n go p e r a t i o nc a r r i e so nn o r m a l l y ，b u ta l s ot oi n s u r et h a tas e to f c a s i n gh a v et h ee n o u g hs u r p l u ss t r e n g t ha f t e rd r i l i n gc o m p l e t e dt oc o m p l e t et h ef o l l o w u pw e l l c o m p l e t i o no p e r r a t i o n ，w e l lc e m e n t i n go p e r a t i o n b u ti ti si m p o r t a n tf o rt h en e x ta c c u r a t e l y r e d i c t i n gt h es u r p l u ss t r e n g t ha n dt h es u r p l u sl i f eo f t h ec a s i n gt oc a r r yo nt h ef a t i g u ea n a l y s i s o f t h ec a s i n g ，t om a s t e rt h ef a t i g u es t r e n g t hc o m p l e t e l ya n di nar e l a t i o no f t h ef a t i g u e s t r e n g t h sa n dt h el i f eo f t h ec a s i n gd u r i n gc a s i n gd r i n l i n g i nt h ep a p e r ，b yt h ew a y so fc o m b i n a t i o nb e t w e e nt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ha n dt h e t h e o r i e sa n a l y s i s e s ，f r o mt h ev i e wt h a tt h ee n g i n e e r i n ga p p l y ，t h ef i r s tt i m ei st or e s e a r c ht h e m u l t i a x i a lf a t i g u eo f t h ec a s i n ga n dt op u tf o r w a r dt h ep s nl i f ec a l c u l a t i o nf o r r n u l a p p l i e dw i t ht h el o c a l e o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t ，m a k i n gu s eo ft h ev o nm i s e s e q u i v a l e n ts t r e s sm e t h o d ，a n dc o n s i d e r i n gr e s p e c t i v e l ym o r ev a r i o u sf a c t o r si n c l u d e ds e v e r a l s i z e ，c i r c u l a t i o ns t r e s sr a t i oe t ct h a ta f f e c t st h ef a t i g u es t r e n g t ho fd i n t ，t h ef o r m u l ac o n v e r tt h e r e s u l tf r o mt h es a m p l eo fb a b ys i z ei n t oat u b eo f b i gs i z e u s i n gc o r r e s p o n df o r m u l aa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s e ss u b s e q u e n t l yn e x tt ot w op a r t so f c o p i n ga n db o t t o mo f t h ec a s i n gi nt h et y p i c a lm o d e lw o r kc o n d i t i o n ，i st oc a r r yo nt h el i f et o e s t i m a t e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tc