（计算机系统结构专业论文）钻杆适用性评价及软件开发.pdf

= 2 j 要 摘要 钻杆适用性评价是刈含有缺陷的钻杆是否符合继续使用和如何继续使用的定量评 价。本文对钻秆适用性评价的意义、基本原理、评价中处理不确定性问题的方法、钻杆 疲劳寿命预测等方面的研究进展情况作了综述。并对钻杼评价中涉及到的力学性能、材 料性能参数的计第方法进行_ r 探讨。丌发了钻杆适用性评价软件，其功能有：( i ) 损伤 钻杆的安全状态评价( f a d 评价与极限缺陷尺i 十曲线) ；( 2 ) 钻杆疲劳寿命预测：( 3 ) 钻杆安全可靠性及风险性评价：( 4 ) 钻杆的操作极限。通过钻杆全尺寸疲劳试验和含有 缺陷钻杆的井下试验，证明了本文提出的评价方法和软件是可靠的。 本文利用计算：机技术，结合材料科学与力学的研究成果对钻杆适用性评价技术进行 了初步探讨，填补了我国在该领域的空白。这项技术对石油天然气工业具有重大的经济 与社会效益。 关键词：适用性评价软件钻杆 垒堕翌! ! a b s t r a c t f i t n e s s f o r - s e r v i c ea s s e s s m e n to fd r i l l p i p ei s t h e q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nf o rt h ed r i l l p i p e sc o n t a i n i n gd e f e c t st od e t e r m i n ew h e t h e rt h e yc a nb eu s e da n dh o w t h e ys h o u l db eu s e d c o n t i n u a l l y f h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no i lt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ：t h es i g n i f i c a n c ea n dt h eb a s i ct h e o r yo ff i t n e s s f 0 卜s e r v i c ea s s e s s m e n to fd r i l l p i p e t h em e t h o d sd e a l i n gw i t ht h eu n d e t e r m i n e dp r o b l e m sd u r i n gt h e a s s e s s m e n t ，p r e d i c t i o nf o r f a t i g u es e r v i c el i f eo fd r i l lp i p e a n ds oo n i td i s c u s s e st h ec a l c u l a t i n gm e t h o d so fm e c h a n i c a l a n dm a t e r i a l p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h e f u n c t i o n so f d e v e l o p e d f i t n e s s f o 卜s e r v i c e a s s e s s m e n ts o f t w a r eo fd r i l lp i p e ：( 1 ) s a f e t ys t a t u sa s s e s s m e n to f d a m a g e d d r i l lp i p e sf f a d a s s e s s m c n ta n dl i m i td e f e c td i m e n s i o n c u r v e ) ；( 2 ) f a t i g u es e r v i c el i f ep r e d i c t i o no fd r i l lp i p e ； ( 3 ) 3s a f e t yr e l i a b i l i t ya n dr i s ka s s e s s m e n to fd r i l l p i p e ；( 4 ) o p e r a t i o n l i m i t so fd r i l l p i p e f u l l 。