基于损伤力学的HL级抽油杆疲劳分析研究

抽油杆在使用过程中受到损伤会对其安全性能造成影响。为分析损伤对HL级抽油杆安全性能的影响程度,根据损伤力学原理建立了抽油杆疲劳损伤演化模型,采用有效应力法与ANSYS有限元软件,对裂纹损伤、蚀坑损伤和偏磨损伤3种损伤形式下HL级抽油杆的剩余疲劳寿命进行了数值模拟。通过正交试验分析了3种损伤形式下深度、宽度、角度等影响因素对HL级抽油杆剩余疲劳寿命的影响,并利用多元回归方法得到了疲劳寿命与影响因素的关系式。模拟结果表明,3种损伤形式下影响抽油杆疲劳寿命的因素,按影响程度高低排列:裂纹损伤,依次为裂纹的位置、角度、深度和宽度;蚀坑损伤,依次为蚀坑的位置、深度和半径;偏磨损伤,依次为偏磨的位置、深度和长度。3种损伤形式下HL级抽油杆疲劳寿命与影响因素回归关系式的调整决定系数分别为82.0%、94.0%和90.9%。研究结果表明:损伤位置对HL级抽油杆疲劳寿命的影响极其显著;裂纹深度、角度,蚀坑深度和半径及偏磨深度的影响显著;裂纹宽度也有一定影响。3种损伤形式下HL级抽油杆疲劳寿命与影响因素的回归关系式,可为判断HL级抽油杆的剩余寿命提供依据。      

H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法

为了有效使用H级抽油杆,对其许用应力计算方法和疲劳寿命预测方法进行了研究。在对H级抽油杆进行室内拉伸试验的基础上,计算了其抗拉强度与屈服强度的比值,根据该比值将H级抽油杆API最大许用应力计算系数由0.562 5修改为0.716 3;拟合建立了H级抽油杆的应力-疲劳曲线,折算了H级抽油杆在应力比为0.1条件下的极限疲劳应力;通过H级抽油杆在不同介质中和不同冲次下的疲劳测试,获得了含水率和冲次与抽油杆寿命的关系。研究的H级抽油杆许用应力计算及疲劳寿命预测方法,在长庆油田杏南作业区10口井进行了应用,结果表明,利用该方法对H级抽油杆进行优化设计可以改善其受力条件,充分发挥H级抽油杆的性能,使其满足现场生产对杆柱应力、寿命的需求。      

基于ANSYS的不同排列方式短管蜂窝夹套有限元分析

以短管蜂窝夹套为研究对象,采用ANSYS有限元方法,模拟分析了短管排列方式改变对夹套静应力的影响及热应力-机械场对夹套结构强度的影响,进行了夹套疲劳寿命的校核。研究结果表明,在模拟试验条件下,三角形排列方式短管蜂窝夹套结构的总体应力为212.382 MPa,最大当量应力值为266.512 MPa,内筒体内陷量为0.854 mm,外壳外凸量为0.579 mm;正方形排列方式短管蜂窝夹套结构的总体应力为170.215 MPa,最大当量应力值为199.982 MPa,内筒体内陷量为1.573 mm,外壳外凸量为1.183 mm。2种短管排列方式的蜂窝夹套结构均满足强度要求和疲劳寿命要求。     

连续油管疲劳可靠性分析的新方法

弯曲疲劳寿命是影响连续油管使用范围最突出的问题之一,因此利用疲劳可靠性的理论预测其疲劳寿命是亟待解决的关键课题。预测连续油管疲劳寿命传统方法是将许多试样在不同应力水平的循环载荷作用下进行试验直至失效,从而作出S-N曲线,供工程参考,这样不仅费用高,且模拟实际应力条件也较困难。为此,根据低周疲劳曲线,通过引入复合随机变量X=NS2,对不同材料和应力水平下的连续油管疲劳实验数据进行了归一化处理。这是一种研究连续油管疲劳可靠性的新方法。     