a s i n gw i l ln o tt a k ep l a c et h ef a t i g u ee x p i r a t i o ni nt h e w h o l ec a s i n gd r i l i n g t h er e s u l tw a sc o m p a r e dw i t ht h ed a t ab yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s ，b o t h a r ea sar e s u l tc l o s eb y ，i te x p l a i n e dt h a tt h ep s nt h el i f ee s t i m a t ef o r m u l a ，t h e p a r a m e t e ra n dt h ec u r v ed i a g r a m sh a v et h ec e r t a i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a b i l i t y t h i sc o n c l u s i o ni s l i m i t e db yo n l yu n d e rt h el i m i t a t i v ew o r kc o n d i t i o n ，i fc h a n g et h ew o r kc o n d i t i o n ，i tn e e dt h e r e c o u n t k e y w o r d s ：c a s i n gd r i l i n g ，f a t i g u el i f ee s t i m a t e ，t h ep u l l - - t w i s t sm u l t i a x i a lf a t i g u et e s t s ， t h e p s nc u r v e t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y r t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yt h ec n p ca p p l i c a t i o nf o u n d a t i o nr e s e a r c hi t e m ”t h em e c h a n i c s r e s e a r c ho ft h ec a s i n gd u r i n gc a s i n gd r i l l i n g , i t e mn u m b e rc n p c 0 3 a 4 0 4 0 2 、 i 主要符号表 a 面积 a c 有效面积 b 材料常数 c x 粤毫异系数 d 内径，材料常数 d o 平均直径 口一外径 e 弹性模量 f 一频率 f 轴向载荷( 力) ，失效概率 广重力加速度 。一剪切模量 i 惯性矩 k 厂钻井液浮力系数 主要符号表 n 数量，转速，子样本 n 循环次数，疲劳寿命 p 存活率 p r 一内压( 强) ，单位压力 p o 外挤压力( 压强) p r 可靠度 p 厂_ 结构失效概率 p 。井口处钻井液的上返压力 r 一循环应力比，半径 r 0 圆管内半径 r ，圆管外半径 r 半径 s 应力 s 一等价对称循环应力 k c 钻井用套管疲劳的复合修正系数卜一壁厚，时间 l 长度，井深 d 一密度，相关系数 x 对数疲劳寿命， b 载荷比例 t 扭矩 w 钻压 w 。截面抗扭模量 w t 。抗扭截面系数 p ，、p 。、p 。表面加工系数 e 法向应力系数 ( 变量) 增量 r 一圆周率 v 两安石油大学硕士学位论文 r 一剪应变 r 正应变 a 一正应力 o 。等效应力，等效疲劳极限 a 。平均应力 a 最大正应力 o 厂一应力比为1 的拉压疲劳极限o 。最小正应力 o a _ 一正应力幅 a 一等价的对称循环正应力幅 o ，l _ 一名义正应力 o ；屈服强度 e 尺寸修正系数r 剪切应力 兰一拉压、弯曲疲劳极限的肘修正系t ，一循环应力 匕为- 1 的扭转疲劳丰及 艮 数 。 岛扭转疲劳的尺寸修正系数t 。剪切应力幅 k 一等效尺寸修正系数 f 厂等价的对称循环剪切应力幅 a _ i a g m n g e 乘子 u - 泊松比 t m _ 平均剪切应力 。最大剪切应力 旷一不对称循环度系数t 。i 一最小剪切应力 q 。、q i 一不对称循环度系数 b 名义剪切应力 v i 学位论文创新性声明 本人声明所曼交的学位论文是我个人住导师指导f 进行的研究1 作及取得的研究成果。