s c a l ef a t i g u et e s to fd r i l lp i p ea n db o r e h o l et e s t so fd r i l l p i p e sc o n t a i n i n gd e f e c t sp r o v e t h er e l i a b i l i t yo fa s s e s s m e n tm e t h o d sa n ds o f t w a r ep o s e di nt h i sp a p e r u t i l i z i n g t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m b i n i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so fm a t e r i a l s c i e n c ea n dm e c h a n i c s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef i t n e s s - f o r s e r v i c ea s s e s s m e n tt e c h n o l o g yo f d r i l lp i p e ，a n df i l l su pt h ee m p t yo ft h i sf i e l di nc h i n a t h i st e c h n o l o g yh a st h em a g n i f i c e n t e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sf o ro i la n d g a si n d u s t r y k e y w o r d s ：f i t n e s s f o r - s e r v i c e s o f t w a r ed r i l lp i p e 创新性声明 y 5 8 3 3 5 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均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。 本人签名 日期：星理竺望 关于论文使用授权说明 本人完全了解西安电子科技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属西安电子科技大学。本人保证毕业离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然为西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采取影印、缩印或其他手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期： 日期： 丞型! ! 4 兰皑! ：生 争 绪论 第一章绪论 本项目来源于中国石油天然气集团公司石油管材及钻机提升系统失效规律 研究项目，是其子课题之，负责单位是石油管材研究所，本人作为课题组主 要成员之，参加了该项目，具体负责机理研究及软件开发。 1 1 钻杆适用性评价的目的和意义 现代工业的显著特点之一是向高参数大型化发展，以获取更高的经济效益。 为了保证长输管线、压力容器、钻采系统、石化装置等大型结构和装备的质量和 安全可靠性，工程界制定了一系列质量控制标准或称建造标准，如a s m e 锅炉与 压力容器规范s e c t i o n v i i i 等。这类标准是以长期工程实践经验为基础的，是为 制造厂提供的，作为产品质量的保证，并在历史上对于减少恶性事故的发生起了 关键作用。但是，已通过质量控制标准的这类大型结构、装备投入运行后，由于 制造工艺或运行损伤所造成的缺陷会逐渐暴露出来。这时如果只是依照严格且保 守的质量控制标准作出判断，往往会造成经费、人力和时间上的巨大损失。并且 由于现场条件与建造时条件有很大区别，实际情况复杂，有时不能从现有质量控 制标准中找到判别依据。 为了使安全可靠性与经济性两者同时得到高度兼顾，也就是在保证结构与装 备高度安全可靠性的同时，又能避免一切不必要的损失而获取最大的经济效益， 从8 0 年代起在国际上逐步发展形成了以“适用性”或称“合于使用”( f i t n e s sf o r s e r v i c e ，f i t n e s sf o rp u r p o s e ) 为原则的新的评价标准或规范。这实际上是人 们观念上的一次深刻变革，见图l 。 适用性评价是对含有缺陷的结构或装备是否适合继续使用以及如何继续使 用的定量评价，是以现代断裂力学、弹塑性力学和可靠性系统工程、结合计算机 技术为基础的严密而科学的评价方法。 