基于应力比的延长抽油杆疲劳寿命设计方法

有杆泵采油是目前各油田最常用的采油方式。为研究交变载荷对油井下部抽油杆柱疲劳寿命的影响,模拟抽油杆真实受力环境,开展了不同应力比条件下抽油杆疲劳性能试验。结果表明：1)抽油杆循环拉伸次数随抽油杆应力比增大而增大,当应力比大于0.45时趋于不变,抽油杆寿命与应力比关系进行曲线拟合,具有一元三次方程关系;2)生产井因工作条件不同,最下一级抽油杆柱应力比不同,实测应力比为0.19～0.51,平均值为0.30;3)生产井最下一级抽油杆疲劳寿命拐点应力比为0.37,推荐抽油杆抗疲劳设计应力比大于等于0.37;4)抽油杆柱底端采用加重抽油杆或加粗抽油杆可以提高最下一级抽油杆应力比。该设计方法对于延长抽油杆疲劳寿命具有实际指导意义。     

LY12铝合金搅拌摩擦焊接头组织与应力分析

为了研究不同焊接条件对LY12铝合金搅拌摩擦焊焊接接头组织和性能的影响,对3 mm厚LY12铝合金板进行了搅拌摩擦焊对接,观察分析在不同焊接条件下焊接接头微观组织的变化。并利用ANSYS软件模拟结果分析了焊接接头温度场及应力场分布情况。结果表明,LY12铝合金板材经搅拌摩擦焊接后,在焊缝区得到组织均匀、晶粒细小、平均晶粒尺寸细小的再结晶晶粒;焊接板材边缘区域为拉应力,其他区域均为压应力,而且压应力自搅拌针向外逐渐减小,最大压应力出现在搅拌针及轴肩所在区域。     

不等厚板对接焊疲劳寿命结构形状影响分析

从焊接部位局部应力集中的角度分析了不等厚板在不同焊接形式下的疲劳寿命。利用有限元法求解了20种具有不同焊接对齐方式、焊趾角和厚板削薄段斜度的球形封头和简体对接焊结构在承受循环载荷作用下的局部应力,参照修正的Goodman理。论和JB4732——1995《钢制压力容器——分析设计标准》得到焊接结构的等效疲劳应力幅和疲劳寿命。结果表明,不等厚板对接焊时,对齐方式和焊趾角对焊缝区域的局部应力集中和结构的疲劳寿命有显著影响,而厚板削薄段斜度在1：4～1：3对应力集中和疲劳寿命影响不大。     

高压油气输送管道疲劳寿命预测研究

通过对X60和X80钢级埋弧焊管疲劳裂纹扩展试验的研究,分析了不同钢级及应力比对埋弧焊管裂纹扩展速率的影响,并模拟停输工况对X80级准1 219 mm×22.0 mm埋弧焊管的疲劳寿命进行了分析计算。研究结果表明,应力比和钢管材料本身抗裂纹扩展能力对裂纹扩展速率有明显的影响。在单一模拟工况下,X80级准1 219 mm×22.0 mm埋弧焊管疲劳寿命为76年,有足够的疲劳寿命安全裕度。     

基于Workbench的混砂车搅拌叶轮疲劳寿命分析

混砂车搅拌叶轮在旋转过程中产生脉动的循环载荷,叶轮的疲劳属于高周疲劳。利用ANSYS Workbench多物理场耦合分析平台完成了叶轮流固耦合分析,得到了叶轮表面应力分布。在Workbench中采用专业的疲劳分析模块Fatigue tools对叶轮进行了疲劳寿命数值计算,找出了叶轮疲劳安全系数最小的位置是叶轮的根部,与叶轮的最大应力位置相同,说明数值模拟结果具有一定的指导意义。     