尽我所 知，除j 文中特别加以标注和致甜中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果：也不包含为获得两安# i 油人学或其它教育机构的学位或证f 而使用过的材料。 与我一同丁作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意， 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 一硝 论文作者签名：继 f _ i 期：丛。( ，( 。g 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借 阅以及申请专利等权利。本人离校屙发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术沦文或成 果时署名单位仍然为西安石油大学。 日期：五d 1 ：监 日期：碰! 兰 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 引言 套管钻井技术作为一种正在发展中的新技术，正日益引起国内外石油工程界的关注。 从目前国外采用套管钻井技术成功钻井5 0 多口的实例中可以看出，套管钻井不使用钻杆， 大大减少了起下钻时间和预料外事故( 如划眼、打捞钻具和起下钻时发生的井涌等) 所浪费 的时间，增加了井眼的稳定性，节约了大量的钻井成本( 约3 0 甚至更高) ，呈现出良好的发 展前景。 所谓套管钻井技术是指用套管代替钻杆向钻头传递水力和机械能量，对钻头施加扭 矩和钻压，实现钻头的旋转与钻进。整个钻井过程不再使用钻杆、钻铤等，钻头是利用钢 丝绳投捞，在套管内实现钻头升降，即实现不起钻更换钻头。该技术减少了起下钻、井喷 和卡钻等井下事故，提高了钻井安全性降低了钻井成本。 套管钻井技术的出现，使套管柱取代了钻杆柱向井底钻头传递机械能量和水利能量， 套管及其接箍被置于一种复杂的动载作用的工况下，它们抗疲劳失效能力的高低将直接影 响到套管钻井的成败。因此套管钻井中套管柱的疲劳问题主要包括管体和接箍两部分。同 时本文主要通过试验手段进行研究，也就是说本文所作的研究都是基于光滑试件，虽然计 算时考虑了几何尺寸、表面加工情况等多种影响疲劳强度的因素，将试验结果转化到大尺 寸实际套管上。但在实际钻井中，套管处在一个非常复杂的工况条件下，所以很难确定由 于各种因素造成表面缺陷和应力集中的位置和大小。 由于本文做的是基础性研究，在建立力学模型时，对实际工况进行了简化。同时受现 有试验条件的限制，本研究所作的各项工作主要针对理想状态下的套管管体进行的，即不 考虑应力集中的影响，所指的“套管”只限于套管管体，不涉及套管头、螺纹扣等异型结 构和结构突变部位。 本文将主要通过试验手段，对套管柱的疲劳、疲劳一寿命关系等问题进行研究，提出 了一种多轴疲劳寿命估算公式，以期能够为套管钻井技术的现场应用有所指导 1 2 套管钻井的发展与现状 套管钻井技术是指在钻进过程中，直接采用套管取代传统的钻杆向井下传递机械能量 和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面，边钻进边下套管，完钻后作钻柱用的套管留 在井内作完井用的技术“。套管钻井将钻进和下套管合并成一个作业过程，不再需要常规 的起下钻作业，与常规钻井技术相比可以节约大量的钻井工时，减少井下事故，降低钻井 成本。 事实上，套管钻井并不是一个新概念，早在2 0 世纪5 0 年代就有很多陆上钻井公司用 西安石油大学硕士学位论文 油管钻生产井【2 1 ，钻达油气层后对油管进行固井作业，钻头留在井下。套管钻井的专利最 早出现在上世纪6 0 年代，7 0 年代史密斯公司曾在墨西哥湾应用套管钻井技术，但当时的 钻进距离都非常短。1 9 8 9 年到1 9 9 5 年期间是现代套管钻井技术酝酿和形成的阶段，陆续 出现了一些与套管钻井有关的钻井工具、钻井装备和钻井工艺专利。 加拿大t e s c o 公司在8 0 年代后期阿科研究开发公司( ar c o r & d ) 的绳索连续取芯技术 的基础上，自1 9 9 5 年起开始套管钻井技术研究，其出发点就是节省钻井时间、降低钻井 成本。到1 9 9 9 年，t e s c o 公司已基本形成了一套颇具特色的配套设备和套管钻井工艺技术， 并进入工业应用阶段，可用11 4 3 m m 3 3 0 6 m m 的7 种规格的套管钻进吼 而英国的s p r e r r y - s u n 公司，则利用套管钻井技术开展了海上无隔水管钻井作业的研 究，在其多分支井技术的基础上，充分利用了多分支井技术中使用的液力回收工具，可用 钢丝绳或钻杆2 种方法回收井下套管钻井系统【3 】。 