a f i ( 美国石油学会) 认为适用性评价规范在美国石油z ) l k 的推广1 应用，每 年至少可以获得近1 0 亿美元的经济效益。英国b g 公司在1 9 9 0 年，曾对1 9 7 7 年投入使用的北海油气刚至德国的一条4 4 2 k m 长，9 1 4 4 m m 口径的海底天然气输 绪论 送管线，在已经发生局部腐蚀条件下，能否提高输送能力的问题成功地进行了适 用性评价，取得了巨大的经济效益。 从总体看，我国在石油管材及装备方面尚未系统深入开展适用性评价工作。 例如，石油钻井的著下失效事故中，钻杆断裂特别是疲劳断裂占据了很大比重， 为了减少这类严重事故发生，迫切需要科学地兼顾钻杆安全可靠性与经济性评价 方法，即适用性评价方法。虽然b a d a l e 、w u j 等在钻杆疲劳寿命预测方面作 了大量卓越工作，但是以失效评价图( f a d ) 技术为基础的钻杆适用性评价，在 国内尚属空白研究领域。 巨大浪赞 返修更换 非适用性评价 舌 适用性评价 ( 以现代断裂力学和 可靠性工程为慕础) 否 垣修或更换 图1 适用性评价的意义 n 困 i ( 如美冒石化i i 行业一年可i i 获得1 0 亿美l i 圆经济效盏) l i 。j 可接受 1 2 国内外发展现状及发展趋势 f 运行 适用性评价是对含有体积型( 包括局部减薄) 或平面型( 也称裂纹型) 缺陷 的结构、装备能否适用于继续使用的工程定量评价。一般讲适用- 隆评价所涉及的 是含有缺陷结构的剩余承载能力、缺陷的尺度及有关的材料强度参量三者之间的 函数关系( 也称“三角形关系”) ，见图2 。如果其中两者是定量确定的，则另外 量 绪论 一项的极限值是可以计算得到的。 ( 1 ) 用性评价包括： 缺陷定量检测 依据严格的理论分析判定缺陷对安全结构安全可靠性的影响 对缺陷的形成、扩展及构件的失效过程、后果作出判断 ( 2 ) 用性评价按四种情况分别处理： 对安全生产不造成危害的缺陷允许存在 对安全性虽不造成危害但会进一步扩展的缺陷，要进行寿命预测，并允 许在监控下使用 若含缺陷结构降级使用时可以保证安全可靠性要求，可降级使用 若含有对安全可靠性构成威胁的缺陷的构件，应立即采取措施返修或停 用 材料( 耕) 材料性能 工厂试验报告 韧性数据 最低性能 m c = g ( 8 ，a ) 检测及缺陷的定量描述( s ) 可视严重程度 厚度测量 裂纹检测 腐蚀检测 s c = f ( m a ) 力学方面( o ) 工程评价 应力分析 有限元分析 断裂力学、概率断裂力学、 承载能力 a c = h ( s ，m ) 图2 现代断裂力学、适用性评价中的三角形关系 当前国际上有代表性的适用性评价方法有：美国电力研究所( e p r i ，1 9 8 1 ) “弹塑性断裂分析工程方法”，英国中央电力局( c e g b ，r - 6 ，1 9 8 6 ) “焊接结构 绪论 缺陷可接受性评价方法指南”，美国a s m eb 3 2 1 g ( 1 9 9 1 ) “确定腐蚀管线剩余强 度的手册”，国际焊接研究所( i i w ，1 9 9 0 ) “焊接结构适用性评价指南”。 在美国石油学会的支持下，近几年美国材料性能委员会( m p c ) 和a m o c o 公 司等3 2 家研究单位和石油公司共同研究和完成了石油天然气工业的适用性评价 推荐作法，“a p ir po nf i t n e s sf o rs e r v i c e ”。该规范含有平面型( 裂纹型) 和体积型( 包括局部减薄) 缺陷的结构或装备进行全面的适用性评价，并已有相 应的计算机软件。我国在该方面研究目前依然比较薄弱。 适用性评价的重要基础也是当前研究的热点之一，是含有体积型缺陷结构的 极限承载能力的分析评价，它相对把这种缺陷作为裂纹处理的断裂力学的评价方 法( 如a s m eb 3 i g1 9 9 1 ) ，可以更充分挖掘结构的承载能力，满足更高的经济性 要求。以英国b g 公司为首，包括b a t e l l e 、s e r i ( 西南研究院) 、s h e l le x x o nd n v 等1 2 家著名研究机构和大公司，正在( 1 9 9 4 1 9 9 6 ) 联合进行这类课题的研究， 包括弹塑性三维有限元分析、低周应变疲劳及全尺寸试验等内容，耗资9 0 万英 镑( 约1 3 0 0 多万人民币) 。该项研究成果可用于含体积型缺陷管线的完整性可 靠性评价，维修性判别标准的制定及剩余寿命预测，从而进一步促进适用性评价 方法的完善。 适用性评价研究的另一个热点概率断裂力学的应用。断裂力学与可靠性理论 的工程应用和相互渗透的结果，在7 0 年代产生了概率断裂力学，8 0 年代得到了 迅速发展。