水下防喷器疲劳寿命分析及判废研究

目前,国内尚无针对水下防喷器专用的判废标准,采用通用判废指标对其进行判废,适用性较差。在分析国内外井控装备判废标准的基础上,确定了年限和承压次数为防喷器的主要判废指标。通过防喷器壳体的强度分析,基于材料的S-N疲劳曲线法,计算防喷器壳体疲劳寿命; 应用Paris公式对含裂纹缺陷防喷器壳体疲劳寿命进行分析。结果表明:防喷器壳体在额定工况下及试验工况下满足强度要求; 以疲劳理论计算出额定工作压力工况下的防喷器的承压循环次数及工作年限远大于标准中要求的指标; 含有初始裂纹防喷器壳体的疲劳寿命远小于未含有裂纹的壳体疲劳寿命,且随着初始裂纹尺寸的增加,防喷器壳体的疲劳寿命逐渐降低。通过对防喷器壳体进行疲劳寿命分析,为水下防喷器判废研究提供了一种新思路。     

海底管道维修过程中的疲劳分析研究

在海洋油气田中,海底管道是输送油气水介质的关键设施,海底管道一旦遭受破坏,油气田的正常生产将无法进行。海底管道的维修十分重要。本文依据S-N曲线及MINER线性累计损伤理论,利用OFFPIPE软件建立海底管道铺设模型,对海底管道维修过程进行疲劳分析,论证了各对应海况下按方案施工的可行性,同时也为维修过程选择合理的施工海况提供了计算支持。     

SL120型水龙头疲劳试验研究与有限元分析

在钻井作业中,水龙头主要承受起下钻具、悬持钻柱、卡钻或遇阻时提拔钻柱以及排除井下事故等情况下复杂交变载荷的作用,极易发生疲劳破坏。鉴于此,根据SL120型水龙头使用工况,结合各构件材料的受力情况,通过试验获取主要构件材料的S-N曲线,并应用ANSYS软件的Workbench模块开展水龙头整体疲劳分析获取水龙头各构件的应力值,最终得到水龙头各零件的最小疲劳循环次数为1×10~7次,并将所得的循环次数与预期的最大循环次数对比,验证了水龙头的安全性。研究结果为该水龙头的结构优化和材料优选提供了理论依据。     

钻杆接头多轴疲劳寿命

在实际钻井过程中,钻杆接头以螺纹连接处的疲劳破坏为主,导致钻井成本显著增加。现有对钻杆接头的研究主要集中于钻杆接头的静力学特性分析,少有涉及钻杆接头的疲劳破坏的研究。基于虚功原理、Von Mises屈服准则及接触非线性理论,考虑螺纹升角的影响,建立了钻杆接头的三维有限元计算模型,分析了钻杆接头的上扣特性及其在复合载荷作用下的力学特性。基于材料S-N曲线,综合考虑尺寸系数、应力集中系数、表面加工系数及表面强化系数的影响,确定了钻杆接头的弯曲疲劳S-N曲线理论模型,通过对比验证建立了满足工程要求的钻杆接头疲劳有限元计算模型。运用多轴疲劳算法,计算了钻杆接头在复合交变载荷下的疲劳寿命,分析了残余应力和表面质量对疲劳寿命的影响。研究结果表明,在上扣扭矩或复合载荷作用下,钻杆接头最大Mises应力均出现在公扣第1有效啮合螺纹牙根处;弯曲井段API钻杆接头的疲劳寿命较小,建议开发适合超深井、水平井、大位移井及大斜度井的专用钻杆接头;残余应力与表面质量对钻杆接头的疲劳寿命影响较大,在钻杆接头螺纹根部引入可控的残余压应力和改善表面质量可以大幅提高其疲劳寿命。     

特殊扣钢管的疲劳理论、试验与应用

为了促进特殊扣钢管抗疲劳性能的进一步提升,从特殊扣钢管管体材料的疲劳、螺纹连接的疲劳、螺纹连接的设计等方面进行了研究。分析了循环载荷作用下特殊扣钢管疲劳产生的主要原因;以法国VM公司和阿根廷Tenaris公司等国外主流抗疲劳特殊扣产品为例,阐述了螺纹设计时摩擦系数、螺距、锥度和应力释放结构对疲劳的影响;介绍了研究特殊扣钢管疲劳问题的试验装置及测取S-N曲线的基本问题,重点讲述了共振型全尺寸疲劳评价试验装置的试验原理。研究结果表明,影响螺纹结构套管疲劳强度的最主要因素是应力集中系数(SCF),螺纹结构往往在公端最后一圈螺纹LET处应力最大,应力集中系数也较大。因此,螺纹结构套管在结构设计上应尽量采用圆滑过渡来降低应力集中系数,母端外侧应考虑抗弯曲机构;可适当降低母端的壁厚、提高螺纹结构的加工精度,在设计上尽量考虑应力释放部分及去除残余应力工艺的使用,从而提高特殊扣钢管的抗疲劳性能。     