近年来，套管钻井技术日益引起世界石油界的广泛关注，多家公司采取了联合资助、 共同开发、成果共享的方式来加速其发展。 其中典型的是1 9 9 6 年美孚技术公司、b pa m o c o 公司、雪佛龙公司( c h e v r o n ) 、德 士古公司( t e x a c o ) 和休斯一克里斯坦森公司合作成立了一个名叫m o b p t e c h 的研究小组， 专门对套管钻井技术进行研究开发【4 】【5 】。2 0 0 0 年上半年，t e s c o 公司和斯伦贝谢油田专业 服务公司( s c h l u m b e r g e ro i l f i e l d s e r v i c e s ) 则成立了一个提供套管钻弗专业服务的联合体， 前者负责套管钻井作业中使用的可回收井下钻具组合及相关工具的服务和开发，后者则提 供钻井、采油和管理服务1 6 j 。 套管钻井技术在国内起步较晚，目前仍处于研究阶段，现场应用较少。目前只有个 别油田进行了探索性现场试验和极少数的现场应用，且一般只限于井深较浅的直井，目 前试验的井主要为进行表层套管及技术套管的钻进。例如中国海洋石油有限公司曾在渤 海和南海勘探作业中成功应用过套管钻井技术【7 1 。用套管钻井的套管代替了海上的隔水 导管，同时简化了井深结构，用套管钻井的套管又起到了表层套管的作用，成功地将隔 水导管与表层套管二者结合起来，简化了作业程序，打破了传统的海上钻井方式。 前不久，我国在吉林油田打了第一口陆上试验井。目前，正在试验阶段。由于缺乏 套管力学方面的前期预研，使得套管钻井工程有一定的盲目性，也存在很大风险。所以尽 快开展这方面的工作，将极大促进我国套管钻井工作的开展。 国内外对于各种钢级、尺寸的套管的疲劳寿命没有进行系统的研究，只是在钻井过 程中使用超声波监测套管是否出现裂纹。而将这种作法用于大规模套管钻井显然是不现 第1 章绪论 实的。目前t e s c o 公司也只是粗略地认为套管钻井目前可钻井深在1 5 0 0 2 0 0 0 m 之间。 由于套管钻井技术还处于试验阶段，还没有考虑到意外情况的对策，如果不能准确预测 用于钻井套管的寿命，一旦发生套管疲劳断裂事故，将是非常棘手的事情。虽然以前有 人对钻柱的疲劳寿命进行过一些研究，但由于套管不起出，不易对其进行分析。如果将 套管起出进行研究，将降低钻井效率、增加钻井成本，从而失去了套管钻井的意义，所 以对套管进行前期的寿命预测非常重要。 基于以上情况，为了在我国开展套管钻井工作，必须对用于套管钻井的套管进行疲 劳寿命估算的基础性研究。 1 3 套管钻井中套管柱的疲劳及剩余强度 尽管套管钻井技术的出现打破了钻井需要钻杆的这一传统思想，使得钻井工艺及其 装备出现了革命性的变化。但显然，将传统的套管柱代替钻杆用于钻井，本身就是一个 挑战。 因为不论是与固井中的套管相比，还与钻井中传统的钻杆相比，用于钻井工程的套 管柱都面临着更为苛刻的工作状况。 套管钻井中，套管的受力比固井套管要复杂得多，工作环境更加恶劣，套管不仅要 承受轴向力、外挤力、内压力，还要承受扭矩，弯曲和冲击振动( 纵向、横向和扭转振 动) 等载荷的作用。套管开始在套管钻井中服役时，疲劳破坏在循环载荷的作用下持续 且不可恢复地作用于套管柱，导致套管疲劳裂纹的产生。如果裂纹不断地扩展，最后在 应力小于材料强度的情况下发生破坏，则将导致套管柱断裂等严重的破坏。这种失效是 一种积累式的破坏，发生时没有预兆，一旦发生将给油气田带来巨大经济损失。 而与钻井中传统的钻杆相比，套管柱在结构上具有外径大、壁厚薄等特点，容易发 生屈曲失稳等失效。 更为主要的是，套管钻井中的套管柱不仅仅要保证钻井作业的正常进行，还必须确 保套管在钻井完成后具有足够的剩余强度以便能够完成后续的完井固井作业。因此， 套管的剩余强度是对钻井后套管柱进行安全评估的一个十分主要的参数。如何有效提高 套管柱的抗疲劳失效能力和剩余强度，减少套管在钻井过程乃至后续的固井作业中失效 事故的发生，已经成为套管钻井技术得以普及的一个前提。 而对套管钻井中的套管柱进行疲劳分析，全面掌握套管钻井中套管柱的疲劳强度以 及疲劳强度与寿命之间的关系，准确预测套管的剩余强度和剩余寿命则是有效提高套管 柱的抗疲劳失效能力和剩余强度的基础性工作。 西安石油大学硕士学位论文 本文将主要通过试验手段，并借助计算机仿真技术，对套管柱的疲劳、疲劳一寿命 关系等问题进行研究。为套管钻井中套管柱的设计、计算提供一定的理论基础。 1 4 研究内容 针对目前套管钻井技术在国内的应用状况，套管钻井中套管柱承受的疲劳载荷状况， 以及现有的技术水平和技术条件。本文主要通过试验分析、理论分析与计算机数值模拟、 仿真相结合的方法来进行套管疲劳分析、寿命估算。以下给出实际套管钻井用套管柱的基 本参数： 表卜1套管几何尺寸与物理特性 套管公称外径名义壁厚公称内径密度公称重量 材料 d m mt m md f i l m p k g i n 。