概率断裂力学是研究当应力、强度、缺陷尺寸及环境因素为随机变量 时，结构或者说装备在给定寿命下的破坏概率和可靠度，它为现代断裂力学与可 靠性工程的推广应用开辟了新领域，提高到新水平，显示了强大生命力。适用性 评价规范的研究中，概率断裂力学的应用已经普遍得到重视，正在发展形成以概 率断裂力学为基础的“概率适用性评价程序”，m p c 的p r e f i s 软件已具有概率分 析功能。美国西南研究院( s w r i ) 新近开发的“应力下随机结构的数值评价 ( n e s s u s ) ”软件，是已得到较广泛应用的概率适用性评价软件。 九十年代初，在a p l 支持下，由m p c 组织的大型国际联合研究项目“石化装 备适用性评价方法”开展以来，根据其研究成果开发了适用性评价计算机软件 p r e f i s 。与早期软件相比，p r e f i s 作了很大改进。从内容上，它将结构损伤分 为断裂分析、裂纹长大、局部减薄三大类，基本包括了常见的损伤模式，分支繁 绪论 多。从分析项目上，既有已知缺陷分析，也有极限缺陷尺寸分析、残余寿命分析 等多方面内容，它还包括概率分析程序。从计算机技术上采用w i n d o w s 环境下开 发工具h y p e r s r lp t ，利用对话框界面进行输入输出，界面友好，操作方便。我 国在这方面尚属空白 总之，我国石油工业中还缺少适用性评价方法和软件。在油井管材方面开展 适用性评价，国内尚属空白研究领域。 1 3 本文主要工作 ( 1 ) 钻杆适用性评价方法物理模型的建立和逻辑模型的建立 ( 2 ) 需求分析，确定软件的总体结构及逻辑模型； ( 3 ) 软件设计，总体结构分解为各个功能模块并确定算法； ( 4 ) 选择适当计算机语言进行软件编程： ( 5 ) 软件分段测试； ( 6 ) 软件总体测试，包括采用实例验证。 钻杆适用- 牲评价原理 第二章钻杆适用性评价原理 针对钻杆适用性，目前采用的基本方法有失效评估图( f a d ) 、可靠性及风险 评价、可长大型缺陷评价等方法。 2 1 失效评估图 安全性是产品不发生事故的能力，含有缺陷结构的安全状态如何是人们首先 关心的，失效评估图( f a i l u r ea s s e s s m e n td i a g r a m ，f a d ) 是国际公认的安全状 态预测的基本方法，也是适用性评价的核心与基础，见图2 1 。f a d 中横坐标是 载荷比l ，纵坐标是韧性比k r 。l 。的定义为含有缺陷结构所承受的载荷f 与屈服 的载荷f ，之比( 也可以表示为极限分析法计算的参考应力0 。与屈服应力0 ，之 比) ，是塑性破坏( 或称塑性崩溃、塑性失稳) 失效的控制参量。k ，的定义为含 有缺陷结构承载时缺陷处的应力强度因子k i 与材料断裂韧性k m a t 之比，是脆性 断裂失效的控制参量。失效评估图上有两条边界线，一条为失效评定曲线条 ( f a c ) ，是弹塑性断裂评定准则，另一条为l r = l ，1 的截止线，是塑性破坏评定 准则。因此，f a d 所评定的包括了从线弹性、弹塑性到全塑性结构断裂的全部范 围。对于含有缺陷结构的给定状态( 如图2 1 中所示的有关参量已知时) ，可以 计算相应的l ，和k ，值，得到f a d 中的评价点a ( l ，k 。) 。若a 点落在边界线之内， 则该结构状态为安全的。本标准中所采用的偏于安全的f a c 可以表示为： k 。) = ( 1 一o 1 4 鹭) p ，3 + 0 7 e x p ( 一06 5 l 6 ，) j ( 2 1 ) 在式( 2 1 ) 中，上，l 咖。) ，l ，( ) = ( 盯，+ j 。) 2 0 ，。，为屈服强度，ou 为抗 拉强度。在安全性评价中处理不确定性问题时以及寿命预测时均是以f a d 为基础 的。 2 2 可靠性及风险性评价 应用失效评估图于对含有缺陷结构的安全性进行评价( 简称断裂分析) 属于 确定性的分析方法。然而工程实际中，例如载荷、缺陷尺寸、材料性能等必然是 具有一定程序不确定性的变量。为了解决这一问题，一般采用以下4 种方法。 6 钻杆适用性评价原理 22 1 分安全系数( p a r t i a ls a f e t yf a c t o r ，p s f ) ：“分安全系数”的提出是以 可靠性理论为基础的。将3 种风险等级的应力、缺陷尺度、断裂韧性的分安全系 数引入评价程序，使得评价结果可以达到预期可靠性目标。低风险指失效后果很 小，可以接受的失效概率为2 3 x1 0 ，即可靠度= 9 7 7 ；中等风险指失效后果一 般，可以接受的失效概率为l 1 0 。，即可靠度= 9 9 9 ；高风险指失效后果严重， 可以接受的失效概率为1 1 0 ，即可靠度= 9 9 9 9 9 。