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。     

井口装置的疲劳寿命分析

论述了对井口主要承压部件进行力学分析及计算疲劳寿命的过程。依据断裂力学和疲劳断裂理论，结合双管热采井口的实际工况，分析、计算其应力分布，掌握应力应变的变化规律，对井口装置的疲劳寿命进行了分析和研究，计算出了不同工况条件下热采井口的预测寿命，为产品的设计研发提供了科学的理论依据。     

不同加载模式下对沥青疲劳寿命的研究

采用动态剪切流变试验(DSR)研究了三种不同沥青胶结料在应变控制、应力控制加载模式下的疲劳性能。采用N_(f50)、N_1、N_(P20)和N_(fm)四种疲劳评价指标分析了不同加载模式对沥青疲劳寿命的影响。试验结果表明,加栽模式对沥青疲劳寿命有显著影响,同一种沥青在不同加载模式下的疲劳寿命差异较大,且三种沥青在不同加载模式下的疲劳寿命排序不一致;不同加栽模式下,四种评价指标对同一沥青进行疲劳性能评价时,具有排序一致性,都为N_1N_(p20)N_(f50)N_(fm);在应变控制加载模式下沥青疲劳寿命的区分度比应力控制加载模式下的大得多,应变控制加载模式的疲劳试验更适合来评价不同沥青的疲劳性能。     

基于ANSYS的不同排列方式折边式蜂窝夹套结构强度分析

采用ANSYS有限元方法，对2种不同排列形式的折边式蜂窝夹套进行应力分析，对单独静应力、温差应力以及静应力共同作用下的这2种排列形式的蜂窝夹套进行强度计算和疲劳寿命校核。结果表明，2种排列形式的折边式蜂窝夹套均能满足相关标准规定的结构强度和疲劳寿命指标。其中，三角形排列的折边式蜂窝夹套在应力水平、内筒体变形量、外夹套变形量等方面均比正方形排列的折边式蜂窝夹套更具优势，更适合工程实际应用。     

抽油机井油管的疲劳强度及其疲劳断裂分析

分析了抽油机井油管的载荷形式、表面加工状态、特别是螺纹齿根结构特点对疲劳强度的影响,估算出了螺纹根部的疲劳强度;模拟油管工况,对符合API规范要求的螺纹根部的局部应力应变进行了计算,揭示了具有无限疲劳寿命时的螺纹根部的疲劳特性;基于螺纹根部的疲劳强度和疲劳特性,采用应力寿命法(Goodman关系)计算出了现用油管螺纹根部所能承受的极限应力幅;依据以上各项研究结果,从量化方面对现用油管的疲劳断裂失效进行了分析和论证。     

修井动力水龙头疲劳有限元分析方法研究

基于Palmgren-Miner疲劳损伤累加理论,提出了一种与动力水龙头工作实际相符的疲劳寿命有限元分析方法。在考虑应力集中、零件尺寸、表面条件、腐蚀状态及载荷变化影响的基础上,确定了满足FEM 1.001规范的材料S-N曲线计算和修正方法。以提环为研究对象,采用该方法进行疲劳寿命有限元模拟。结果表明,提环疲劳寿命值高于动力水龙头服役周期工作总次数,提环疲劳寿命满足设计要求。     

X80大应变管线钢焊接热影响区疲劳性能的研究

为了研究X80大应变管线钢焊接热影响区疲劳性能,采用MTS和INSTRON万能力学试验机测得了全壁厚X80大应变钢管焊接接头的疲劳寿命及焊接热影响区的疲劳裂纹扩展速率,并采用Gleeble-3500热模拟试验研究了焊接热循环不同峰值温度对组织和性能的影响。结果表明,焊接接头的疲劳性能显著降低,在相同的疲劳寿命条件下,其疲劳裂纹应力降低约100 MPa以上;疲劳裂纹均在焊趾处萌生,并向内沿热影响区扩展;而疲劳裂纹在热影响区的扩展速率随其通过的不同区域而变化。经焊接热循环后,热影响区呈现弱化趋势,强度最低点出现在细晶区,然而细晶区良好的塑韧性有利于抑制疲劳裂纹扩展,改善疲劳性能。     

