线性强化材料厚壁圆筒统一自增强分析

运用统一强度理论对承受内压且拉压屈服强度不同的线性强化材料的厚壁圆筒进行了自增强分析,得到了适用于多种材料的厚壁圆筒弹性区与塑性区中的应力分布、残余应力分布及合成应力分布的统一解析式,并根据厚壁圆筒的安定性条件和合成应力分布分析得出了最佳弹塑性半径和最佳自增强内压的统一解析解。运用统一强度理论可以给出符合多种材料特性的合理解。     

拉压屈服强度不同材料厚壁圆筒的自增强研究

本文运用莫尔屈服准则对承受内压的拉压屈服强度不同材料的厚壁圆筒进行了自增强分析 ,得到了依赖于材料拉压比的厚壁圆筒弹性区与塑性区中的应力分布 ,残余应力分布及合成应力分布。分析结果表明 ,材料拉压屈服强度的不同对结构的自增强有一定的影响。考虑到材料具有拉压强度不同的观点 ,本文的分析结果具有一般性     

管线钢管承压时焊接接头的应力分布研究

为了掌握管线钢管承压时焊接接头的应力分布情况,采用ANSYS有限元数值模拟软件建立了直缝双面埋弧焊管二维平面模型及三维立体模型,分析了钢管内部承压时焊接接头的应力分布,结果表明:钢管焊接接头等效应力的峰值出现在热影响区;三维模型的应力值大于二维模型,且随内压的增加而增大,并向焊缝处靠近。焊缝的几何尺寸对钢管承压能力也有显著的影响,适当的内外焊缝熔宽和熔深能够提高钢管的承压能力。     

有强化材料闭式厚壁圆筒的弹塑性解析分析

采用应力解法,导出了有强化材料闭式厚壁圆筒满足全量理论和VonMises屈服准则的弹塑性应力、应变和位移分量的一般解析表达式,其为厚壁圆筒的塑性失效设计提供了新的理论依据。     

空心微珠低密度水泥环完整性试验研究

为了提高空心微珠低密度水泥环的长期封固能力,开展了循环载荷及高内压工况作用下的水泥环完整性试验研究。利用三轴岩石力学测试系统,采用轴向循环加卸载的方法,分析了循环加卸载过程中水泥石的损伤形变规律;在试验基础上,结合厚壁圆筒理论,分析了高内压工况下水泥环的封固完整性。试验结果表明:循环加卸载与高内压工况均能使空心微珠低密度水泥环丧失力学封固完整性。为此,优选了可分散性纤维FK对空心微珠低密度水泥浆进行增韧改性,改性后的水泥浆性能良好,可满足固井施工要求;增韧水泥石的抗拉强度、协调形变能力和承压能力均有所提高,弹性模量下降。研究结果表明,可分散性纤维FK增韧效果较好,为进一步提高低密度水泥环完整性提供了理论依据和优化手段。      

受内压厚壁圆筒和厚壁方筒的应力分布

作者在建立了内压下厚壁圆筒的弹塑性应力公式之后,介绍了圆筒的残余应力实验研究和带圆孔的厚壁方筒的有限元计算结果,同时还指出了厚壁圆筒与厚壁方筒在应力分布方面的差别。     

中径公式应用于厚壁圆筒设计的条件

厚壁圆筒在内压力作用下处于三向应力（ 轴向应力、环向应力和径向应力） 状态, 按不同的失效准则和强度条件有不同的设计公式。ＧＢ１５０ —１９９８《钢制压力容器》采用的是弹性失效准则, 规定对设计压力ｐ≤０－４［σ］ｔ且不超过３５ＭＰａ 的压力容器按中径公式进行设计。通过对弹性失效准则下４ 种强度理论、中径公式及厚壁圆筒实测值的比较和实例验证, 表明用中径公式设计的高合金钢厚壁圆筒, 在水压试验时其内壁的应力有时超过材料的屈服极限, 使容器出现屈服现象。由此提出按弹性失效准则将中径公式应用于厚壁圆筒设计的条件为设计压力ｐ≤０－３５４［σ］ｔ且不超过３５ＭＰａ。     

高压厚壁圆筒的疲劳设计准则

高压厚壁圆筒的疲劳设计一直是研究和设计人员十分关注的问题。本文对具有代表性和实用性的几种高压厚壁圆筒的疲劳设计准则进行了评述，分析了其局限性和可用范围，提出了按照材料特性（动态自增强能力）来选择相应的设计准则并进行设计的建议。     