光杆卡对光杆疲劳寿命的影响

大多数光杆均是在光杆卡子底部断裂,几乎所有的底部断裂均为疲劳断裂。1994年发布的研究结果认为,光杆受到的弯曲应力与光杆卡子处的应力集中交互作用是光杆疲劳断裂的最主要原因。本文报告了光杆卡子产生的应力集中对光杆疲劳强度影响的最新的试验结果。同时通过对配有钳牙式光杆卡和摩擦式光杆卡的光杆的疲劳试验,推出和比较了采用这两种不同光杆卡的光杆的疲劳极限。试验结果采用应力循环曲线表示。     

高强度钻杆钢疲劳性能试验研究

针对钻井过程中钻具疲劳断裂问题,采用旋转弯曲疲劳试验研究了S135和165ksi 2种高强度钻杆钢的疲劳性能。基于Basquin模型得出2种高强度钻杆钢中长寿命区的疲劳极限分布。研究结果表明,取95%的置信水平,则50%、90%和99%可靠度下的165ksi钻杆钢的疲劳极限分别为662.54、645.92和632.28 MPa,S135钻杆钢的疲劳极限分别为595.83、541.87和529.73MPa,并得出了2种高强度钻杆钢完整的应力-疲劳寿命S-N曲线。试验结果可以为深井、超深井钻杆选材及可靠性设计提供基础数据和理论依据。     

平台涡激运动造成的立管疲劳损伤研究

针对Spar平台的运动特性,结合立管的结构参数,利用有限元分析软件对平台运动所产生的立管的应力幅进行了计算;并利用S-N曲线、Palmgren-Miner累积损伤准则以及应力集中系数,对平台运动所引起的立管疲劳损伤进行了分析。     

抽油杆柱疲劳失效的热处理因素分析

抽油杆断脱给油田造成了巨大的经济损失。以外螺纹接头断裂的抽油杆为研究对象,经过强度校核,其结构满足正常工作要求。对断口形貌进行宏观和微观观察,并对断杆进行硬度和金相组织分析,发现断口呈现疲劳及准解理混合断裂形貌,原因是热处理过程中过热影响了晶粒分布,降低了杆柱的韧性与塑性,增加了其脆性,导致抽油杆在外螺纹根部因应力集中而出现疲劳裂纹,并快速扩展,引起疲劳准脆性断裂失效。     

复合材料增强管线钢管压力设计新方法

复合材料增强管线钢管(CRLP)是一种具有高承压能力的新型管道,其应用日趋广泛,但相应的管道压力设计方法尚不完善。对现有规范的分析表明,现有压力设计模式已不适合组合型管道。通过以CRLP平均环向应变作为设计的显式失效判据,并区别不同工况下的失效模式,确定相应的安全系数。基于组合薄壁圆筒模型,分别导出了是/否进行预应力处理的压力设计公式。压力设计公式考虑了CRLP几何尺寸、管线钢和复合材料力学性能对设计压力的影响。算例分析表明,对于未经过预应力处理而直接投用的CRLP,主要的失效模式是试压过程中产生过量残余变形;而对于进行过预应力处理的CRLP,主要失效模式转变为工作压力下的蠕变破坏。预应力处理可以一定程度上提高CRLP的设计压力,并有助于充分利用复合材料的承载能力。     

滑石粉增强增韧玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料的研究

以滑石粉填充聚丙烯为基体,连续无规玻璃纤维毡为增强材料,通过熔融浸渍工艺制备了滑石粉填充玻璃纤维毡增强聚丙烯(GMT-PP)复合材料。结果表明,滑石粉的加入基本上没有降低基体树脂对纤维毡的渗透率。无马来酸酐接枝聚丙烯(MPP)的情况下,加入滑石粉可明显提高GMT-PP复合材料的模量和弯曲强度,但拉伸强度和冲击强度下降。MPP的加入使滑石粉填充GMT-PP复合材料的强度和模量大幅度提高,冲击强度明显改善,得到了高性能、低成本的GMT-PP复合材料。借助SEM手段对滑石粉增强、增韧GMT-PP复合材料的机理进行了探讨。     

煤气管网波纹管损伤疲劳失效机理

通过对使用一个周期,受损伤失稳变形的和近乎完好的波纹管疲劳载荷实验,结合交变载荷下的应力分析,以及失效件宏观和微观疲劳断口的显微分析,探讨了波纹管损伤的形成,裂纹的扩展,直至断裂全过程,揭示了管网体系中波纹管的损伤疲劳失效机理.     