q k n m 。 fj 5 51 7 7 86 9 1 1 6 4 07 8 8 l o 0 2 9 2 表1 - 2j - 5 5 套管力学性能0 1 最小屈服强度最大屈服强度最小极限强度理论弹性模量 o i m p ao s m a x m p a吼m p a e g p a 3 7 95 5 25 1 7 2 0 6 表1 3套管钻井的实际工况 钻压 转速扭矩套管柱内压钻井周期 钻速【6 1 w k n n r p m t k n mp t 口a p d m v m h 1 5 01 1 0 d 3 5 3 0 0 4 5 6 0 1 4 1 疲劳试样的疲劳试验分析 主要是指套管的中高周疲劳试验，包括拉一拉高周成组疲劳实验和拉压一扭转双轴疲 劳试验等。 其中，拉一拉高周疲劳实验是整个试验的基础。考虑到套管钻井过程中载荷的复杂性 和不确定性，故采用成组多级试验，其目的在于获得试件的基于概率的p - - s - - n 曲线，并 由此外推出不同存活率条件下对应1 0 4 1 0 7 寿命的应力值。 第1 章绪论 拉压一扭转双轴循环试验，选择剪切应变( 应力) 幅与轴向应变( 应力) 幅之比= 兰l 盯 等于0 2 5 o6 的等比例加载循环试验模式，目的在于通过获得的相关试验数据，验证等 效p s n 曲线的正确性，并获得疲劳试样的某些力学参数。 1 4 2 套管疲劳的理论分析 该部分分析是基于该部分是在上述套管的拉一拉单轴疲劳试验和拉扭双轴疲劳试 验的基础上展开的，主要包括：拉一扭复合圆管的弹塑性分析，主要利用变分原理及弹塑 性拉扭复合理论，分析复合加载管柱的应力应变弹塑性关系，引入双轴循环实验数据，得 到材料的弹性模量、剪切模量、泊松比等力学参数。 在分析归纳国内外对多轴疲劳失效准则研究的基础上，采用v o nm i s e s 等效应力准则， 对拉一扭复合圆管进行v o nm i s e s 等效应力计算。 1 4 3 套管多轴疲劳寿命估算方法研究 基于上述试件进行的拉压一扭转复合工况下的应变控制比例加载疲劳实验，结合单轴 概率疲劳实验结果，提出适用于工程实践的多轴疲劳寿命估算公式。计算时需要考虑几何 尺寸、表面加工情况等多种影响疲劳强度的因素，从而将上述结果转化到大尺寸实际套管 上。 1 4 4 套管的数值模拟 套管钻井的有限元数值计算。以概率论为基础，结合疲劳实验数据，采用动态有限元 计算方法，进行典型工况下套管疲劳寿命的估算。 西安石油大学硕士学位论文 第2 章套管钻井用套管柱的多轴疲劳试验研究 2 1 疲劳试验方法研究 2 1 1 疲劳试验概述 在交变载荷作用下，疲劳破坏是包括机械零部件在内的多种工程结构常见的失效形式 之一。所谓疲劳破坏，是指材料或结构在交变载荷作用下，应力值可能在没有超过材料的 强度极限，甚至可能比弹性极限还低的情况下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完 全断裂的过程隅1 1 9 1 。本研究所指的构件主要是指套管柱，而试件( 或试样) 主要是用相同 材料( j 5 5 ) 的油管制作的套管疲劳试样。 严格来讲，工程中使用的结构部件一般承受的均是变载荷。只是为了处理方便，才将 随时间变化比较缓慢且幅值变化不大的变载荷视为静载荷处理。但对于承受载荷变化较为 剧烈、明显的构件，必须采用疲劳方法对其进行分析、设计。其中，对构件( 或材料的标 准试件) 进行疲劳试验，取得产品的疲劳寿命数据等有关的疲劳性能参数，为进一步的疲 劳设计提供相关的计算依据是十分必要和重要的。 疲劳试验方法分为常规试验法、成组试验法、升降法以及加速疲劳试验法等 ”。其中， 常规试验法主要是为了获得试件的常规s n 曲线。 而成组试验法是基于以下工程实际而提出的：一是由于构件所受的外部载荷不仅随工 况改变而改变，还会受到偶然性影响；一是材料的疲劳断裂性能会由于材料组织的不均 匀性、内部缺陷的随机分布和加工处理中的些偶然性因素而产生很大的分散性。因此， 常规试验法在每一个应力水平下只用一个试样所测定的s n 曲线，精度较差，只能用于 要求不高的疲劳设计中。对于疲劳强度的可靠性设计，需要采用多级成组试验法，绘出试 件的p s n 曲线。 升降法试验则主要用于长寿命区，是在指定疲劳寿命下测定应力。该方法可以比较精 确地测定出试件的疲劳极限。 此外，快速试验法出于节省试验机时和试件数量考虑而提出来的，主要包括泊洛脱法、 洛卡脱法、全循环阶梯加载法等。 在有关试验方法的讨论中，循环应力的类型对试件或材料疲劳寿命具有重要影响，对 循环应力的定义一般用其最小、最大应力比值r 表示： 对称循环应力，r = 一1 ： 脉动循环应力，r = o ； 波动循环应力，1 r 1 ； 第2 章套管钻井用套管柱的多轴疲劳试验研究 o 静应力，r = l 。 