目前国际上公认的分安全 系数的取值见表3 1 。评价程序中要求将各参量乘以相应的分安全系数作为输入 参量，应力分安全系数p s f s 只是对于主要应力采用。 卑r 失效评价曲线( f a c ) j-一 k = ( 1 0 1 4 l ，2 ) i o + 07 “p ( 一0 6 5 l 6 ) j ， 自l ，5l 。l l = 【。y + o o ) ，2 ay ) 小 脆性断裂 a ；宣全区 i = 菘一 ：r 柑“洲t 图2i 失效评估图( f a d ) 的示意图 表21 分安全系数的取值( 注：变异系数c o v = s d ( 标准偏有效期) u ( 平均值) ) 分安全系数低风险中等风险高风险 p s f ，( 应力的c o v 5 ) 1 11 42 0 p s f 。，( 应力的c o v e a k ，。的条件下( a k 。为疲劳裂纹扩展门槛值，材料性能参数) ： 钻杆适用性评价原理 d a d n = c ( k ) ” ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式中d a d n 是疲劳裂纹扩展速率( m c y c l e ) ，c 和n 是材料性能参数( 即 已知缺陷在给定载荷与环境下的长大规律) ，a 是裂纹尺寸，n 是疲劳应力循环数， k 是疲劳应力引起的应力强度因子范围。由p a i r s 方程可以导出： n 地= j ( 1 c ) ( 斌) 一”d a ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式中n r 裂纹由初始尺寸a ，长大到临界尺寸a ，( a ，由含有缺陷结构的损伤 容不得限确定) 的应力循环数，即疲劳寿命，是可以通过数值积分得到的。若 a k a k 。，则d a d n = 0 ，可以认为具有无限疲劳寿命。适用性评价技术中的剩 余寿命预测的主要目的是有助于确定合理的检测周期、制定在役监测方案和维修 决策。 2 3 3 先漏后破分析 对于压力容器与管道，如果缺陷长大规律是未知的，但是通过评价可以确认 缺陷将先穿透壁厚而不引起结构的破坏( 称为满足先漏后破条件) ，则这些缺陷 是允许的，只需制定在继续运行中如何对泄漏进行监视。这种方法称为先漏后破 分析。先漏后破分析方法的采用，需要受到严格的限制，例如是不能用于应力集 中区域和有大的残余应力的焊接件附近的缺陷评价。钻杆只是刺穿而不发生断裂 的情况就是满足了先漏后破条件。 2 3 4 在役监测 如果缺陷尺寸远远低于临界值并且缺陷长大规律难于确定，可以继续运行该 结构装备，但是要进行在役监测。在役监测的方法有确定腐蚀速率的腐蚀探针、 评定氢损伤的氢探头、测定金属损失和裂纹长大的超声和声发射技术等。 2 4 钻杆主要的缺陷类型与损伤机制的识别 大量钻杆失效分析资料表明，钻杆主要的缺陷与损伤机制可见表2 2 。 钻杆适用性评价原理 表22 钻杆缺陷类型 缺陷部位缺陷特征缺陷类型主要损伤机制处理 1 管体壁厚均体积型1 ( 均匀金 磨损、均匀腐蚀进行评价 匀减薄属损失) 2 内外表面局体积型2 ( 局部金 腐蚀、冲蚀进行评价 部腐蚀坑属损失) 3 内外表面腐 蚀坑底有环向 环向内、外表面 管体裂纹 腐蚀+ 腐蚀疲劳进行评价 微裂纹 环向内表面裂纹 4 刺穿发展为环向穿透腐蚀疲劳报废 裂纹 轴向内、外表面应力腐蚀、热疲 5 轴向裂纹报废 裂纹劳 l 内加厚过渡 区消失处 环向内表面裂纹腐蚀+ 腐蚀疲劳进行评价 加厚区环向内表面裂纹 2 刺穿发展为环向穿透腐蚀疲劳报废 裂纹 1 漏检的焊缝 环向埋藏裂纹、焊接工艺进行评价 管体与接头焊接缺陷 环向内外表面裂 磨擦对焊处2 焊接缺陷诱 纹疲劳、腐蚀疲劳进行评价 发裂纹 吊卡9 0 。台肩 环向外表面裂纹弯曲疲劳报废 根部裂纹 螺纹根部裂纹环向内表面裂纹疲劳、腐蚀疲劳修复报废 内螺纹接头轴向内、外表面 轴向裂纹应力腐蚀报废 裂纹 端部经向胀大 过量变形扭矩过大报废 ( 喇叭口) 外螺纹接头螺纹根部裂纹环向外表面裂纹疲劳修复报废 本文的主要工作就是在此基础上进行评价。 钻杆主要失效类型及评价方法 第三章钻杆主要失效类型及评价方法 钻杆的主要失效类型分为裂纹型与体积型缺陷，下面就此展开讨论。 3 1 裂纹型缺陷 裂纹型缺陷是平面型缺陷，用长度( 2 c ) 和深度( a ：表面裂纹；2 a ：埋藏裂纹) 柬描述，具有很尖的裂纹根部半径( o 2 5 r a m ) ，很小的裂纹宽度( 0 2 5 r a m ) 。基 于保守的观点，尖锐的机械伤痕和腐蚀沟槽、腐蚀坑底有微裂纹、未焊透和未融 合焊接缺陷、成片分布的空洞或夹杂、折叠等均应视为裂纹型缺陷。 