重油催化裂化单旋壳体疲劳断裂失效分析

对大庆石化公司100×104t/a催化裂化装置反应器20R制单级旋风分离器壳体断裂进行了失效分析,半定量讨论了工作环境下的交变载荷谱叠加到扭应力上对疲劳断裂的影响,这种影响致使应力场强度因子变化幅度AK1达到临界值△Kth,导致裂纹扩展并断裂.     

一种预测钻柱疲劳失效的新方法

基于材料断裂力学理论及裂纹全程扩展模型,结合井下钻柱受力特点,构建了钻柱复合型疲劳裂纹扩展行为预测新模型。该模型可有效描述裂纹扩展的3个阶段,对提高钻柱在井下复杂条件下的疲劳寿命预测精度具有重要指导意义。     

CNG储气井套管腐蚀疲劳机理研究

在分析CNG加气站储气井套管腐蚀失效现象的基础上,根据CNG加气站储气井的工况,结合国内外研究成果,探讨了该套管腐蚀疲劳失效机理,初步建立了腐蚀疲劳裂纹萌生理论和腐蚀疲劳裂纹扩展理论。以某CNG储气井的封头为例,分析计算了35CrMo材料的临界裂纹尺寸,提出了计算时应该注意的相关问题。     

考虑疲劳失效的海洋平台动态可靠性分析

为了实现海洋结构的全寿命周期管理,将平台寿命周期内的动态疲劳载荷随时间的变异性分为载荷的长期变异性和短期变异性两种趋势.载荷长期变异用泊松模型描述,短期变异用连续平稳随机过程描述.提出了一种海洋平台寿命周期内的环境载荷建模的新方法,并给出了考虑疲劳失效的动态疲劳可靠性的分析方法,实现了平台寿命周期内的动态疲劳可靠度计算.通过对南海某平台的实例分析,验证了该方法的可行性.     

钻柱疲劳裂纹形成机理研究

在钻井作业过程中,由于承受多种复杂交变载荷的作用,钻柱疲劳裂纹的产生不可避免。一旦钻柱发生疲劳失效,将带来严重后果和巨大的经济损失。针对这个问题,从滑移成核理论、夹杂物开裂、晶界开裂、位错销毁几个方面,对钻柱疲劳裂纹的形成机理进行了分析。钻柱疲劳裂纹的萌生方式是多种萌生方式共同作用的结果,钻柱所处的复杂工作环境对裂纹的形成和扩展起了很大的促进作用。     

光固化高强玻璃纤维复合材料管道补强技术研究

为了有效控制管道施工质量,提高施工效率,针对国内复合材料修复普遍采用的湿缠绕法存在的现场质量管控困难、效率低、易受污染、环境影响大等缺点,开发了一种光固化高强纤维复合材料预浸料,并对该预浸料的拉伸强度、拉伸模量、吸水性、剥离强度、微观形貌以及修复能力进行了试验研究。研究结果表明,光固化高强纤维复合材料预浸料各项性能优异,明显高于湿缠绕法的同等试样水平;光固化高强纤维复合材料预浸料的显微结构更加紧凑,树脂对纤维的浸润效果更好。此外,修复结构的水压试验表明,该纤维复合材料的修复作用是通过缺陷塑性变形实现应力传递的,且纤维复合材料修复结构的变形由内到外逐渐减弱。     

钻柱失效机理及其疲劳寿命预测研究

钻柱工作条件恶劣,尤其在狗腿或弯曲井段时,较大交变弯曲应力常造成钻柱疲劳破坏,计算钻柱疲劳寿命可以为钻柱使用和管理提供依据。因此,在定性分析钻柱失效机理的基础上,对钻柱进行了三轴应力分析,并提出了钻柱疲劳寿命的计算模型,该模型可用于无裂纹钻杆和有裂纹钻杆疲劳寿命预测。算例表明,该方法对钻柱疲劳寿命的估算较为合理,符合工程实际。     

连续油管低周疲劳分析

介绍了连续油管井下作业的弯曲循环方式及典型失效形式,并对连续油管作业进行了受力分析,同时采用外径38.1 mm,壁厚3.18 mm的CT80级进口连续油管进行不同内压下的疲劳试验。疲劳试验结果和失效试样的断口分析表明,内压作用下的弯曲疲劳是连续油管失效的主要原因,连续油管的疲劳失效属于典型的低周疲劳问题,疲劳裂纹都在连续油管外表面开始产生。因此,低周疲劳是连续油管工作寿命的主要影响因素。