显然，上述定义将静载荷视为特殊的变载荷。 图2 1 为以正弦波为例的循环应力类型示意图，图中t 表示时间。 入八。 vv ( a )对称循环应力 0 ( b )脉动循环应力 ( c )波动循环应力一1 ( d ) 波动循环应力一2 图2 1r 匿幅循环应力类型 事实上，根据实际情况，图2 1 中的。可以是正应力，也可以是剪应力，或者是正应 变、剪应变。 有关循环应力类型及相关参数之间的关系如下： 盯= ! 塑些! 巴坐 ( 2 1 ) 盯m5 2 2 _ = 一 1 咿垒 ( 2 2 ) 盯。= 仃。q - o 。 ( 2 _ 3 ) 盯。= 盯。一o - 。 ( 2 - 4 ) ，：! 唑( 2 5 ) 叮m “ 式中，o a 为应力幅，m p a ；o m 。c ，m i n 分别为应力循环中具有最大、最小代数值的应力， 西安石油大学硕士学位论文 m p a ；o 。为平均应力，m p a 。 上述试验得出的s n 曲线和p s n 曲线一般均是指单轴疲劳，即只有在一个方向 施加交变载荷。由于在单向载荷作用下，同一时刻的应力和应变一一对应，因此应力或应 变都可以作为单轴疲劳损伤的参量，对照s n 曲线或e n 曲线即可形成单轴疲劳破坏 准则。 但是在实际工程中，几乎所有的疲劳危险部位都承受着多轴疲劳载荷的作用。即在工 程实际中，多轴疲劳问题是普遍存在的。零件或构件常常承受多轴载荷，它们可以同时作 用，也可以先后作用；零件的几何形状或尺寸突变会使局部区域的应力、应变分布复杂化。 因此在工程设计中如何防止零、构件发生多轴疲劳破坏的问题已经变得越来越突出。 2 1 2 多轴疲劳试验 多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴循环加载条件下，即至少有二个或三个方向施加的 应力独立地随时间发生周期性变化。它们的变化可以是同相位、按比例的，也可以是非同 相位、非比例的。相对于单轴疲劳而言，多轴疲劳无论在力学分析方面、实验研究方面、 乃至物理机制方面都更为复杂。因为随着三个主应力( 主应变) 相对比值的改变，裂纹可 以在不同的方向、不同的平面内形成p 】。 此外，试验过程和试验条件对多轴疲劳数据有很大影响。在众多的多轴加载试验方法 中，只有少数获得了满意的结果，其主要因素取决于主应变比在整个试验过程中能否取得 较大范围，这是由试验系统和试件形状决定的。与本研究关系紧密且较成功的试验方法为 薄壁管的拉一扭双轴比例加载的作用。 1 o y 图2 - 2薄壁管多轴疲劳试样示意图 8 第2 章套管钻井用套管柱的多轴疲劳试验研究 图中，f 为轴向力，p i 和p o 分别为内外压力，t 为扭矩，坐标轴x 、y 、z 分别为圆管 的轴向、径向和周向。 该试验无论是比例加载还是非比例加载，三个加载系统的控制参数基本上相对独立。 主应力是时间和空间的函数，变化相当复杂。由于在控制和测量应变等方面存在较大困难， 一般只局限应用在两个加载系统下，即拉一扭和拉一内外压载荷作用。 本文只针对比例加载进行研究。 拉一扭是最常见的作用于工程构件的载荷类型。这种受力条件可看成是平面应力状 态，试件所受应变有。、。、t 。 在试验过程中，由计算机控制的液压伺服试验系统控制应力( 或应变) ，由拉扭引伸 仪获得试件轴向位移和剪切位移。扭转载荷的存在使试件壁的内、外表面存在一个很小的 应力梯度。拉一扭应变控制循环加载下，轴向应变和剪切应变分别为( 以正弦对称循环类 型为例) ： 。= e a x s i n ( o ) t ) ( 2 - 6 ) y x y 2 7 “y s i n ( c o t - c p ) ( 2 7 ) 式中，x 为轴向应变，t 。，为剪切应变，。为轴向应变幅，y a x y 为剪切应变幅，( i ) 为角 频率，为相位角。消去公共参数0 ) t ，有： 2 + 一2 ( 斟昝旷s 抒p 池s ， 上式表明相位角币的取值影响应变路径的形状，即疲劳危险部位的应力和应变与加载 的方式和路径有关【”1 。 就材料而言，多轴加载有无穷多种组合，如何用单参数或双参数去描述材料多轴疲劳 破坏准则是多轴疲劳问题研究的关键之一。在近几十年中，已有一些学者对此作了研究。按 照材料疲劳破坏参量，可将疲劳破坏准则【1 2 】划分为三类：等效应力( 变) 法、塑性功与能 量法、临界平面法等。有关该问题的论述在下文相应章节进行讨论。 2 2 拉一拉高周疲劳试验 2 2 1 试验目的 拉一拉单轴高周疲劳试验是整个套管疲劳试验的基础。通过成组多级试验方法，获得 疲劳试样在不同应力水平下的疲劳寿命及其统计分布，为进一步获得试件的基于概率的等 效p s n 曲线奠定基础。 