3 ，1 ，l本项目限定评价的裂纹型缺陷范围是： ( a )管体上的表面裂纹型缺陷； ( b )加厚区( 包括过渡区) 的表面裂纹型缺陷 ( c )管体与接头摩擦对焊处裂纹型缺陷。 3 1 2 评价需要的信息和数据 3 1 2 1 钻杆管体与接头的实际几何尺寸、钻杆钢级 3 1 2 2 钻杆工作参数，包括井深、钻柱设计、泥浆泵压、钻压、井段弯曲度( 狗 腿度) 、钻井液密度等，以便对于钻杆所受的载荷及应力状态进行定量分析( 见 附件a ) 3 】，2 3 主要应力与二次应力 用于分析的钻杆承受的应力均指在裂纹型缺陷所在的平面上、无缺陷时弹性 力学解。它包括主要应力( 亦称一次应力) p 与二次应力s 。主要应力是外部载 荷引起的应力，是导致含有裂纹型缺陷钻杆各种断裂失效的力学条件。二次应力 是自平衡的内应力，包括焊接残余应力、热应力、上扣预紧应力、冷加工残余应 力等。二次应力只对脆性断裂( 即韧性t ek r ) 有影响，而对塑性破坏无影响。 钻秆接头上扣扭矩引起的外螺纹接头螺纹部位的拉伸应力或内螺纹接头螺纹部 位的压缩应力均是二次应力。如果摩擦对焊处未经焊后热处理，也会存在焊接残 余应力，亦属于j 次应力( 当然这种情况几乎不会发生) 。对于冷校弯曲变形钻杆 进行评价时，应当考虑冷变形残余应力。 钴杆主要失效类型及评价方法 ( a )需要考虑应力沿壁厚的分布。均匀分布的应力指在裂纹型缺陷所处的 平面上应力是定值。线性分布的应力一般是由于弯矩引起。在有应力集中的部位 ( 如吊卡台肩根部) 应力沿壁厚的分布可能呈二次方或三次方的幂指数分布，详见 附录a 。沿壁厚的应力分布可以表示为 p ( x t ) 毛，十p ，( x t ) + p ：( x t ) 2 + p ，( x t ) ( 3 1 ) ( 3 1 ) 式中：x 沿壁厚的坐标，x = 0 为表面裂纹所在的表面，m m ； t 壁厚，m m ： p 。p i 、p 2 、p ：；为系数，m p a 。 当p 。= p ：= p ：产o ，为均匀分布应力；当p 。= p 3 _ o ，为线性分布应力：以此可以类推。 为了计算k r 和l ，的需要，幂指数分布应力可以线性化处理为薄膜应力p 。十p 。， p ( x = t ) = p 。一p 。 ( b )应力分析可以采用有关的手册或书籍所提供的方法，有条件时，最好 采用有限元方法。附录a 提供了由钻井工况计算应力的方法。 ( o )必须依据定义对应力进行“主要应力”还是“二次应力”的分类，在 难于确定的情况下，从保守的观点，可以作为主要应力对待。 3 i 2 4 材料性能 ( a )管体和接头材料的屈服强度0 ，和抗拉强度o 。在不能用试验测定时， 可以采用相应规范的下限值。 ( b )管体和接头材料的断裂韧眭k 。断裂韧性k 。的确定方法见附录b 。 一般可以采用由夏比冲击吸收功a k v 的最小值5 4 j 和o ，通过下式换算 k 。= j ， o 6 4 ( a h a ，一o 叭) 】0 5 ( 3 ，2 ) ( 3 2 ) 式中：k 。材料断裂韧性，m p a m 。5 ； o ，材料屈服强度，l p a ； a 。材料夏比冲击吸收功，j 。 ( c )材料性能，尤其是断裂韧性短训班是有一定程度不确定性的参量。 从保守观点应采用下限值，或者进行概率分析。 3 1 2 5 裂纹型缺陷特征 ( a )裂纹型缺陷主要分为内、外表面裂纹、埋藏裂纹和穿透裂纹。裂纹取 向分为环向与轴向。在高度应力集中区( 如吊卡台肩、接头螺纹根部等) ，可以出 钻杆主要失效类型及评价方法 现环向3 6 0 。内、外表面裂纹。 ( b )评价的裂纹型缺陷可以是存在的，也可以是设想的，取决于评价的目 的。 ( c )裂纹型缺陷的长度( 2 c ) 和深度( a 或2 a ) 是指在最大主应力作用面 上的几何值( 即i 型，张开型) 。钻杆裂纹型缺陷主要是环向，满足该条件。个 别例外，需要进行投影，得到2 c 和a 或2 a 值。 ( d )对于表面裂纹，确定深度要比确定长度困难。可以采用“a = 2 c 2 5 ” 的经验关系估算，也可以按t 4 、t 2 、t 等不同等级裂纹深度进行评价。严格的 评价应当有准确的a 值。 ( e )依据不同情况，理藏裂纹要等效为表面裂纹、表面裂纹要等效为穿透 裂纹再进行评价。多个裂纹之间有交互作用问题，要按规定进行等效化处理后才 能评价。 ( f )常见裂纹型缺陷的分类、名称及代码见表3 ，l 。 表3 1 裂纹型缺陷的分类 裂纹分类裂纹名称代码 环向内表面椭圆裂纹 c i s 环向外表面椭圆裂纹 c o s 环向表面裂纹 环向3 6 0 。内表面裂纹 c l i s 环向3 6 0 。