构筑井周坚韧屏障:井漏控制理论与方法

分析了低承压能力地层致漏机理,概括出应力笼、阻渗带和强固环3种地层强化理论,建立了不同理论指导下的地层承压能力强化模型,总结了理论的适用条件及对材料的要求,并通过现场实例分析了各理论的应用效果。裂缝扩展与延伸、渗流效应和地层压力衰竭是导致地层承压能力降低的主要因素。应力笼理论适用于裂缝欠发育的低渗—致密地层,要求材料具有足够的抗压强度和合理的硬度、粒度级配;阻渗带理论适用于孔隙型和裂缝性地层,要求材料具有高表面摩擦系数、弹性变形量、体积分数和强度,合理匹配刚性颗粒、纤维和弹性颗粒可提高封堵承压能力;强固环理论适用于裂缝/孔洞性地层,要求材料胶结岩体软弱结构面或形成稳定的高强度结构体。现场应用实例表明,3种理论具有良好的地层承压能力强化效果。     

组合周向应力计算自增强直径

单层厚壁圆筒在内压力作用下,周向应力为最大,以组合周向应力取最小值进行自增强直径的计算,可直观地反映出厚壁圆筒应力分布随自增强直径的变化,从而确定最佳自增强直径。     

钢质环氧套筒修复补强管道在内压作用下的环向应力计算

为了得到钢质环氧套筒修复补强管道在内压作用下的环向应力计算公式,根据内压作用下钢质环氧套筒修复补强管道的受力特点,建立了对应的力学分析模型,基于厚壁圆筒的应力解法和变形协调关系得到了内压作用下管道、环氧树脂胶层和钢套筒的环向应力理论公式,并通过试验对理论公式进行验证。结果表明,在不同内压作用下理论值与试验值的误差均在20%以内。该结果可以为内压作用下钢质环氧套筒修复补强管道的设计分析提供参考。     

用于高温高压井的胀封工具

为了提高胀封工具在高温下的承压能力,满足完井新工艺的实际需要,通过优选胀封工具的胶料制作出了耐高温高压的胀封皮碗;通过对胀封皮碗骨架结构的设计改进,提高了胀封皮碗的硫化效果,同时增强了胀封工具的承压能力;通过对胀封皮碗支承环的设计改进,进一步提高了胀封皮碗的整体承压能力及密封性能,最终研制成功了适用于高温高压井的新型胀封工具。室内试验和4口井的现场应用证明,该胀封工具能够在施工压力40MPa、温度为170℃的环境下正常工作。     

连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力计算方法研究

连续循环系统可以在更换钻杆接头操作时保持泥浆的连续循环。从连续循环系统上卸扣卡瓦的工作机理入手,分析了钻杆工作时的受力状态。在调研了卡瓦卡紧管柱力学模型的基础上,将钻杆看作厚壁筒,采用弹性力学中的拉美公式求解连续循环系统钻杆内、外受压的应力问题;将钻杆外表面承受的摩擦力矩看作圆筒扭转问题进行求解。给出了连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力的计算方法,可用于指导连续循环系统的设计。     

爆轰自增强残余应力的实验测试

以内外径为42mmx95mm的43CrNi2MoVA钢厚壁圆筒为研究对象，实验测试了爆轰自增强处理后所形成的残余应力。首先用Hopkinson拉（压）杆装置测得该材料在高应变速率下的动态力学性能；利用锰铜压力计测得沿移爆轰时界面压力随时间的变化曲线；随后用DYNA3D非线性动力分析程序计算了爆轰载荷作用下圆筒的弹塑性界面半径；最后用Sachs的内层逐次剥层法测量了自增强处理后在器壁上所形成的残余应力。测试结果表明，当超应变度约为70％时内壁面的周向残余压应力可达500MPa，与静液压法自增强在同样超应变度情况下的残余应力（有限元计算值）相差约6％，两种自增强方法在器壁内部的残余应力分布规律有所不同。     

周向斜接管内压圆柱形容器的应力集中

采用有限元法计算了具有不同角度周向斜接管圆柱形容器在内压作用下的弹性应力和变形,对周向斜接管内压圆柱容器的弹性应力分布、应力集中范围、变形特征、应力集中系数等问题做了初步探讨。计算结果表明,周向斜接管内压圆柱容器在接管与容器的相贯区存在明显的应力集中,相贯区在筒体纵向截面沿径向收缩,而在筒体横向截面沿径向膨胀,最大主应力出现在筒体的纵向截面,相贯区外表面在筒体的横向截面处于三向压缩状态;与正交接管内压圆柱容器相比,周向斜接管圆柱容器在内压作用下的最大主应力略小,二者基本满足Sβ=S0(cosβ)0.5;应力集中系数随着角度β的增加而降低。     