海洋立管涡激振动与疲劳寿命影响因素分析

大尺寸的立管涡激振动三维数值模拟的代价大,计算效率低,为此,采用一种基于弹簧-质量模型的等效二维模型,通过二维数值模拟求解三维问题中管道的振幅和频率,进而对立管疲劳寿命的影响因素进行分析。二维模型中,应用弹簧-质量模型,利用胡克定律和简支梁的挠度方程对弹性系数进行推导;数值模拟中,利用ANSYS软件对流体与结构进行耦合求解,对不同海流流速、管长、壁厚条件下的立管中点的振幅和频率进行计算;基于Miner疲劳损伤累积理论和S-N曲线对立管疲劳寿命进行计算,对疲劳寿命的影响因素进行分析。分析结果表明,在2.5×10~4≤Re≤2.5×10~5范围内,随着海洋流速的增加,立管振幅和频率增大,疲劳寿命缩短;随着立管长度的增加,振幅增大,疲劳寿命缩短;随着管道壁厚增加,立管振幅减小,疲劳寿命延长。研究结果可为立管的疲劳寿命预测与抑振设计提供指导。     

液氮泵内缸套有限元强度与疲劳分析

对液氮泵内缸套进行有限元强度分析和疲劳寿命分析计算,找到危险位置与应力分布状态,对液氮泵缸体的可靠性评价、指导改进设计和正确使用具有重要意义。为此,采用Solid-works Simulation有限元分析软件,对某76 MPa液氮泵内缸套进行有限元强度和疲劳计算,并分析了吸入压力对强度和疲劳寿命的影响。分析结果表明,对该液氮泵内缸套采用无相贯线设计,有效地避免了相贯线的应力集中,静强度足够,整体疲劳寿命满足设计要求。但内缸套最大应力与最小疲劳寿命均出现在内缸套大端台阶边缘处,根据入口压力与强度和疲劳关系曲线认为,适当提高吸入压力可以有效改善内缸套强度和延长其疲劳寿命。     

影响连续油管疲劳寿命的因素分析

疲劳寿命是衡量连续油管质量好坏的关键 ,分析影响连续油管疲劳寿命的因素 ,对提高连续油管寿命 ,指导其选择引进和应用管理 ,以及连续油管作业技术的推广应用都具有重要意义。通过对连续油管应力和最终拉伸强度的计算 ,建立了连续油管疲劳寿命预测模型。利用图表法分析得知 ,连续油管的疲劳寿命随内部压力的增加而急剧降低 ;外径尺寸越大的连续油管 ,疲劳寿命越低 ;其疲劳寿命随卷筒直径和导向拱弯曲半径的增大而增大 ;随连续油管材料抗拉强度的提高 ,其疲劳寿命明显增加。并据此提出建议 :( 1 )优先选用抗拉强度高的连续油管材料 ;( 2 )应尽量增大卷筒直径和导向拱的弯曲半径 ;( 3)应尽量增加大直径连续油管的壁厚 ;( 4 )在满足使用要求的前提下 ,应优先选用小直径连续油管。     

抽油杆疲劳断裂研究——寿命预估

本文以随机疲劳观点,对抽油杆疲劳断裂——寿命预估进行了研究。在生产厂与油田现场的调研基础上,采集了具有代表性的19口油井的抽油杆信号,并编制了载荷谱。在理论分析上用名义应力法、局部应力应变法、断裂力学方法等预估抽油杆寿命。在实验上,对抽油杆进行模拟程序加载疲劳试验。通过调查统计、理论预估和模拟试验三者的研究,得到了三者较为吻合的具有存活率99.9%的寿命值。由此提出C级抽油杆的“目标寿命”值。通过初探提出对抽油杆研究的八条建议,为下一步研究作好基础准备。