外表面裂纹 c l o s 埋藏裂纹环向埋藏裂纹c e k 穿透裂纹环向穿透裂纹c t k 轴向内表面裂纹 a i s 轴向表面裂纹 轴向外表面裂纹a o s 内加厚过渡区消失处内 特例 u s i s 表面裂纹 3 14 评价方法 3 14 1确定裂纹类型和缺陷的尺寸，确定材料性能参数、屈服强度、6 。、抗 拉强度6 。、断裂韧性k 。 钻杆主要失效类型及评价方法 一一一 3 1 4 2 确定应力参数，包括主要应力p 和二次应力s 如果采用分安全系数于评价程序，需要进行如下修正 a = a p s f ( 3 3 ) 2 c = 2 c ，p s f 。 ( 3 4 ) k 。= k 。p s f 。 ( 3 5 ) p 。= p 。p s f 。 ( 3 6 ) p 。：p 。p s f 。 ( 3 7 ) 3 1 4 3 计算载荷比l ， l ，= o 。， ( 3 8 ) 0 。的计算方法见附录d 。 31 4 4 计算应力强度因子 计算主要应力引起的应力强度因子k f 和二次应力引起的应力强度因子k 8 ， 应力强度因子k 。的计算方法见附录c 。k 。9 或k t 8 的值若为负值时取0 0 。 3 1 4 5 计算由于二次应力引起的塑性交互作用因子p 。 若l ，o 8 0 ，则p = p ( 4 ，n ) 若0 8 l ， 0 ，则可以产生一组符合随机变量分布的一个样本x 。，x ：， x ) ，计算y 的一个随机数，看y 是否小于、等于零( 即是否不满足安全状态条件) 。 如此反复进行m 次，就得到y 的m 个随机数。如果m 个y 的随机数中有l 个小于、 等于零，当m 趋于无限大，由大数定理，此时的频率l m 就近似于概率，从而 1e 钻杆主要失效类型及评价方法 得到失效概率f = l m ，可靠度r = l f = 1 一l m 。不满足安全状态条件就是评价 点a 落在f a d 的安全区之外( f a c 上或之外) 。蒙特卡罗模拟中不再使用分安全系 数。 3 4 疲劳寿命预测 3 4 1 范围 与3 1 节所限定的范围相同。该钻杆的状态还必须通过3 1 4 节评价是安全 的。由于钻井液的存在，钻杆疲劳寿命预测就是腐蚀疲劳寿命预测。 3 4 2 疲劳应力 疲劳应力或称交变应力ap 是计算应力强度因子幅度k 的基础， k k = p i y ( 劂工) o 5 l ( 3 1 3 ) 式( 3 1 3 ) 中，y 称为无量纲形状校正因子，是裂纹类型和尺寸的函数( 见附录 c ) 。对于钻杆ap 主要由井段弯曲度( 狗腿度) 引起的交变弯曲应力p 。和下部 钻具振动引起的交变轴向应力p 。构成，计算方法见附录a 。由于钻杆同时承受 较大的轴向拉伸应力p ，峰值载荷( 最大载荷) p 。f 卧ap 2 ，最小载荷p o h = p ap 2 。应力比r = p 。p 。同时限定r 0 。 3 4 3 钻杆材料疲劳性能参数 钻杆疲劳寿命预测是以线弹性断裂力学的p a r i s 方程为基础的，因此必须确 定k c 和1 3 值。管体与接头材料不同，应取不同的值。严格讲k 。c 和n 值不仅与材料有关，而且与环境和应力比r 有关，有关细节见附录b 。 3 4 4 含有表面裂纹的钻杆疲劳寿命预测程序 3 4 4 1 含有表面裂纹的钻杆疲劳寿命预测程序见图4 2 。 3 4 4 2 确定初始裂纹尺寸a 。2 c 。 3 4 4 3 计算k ( a 。2 c 。，) 与ak 。、比较 若k ( a n ，2 c “) a k 。n 时，可以认为具有无限疲劳寿命，退出程序。因为 a k t n 是剥环境、应力比r 等很敏感的材料参数( 详见附录b ) ，所以k 。的取值 必须是可靠的、保守的。若k ( a 。2 c 。) ak 。时，进行疲劳寿命预测。 3 4 4 4 选取适当的裂纹尺寸增量a a ，a2 c 设定j 为自l 开始递增的整数，可以得到数组a j = a 。，j a ：2 c j = 2 c 。+ ja2 c 。 钻杆主要失效类型及评价方法 原则讲，aa 值越小计算精度赵高，但比较费时。2 c 的设定应由裂纹扩展规律 的“a 2 c ”值决定。 3 4 4 5 依据3 1 节的方法，采用峰值载荷p 。计算l ，( a ，2 c ，) 、k ，( a 。，2 c 。) ， 依据式( 21 ) 计算l 。和k 。 3 4 4 ，6 若l 。( a ，2 c ) 缺陷类登) ( 5 ) 规格尺寸 ( 6 ) 应力输入 钻扦适用性软件开发 ( 7 ) 拉伸性能 ( 8 ) 韧性 ( 9 ) 确认输入 筑筮热= 蕊鲞 缺鞴典型 缺路部钽 累纹职陶 内， 袭萄 钻杼綮厚” 麓毁长窿2 c - 压力群式 p b - 拈轩捐镘 裂纹型缺酪断裂 营俸 憔向 尹 震箍 9 0 0 t r i m 2 8 m m 薄髋匝办博岛 t 7 00 0 h p 6 2 7 单位率l 详价类型 磷蟾裳型 轱杆，淞d 一 裂皱深废e - 圭要应力： 工i t - 盎廛t 。 