毫米级宽度裂缝封堵层优化设计

毫米级裂缝漏失一直是钻井堵漏的一大难题,封堵层的低承压问题不仅增大了堵漏材料的消耗量,而且还延长了钻井时间。为此,以封堵承压能力、累计漏失量、成封时间为指标,开展了2mm宽的裂缝封堵室内实验,评价了刚性颗粒、弹性粒子以及纤维3种封堵材料协同堵漏效果,并结合实验结果分析了不同材料协同封堵的机理。结果表明,刚性颗粒与弹性粒子组合形成的封堵层累计漏失量普遍大于400mL;弹性粒子与纤维材料组合形成的封堵层承压能力普遍小于6 MPa。3种材料协同组合封堵后承压能力提高到13 MPa,累计漏失量降为75mL。协同封堵过程中,刚性颗粒在裂缝狭窄处形成具有较高承压能力的骨架;弹性粒子在裂缝内发生弹性变形,弹性力作用于裂缝面并增强了裂缝面与封堵层之间的摩擦力,使封堵层更加稳定;纤维材料充填于颗粒之间并形成网络,增强了封堵层的致密性及整体强度。该成果为生产现场堵漏浆配方的优化提供了依据。     

无骨架内衬扩张式封隔器的研制与现场试验

为解决常规钢丝帘线或重叠钢片式扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱的问题,通过设计无骨架内衬扩张式胶筒,研制了无骨架内衬扩张式封隔器。该封隔器采用两端嵌套弹簧的方式来提高胶筒多次坐封的可靠性,在工作压差2.5~5.0 MPa下,胶筒可以充分胀封并可靠密封。室内试验表明,无骨架内衬扩张式封隔器在150℃下可以反复坐封/解封50次,双向承压85 MPa,解封后胶筒残余变形率小于1.5%。该封隔器在延长油田2口老井重复复压裂施工中进行了试验,其坐封显示明显,且在井内工作50 h多后,顺利解封,封隔器胶筒完好,外径仅由108 mm扩大至109 mm。研究结果表明,无骨架内衬扩张式封隔器封隔能力强,能重复坐封、解封,比常规扩张封隔器胶筒残余变形小,更易于解封起出管柱。      

循环应力作用下水泥环密封性实验研究

利用自主研发的水泥环密封性实验装置研究了套管内加卸压循环作用下水泥环的密封性,根据实验结果得出了循环应力作用下水泥环密封性失效的机理。实验结果显示,在较低套管内压循环作用下,水泥环保持密封性所能承受的应力循环次数较多;在较高循环应力作用下,水泥环密封性失效时循环次数较少。表明在套管内较低压力作用下,水泥环所受的应力较低,应力水平处于弹性状态,在加卸载的循环作用下,水泥环可随之弹性变形和弹性恢复;在较高应力作用下,水泥环内部固有的微裂纹和缺陷逐渐扩展和连通,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;随着应力循环次数的增加,塑性变形也不断地累积。循环压力卸载时,套管弹性回缩而水泥环塑性变形不可完全恢复,2者在界面处的变形不协调而引起拉应力。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,导致水泥环密封性失效,水泥环发生循环应力作用的低周期密封性疲劳破坏。套管内压力越大,水泥环中产生的应力水平越高,产生的塑性变形越大,每次卸载时产生的残余应变和界面处拉应力也越大,因此引起密封性失效的应力循环次数越少。      

自卸货车液压油缸爆裂原因分析

为了探究自卸货车液压油缸在卸货作业过程中突然爆裂的原因,通过宏观观察、扫描电镜分析、光学显微分析和力学性能试验等方法,对液压油缸断裂处母材、焊缝及裂纹扩展区组织及性能进行了试验研究。分析结果表明,液压油缸爆裂起源于油缸表面焊缝,由于焊缝在扩散氢、拘束应力和淬硬组织的共同作用下产生延迟冷裂纹,并在应力作用下,延迟冷裂纹不断扩展,最终导致爆裂失效。建议在缸体焊接时可通过烘干焊接材料及母材、改善焊接工艺等措施来防止爆裂发生。