9 西安石油大学硕士学位论文 2 2 2 试验设备与试件 a 试验设备 包括高频试验机组及相关设备( 疲劳试验机、动态分析测试仪、工控机及控制软件、 试件装卸工具等) 具体参数如下： 疲劳试验机型号：p l g - - 3 0 0 c 高频疲劳试验机；生产商：长春试验机研究所。 最大静载荷：3 0 0 k n ；最大动载荷：1 5 0 k n ；最大单向脉动载荷：3 0 0 k n 主机结构：主机采用双丝杠结构，主机冈0 度大，有效试验空间大，且下台座带有梯型 槽，装夹试件非常方便。夹头间最大距离：7 0 0 m m ；两柱间最大距离：5 8 0 m m ；主机重量： 7 5 0 0 k g ；频率范围：8 0 2 5 0 t - i z 。 动态分析测试仪型号：d r a 一1 0 1 c ：频响：d c - - 2 5 k h z ：通道：a d 一1 6 位，d a 一1 2 位。 加载方式与步骤：先将两个转换接头通过螺纹牢固地连接到试样上，然后借助试验机 的装夹工具将转换接头连同试样一起装夹到试验机的加装位置；此后，接通试验机的动态 分析测试仪电源、启动工控机，并运行相关的控制软件；待动态分析测试仪预热2 0 3 0 分钟后，通过控制软件将预先设计好的载荷参数( 载荷幅值、最大载荷、最小载荷、平均 载荷) 和保护参数等相关的参数；最后，通过动态分析测试仪的相关开关启动疲劳试验机， 进行疲劳试验，直至得到满意的结果。 拉一拉单轴疲劳的试验设备如图2 3 所示。 ( a ) p l g - - 3 0 0 0 高频疲劳试验机全套设备 ( b )正在工作的动态分析测试仪与计算机控制台 0 第2 章套管钻井用套管柱的多轴疲劳试验研究 ( c )正在进行疲劳试验的疲劳试验机局部 图2 - 3拉一拉单轴疲劳试验设备 b 试验试件 试样是根据国标( g b 4 3 3 7 - - 8 4 ) 推荐的轴向加载光滑圆柱形标准试样设计的。 试件采用j 一5 5 小尺寸油管加工而成。油管尺寸为：外径壁厚为2 3 7 5 英寸o 1 9 英 寸( 6 0 3 m m 4 8 r a m ) 。将其加工成圆管试件：内径5 0 m m 5 2 m m ，外径6 0 m m ；试验段 外径约5 3 5 5 m m ，内径约5 0 5 2 m m ，壁厚约1 5 2 o m m ；试验段长度7 0 m m ，过渡段 圆角蛆率半径r 等于3 0 m m ；试件总长度l = 3 0 0 m m 左右；两端试验机夹持段为7 0 m m 。 为了尽可能地提高试验的精确程度，将试件的试验段标记为等距的四段五个截面，并 在每一个截面圆周上等间距的标记四个点，共计2 0 个点，按顺序用a 、b 、c 、d 、s 、 t 。对每一个点测量其壁厚，每两个对应点测试其外径。 试件的结构示意图和实物如图2 - 4 所示。 西安石油大学硕士学位论文 ，t ，7 7 ， ( a )试件的结构示意图 ( b ) 安装有转换接头的疲劳试样 图2 - 4拉一拉高周疲劳试验试件 疲劳试样实际壁厚和外径的测量结果如表2 1 和表2 2 所示。 由于是光滑试样，其应力集中系数可视为a 。= l 。 另外需要实验机夹具与试件转换接头。详细图纸见附录一。 j 型 略 卜 出 d 山 o z 羔 j 型 c , l z 一 ， i r t 1 凸 u 睫 眯好峨燕毗制盆掌蟠簿整枨粲匝怄覃1辍 n 僻 梃奄承蟮敬碟攥精g遗舡琳旺牧担缸榔懈“躲 趔 霜 斗 卜 比 a 山 z o 茎 j 蟹 二 士 o 【工】 o u 簇 咔旱手删蘸甜交譬扯茁簿篡状麒匣璺!瓤|掇 甲n 懈 杖刁罩晕扑书匿扑k攥博嵌陋 第2 章套管钻井用套管柱的多轴疲劳试验研究 c 试件数量 本试验需要三级加载，每一级试验5 个试件，共需要有效试件数为5 x3 = 1 5 ( 个) 。 2 2 3 试验方案 a 试验条件 试验在室温空气介质中进行。试件通过转换接头安装在试验机上。试验数据由计算机 每隔一定的循环数进行采集处理。 试验频率：】2 1 4 0 h z ：循环应力：波动正弦波，r = 0 2 5 左右； 疲劳破坏判定准则：试件出现明显裂纹及断裂。 b 应力级别预设计 考虑到套管钻井过程中载荷的复杂性和不确定性，故采用成组多级试验：三级加载( 实 际试验时，采用了四级加载，最后一个应力级别进行了人为的数据处理) ，每一级别为 组，每组试验4 6 个试件。 由于本试验设计三级加载，需要确定合适的应力等级，以便于尽量节省试验机时，提 高试验有效率。 拟设计的三级疲劳试验对应的疲劳寿命分别约为1x1 0 5 、5 1 0 5 和lx1 0 6 ，在此需要 估算出相应的应力水平。 由于没有经验可以借鉴，本研究参考与试件材料类似的现有材料的试验情况( 表2 3 ) 及其它有关资料，进行该疲劳试验的预设计。对比表1 2 和表2 3 可知，j 一5 5 套管材料的 力学性能与4 5 钢( 8 5 0 正火，空冷) 类似。 