翱性 鞠际革证 给定缺陷冠寸的详价 表面袭绞 纛筘 铺秆适用健软付开发 ( 1 0 ) 运行 ( 1 1 ) 输出绺果 文本方式输出 强形方式输出 一 l l 7 ： _ h - 4 ，3 4 3 部分稳序 s e 。h 文件为： c l a s sc s c ：p u b l i cc s c r o l i v i e w p u b l i c ： c s c 0 ： d e c l a r e d y n c p , e a t e ( c s c ) 2 9 a t t r i b u t e s p u b i i c ： 钻杆适用性软件开发 i n td i s p l a y l l l i l ( c d c * p d c v o i di t l n l l l l l0 ： 略去部分子程序定义 o p e r a t i o n s p r o t e c t e d l o g f o n tl f i ，l f 2 ： c f o n tf o n t l l ，f o n t l 2 ：显示字体定义 略去程序本身定义 ) a f xm s g d e c l a r e m e s s a g em a p0 f f f f f f f e x t e r ni n td w ，1 w b m ：定义外部变量 e x t e r nd o u b l e z g b h ，z g w j ，1 w c d ，1 w s d ，q f q d ，k l q d ，l j c t ，y l z l ，y l z 2 ， e x t e r nd o u b l ez q y l o ，z q y li ，z q y l 2 ，z q y l 3 ，z s n l ，x s c e x t e r nd o u b 】ep s f a ，p s f p ，p s f k ，j t w j ，j t n j ，j t b h e x t e r ni n tf x z d ： e x t e r nd o u b l eg d s d ，g d c d e x t e r nl o g f o n tl f l 1 f 2 ： e x t e r nc f o n tf o n t f o n t 2 y l z 3 ，y l z 4 ，j z y b d k t h ，r s s d ，c s c d ，z j z s - 互 ” ar 略此序叩 程 e 唧 已 d 钻杆适用性软件开发 d o u b l er o ，b f m ，c i t a l ，c i t a 2 ，r t ，l a m d a ，m t ，r l l s x ，a 3 ，a l f a i a l f a 2 ，z i ，z 2 p m ，p b ，r e f p l ，r e f p 2 ，a c ，q ，f f a i ，m l ，m 2 ，m 3 ： d o u b l eg o ，m m k ，q q ，h i ，g g l ，9 9 2 ，h 2 ，h ，m b ，9 1 ，9 2 ，9 3 ，f w ，k i l ，k i 2 ： d o u b l ea o ，a l ，a 2 ，a 3 ，a 4 ，a 5 ，a 6 ，a 7 ，a 8 ，b o ，b 1 ，b 2 ，b 3 ，b 4 ，b 5 ，b 6 ，b 7 ，b 8 i f ( d w = = o )国际单位时 p 0 2 y l z l $ 1 4 5 * p s f p ： p 1 = y l z 2 * 1 4 5 * p s f p ： p 2 = y l z 3 * 1 4 5 * p s f p ： p 3 = y l z 4 * 1 4 5 * p s f p ： r i = ( z g w j 2 一z g b h ) 2 5 4 t = z g b h 2 5 4 ； c = 1 w c d 2 5 4 2 * p s f a ； a = 1 w s d 2 5 4 * p s f a ： y s = q f q d * i 4 5 ： k i c = l j c t 9 1 0 + p s f k ： ) ： i f ( d w - = 1 ) p o = y l z l 半l 0 0 0 术p s f p ： p 2 = y l z 3 * 1 0 0 0 * p s f p ： r i = z g w j 2 一z g b h ： c = 1 w c d 2 * p s f a ；