表2 - 3j - 5 5 类似材料拉压疲劳寿命试验情况表 屈服应力强度极限疲劳极限 材料 应力比r寿命n o 。m p am p a m m p a 1 6 m n ( 热轧态)3 6 05 3 3 5 8 60 34 3 01 0 7 3 5 钢( 8 5 0 正火，空冷) 3 5 7 55 7 0 712 2 8 31 0 7 o 33 4 621 0 7 i3 3 3 11 0 5 4 5 钢( 8 5 0 正火，空冷)3 7 65 7 6 6 2 4 13 0 3 15 1 0 5 - 12 8 9 41 0 6 因此，此处主要以4 5 钢为参照对象进行j 5 5 疲劳试样的疲劳应力级别设计，同时参 考其它材料的疲劳极限。 西安石油大学硕士学位论文 对于结构钢的对称循环应力( r = 1 ) 的拉压( 理论应力集中系数= 1 ) 疲劳极限( n = 1 0 7 ) 【l 】： 盯一，= 0 2 3 p ，+ ) ( 2 9 ) 由j 一5 5 材料可得o 。= 2 0 6 0 8 m p a 2 4 5 8 7 m p a ，o m = o 。 对于非对称循环，等价应力幅为： d a = a a + ( p c r t i ( 2 1 0 ) 根据古特曼直线，得到4 5 钢的= 1 时的币= 0 3 8 。由于j 5 5 材料与4 5 钢材料的力 学性能相似，在此预选用母= o 3 8 。 将上述值代入式( 2 - 1 0 ) 即可求得j 一5 5 材料的等价应力幅约为o a = 2 0 6 0 8 m p a 2 4 5 8 7 m p a 。并由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 5 ) 计算得： 仃。= 半仃。 ( 2 1 1 ) 盯。= 盯一 ( 2 1 2 ) i r z 拟采用r = 0 2 o 3 的脉动应力循环方式。当r = 0 3 时，将该值代入由式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 和( 2 一1 2 ) 联立的方程组可得，g 。= 3 4 5 2 m p a ，即套管的疲劳极限a o3 = 3 4 5 2 m p a 。同理， 计算得出不同循环应力比r 对应的疲劳极限如表2 4 所示。 表2 - 4预计算得出的不同循环应力比对应的疲劳极限 最小应力o m 。m p a疲劳寿命 r 值 最大应力。m p a n 0 5 3 8 5 2 4 5 9 61 1 5 6 1 3 7 9 1 1 0 7 0 33 4 5 | 2 4 1 1 810 3 6 1 2 3 51 1 0 7 o 13 1 2 7 3 7 3 19 3 8 1 1 1 91 1 0 7 0 2 9 8 7 3 5 6 4 o 1 1 0 7 12 0 6 1 2 4 5 92 0 6 1 2 4 5 91 1 0 7 上述计算值只能作为参考值，不能作为最终的计算结果，也无法根据该值推算出不同 疲劳寿命所对应的应力值，因此仍旧无法准确确定三个应力等级。 此时，一般需要凭借一定的试验经验进行预试验来确定理想的应力水平。 参考表2 1 和表2 - 4 ，最终确定本试验以3 5 0 m p a 作为应力加载基准，并经过预试验， 最终确定三个应力等级分别约为o 。a = 5 4 0 m p a ，( ，m a x b = 5 0 0 m p a ，( y m 。c - - - - 4 8 0 m p a 。 1 6 第2 章套管钻井用套管柱的多轴疲劳试验研究 另外，由于所设计的疲劳试验寿命为中长寿命，为了避免数据覆盖的区域过于狭窄， 特做了一组超常寿命( 均大于1 07 ) 的疲劳试验。由于超常寿命的疲劳试验较为耗费机 时，且试验数据相当一致，在此仅选用了两个试件。该组试验的主要目的是与先前的试 验数据进行对比，并验证最后的计算结果。 如果将上述超常寿命疲劳试验也作为组，则本疲劳试验实际采用了四个应力级别。 本研究认为进行这样的处理是合理的。 2 2 4 试验结果记录 a 试验数据记录 按照上述设计，进行疲劳试样的拉一拉单轴疲劳试验。分四个应力等级，每一等级 进行4 6 个试件的疲劳试验，取得各试件的相应的拉一拉高周疲劳寿命结果见表2 5 。 其中，各轴向应力为对应的载荷与试件的最小横截面积之比。 根据现有经验可知，金属材料的疲劳寿命在中长寿命范围内具有较好的分布特性， 而在长寿命范围内离散性较大。因此，根据试验寿命的长短，各应力等级的试件数略有 差异。但对于应力级别特别低( 寿命超过1 07 ) 的疲劳试验，采用较多的试件意义不大， 在该应力级别下，我们可以认为试件的寿命是无限的，或者说试件的疲劳寿命1 0 0 地 超过1 07 。d 组试件的数量就是出