H级抽油杆疲劳性能试验分析

相对于C、K、D级抽油杆,H级抽油杆(超高强度)由于强度、力学性能的改善,其使用寿命明显提高,延长了油井免修期,同时减轻了抽油杆整体质量,使抽油机、电机型号降低,起到节能降耗作用。在H级抽油杆室内疲劳性能试验的基础上,通过对试验数据的数学统计处理,拟合建立了H级抽油杆应力-疲劳寿命曲线,折算了H级抽油杆在一定应力比条件下的极限疲劳强度,为研究H级杆许用应力计算方法、杆柱组合设计方法提供有效的基础数据。     

H级抽油杆设计新方法及应用

H级抽油杆除了比常规类型的抽油杆强度高出一个级别外,在许用应力的计算时也有较大区别。国内由于缺乏H级抽油杆许用应力相关值,在设计时借鉴D级抽油杆,这就导致设计参数过于保守,未发挥H级抽油杆的优势。针对这种情况,采用电液伺服SHT4106万能试验机,通过室内拉伸试验,得到抗拉强度与屈服强度的比值,建立了H级抽油杆修正API最大许用应力计算新方法。按照抽油杆标准SY/T5029—2013室内疲劳试验要求,测试应力比为0.1下的疲劳极限,得出了H级抽油杆奥金格方法折算应力对应值。与D级杆相比,H级抽油杆的应用具有降低抽油杆直径,降低抽油机型号的优势。     

H级抽油杆许用应力计算API方法适应性生分析与改进

鉴于H级超高强度抽油杆良好的力学性能,2009年开始,在长庆油田推广应用,截至2015年年底应用井数已经超过2.6万口.但在应用过程中,一直沿用常规API许用应力计算方法,尚未建立针对H级抽油杆的许用应力计算方法,造成H级抽油杆杆柱设计保守,浪费严重,间接增加了油田开发成本.在分析API许用应力计算方法基础上,建立了基于H级抽油杆许用应力计算API方法,分析了主要影响因素,为H级超高强度抽油杆杆柱优化设计、合理利用提供了依据.     

H级抽油杆许用应力计算API方法适应性分析与改进

鉴于H级超高强度抽油杆良好的力学性能,2009年开始,在长庆油田推广应用,截至2015年年底应用井数已经超过2.6万口。但在应用过程中,一直沿用常规API许用应力计算方法,尚未建立针对H级抽油杆的许用应力计算方法,造成H级抽油杆杆柱设计保守,浪费严重,间接增加了油田开发成本。在分析API许用应力计算方法基础上,建立了基于H级抽油杆许用应力计算API方法,分析了主要影响因素,为H级超高强度抽油杆杆柱优化设计、合理利用提供了依据。     

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。     

抽油杆疲劳寿命计算研究

抽油杆是有杆抽油中三抽设备的关键部件之一。其服役寿命直接影响油井的产量、失效概率以及修井作业的成本,准确预测其疲劳寿命具有十分重要的意义。对直井和定向井分别建立了计算抽油杆轴向载荷的数学模型,计算出了抽油杆所受的轴向力。同时,建立了疲劳寿命的预测模型,计算了不同形状裂纹的几何形状因子和应力强度因子。并根据以上理论,编写了计算机程序,能计算有初始裂纹和无初始裂纹抽油杆柱的疲劳寿命。采用Forman模型预测抽油杆疲劳寿命,其特点是在Paris模型的基础上考虑了应力比R,计算结果更加准确。同时,分析比较计算结果可得:裂纹初始长度对抽油杆柱的使用寿命影响较大。文中给出的方法简单,精度较高,便于工程应用。     

超高强度抽油杆疲劳性能分析

抽油杆在有杆泵采油系统中起着至关重要的作用,若抽油杆提前失效,将影响油田正常生产,实践表明抽油杆的失效大部分是由疲劳引起的,疲劳寿命是衡量抽油杆好坏的最重要指标。因此,文章开展H级超高强度抽油杆的疲劳性能实验,应用有限元方法分析其应力分布情况,明确抽油杆危险部位,为科学合理应用H级超高强度抽油杆提供理论指导。     

抽油杆失效原因探讨

1.杆的正常疲劳断裂 疲劳断裂是在交变应力的作用下发生的断裂现象.根据API标准,普通抽油杆的抗疲劳强度必须符合修正的古德曼应力图的要求.以抽油机冲次6次/min计算,杆的最小疲劳寿命在3.17年左右.     

修正的古德曼应力图及许用安全系数

研究API RP 11BR推荐的修正的古德曼应力图后得出:该图的疲劳极限曲线是一条偏于安全的疲劳极限图线;对许用安全系数的计算表明,该图推荐的最大许用应力随交变应力中的交变分量的增大而减小,符合抽油杆对许用应力的要求,对应的许用安全系数符合常规疲劳设计的取值原则,是合理、科学的;建议将API推荐图上的拉拉载荷安全工作区扩大到应力比r<0~-1的拉压载荷工作区,以用于对抽油杆柱下部杆段的计算;当下部杆段的应力比r<-1时,建议以最小疲劳极限作为许用应力,其强度条件为σ_min≥[σ_min]。     

游梁式抽油机—深井泵装置(五)

四、抽油杆的选择以及杆柱的设计 1.抽油杆的选择设计抽油杆柱,就是根据井的产量和深度来选择重量最小、最便宜的抽油杆,并使它的应力处于许用范围内,既保生产,费用又低.选择抽油杆的许用应力时,应考虑工作应力范围及油井液体的腐蚀性. 由于制造工艺的差异,各厂生产的抽油杆最大许用应力也会有所不同.一般来说,可按抽油杆材料的许用计算应力进行选择.表2给出了几种钢材在抽油杆热处理条件下的许用计算应力. 目前,人们对抽油杆在有腐蚀而未防腐条件下的最大工作应力的下降量存在分歧,没有可靠的试验数据能指出在有腐蚀条件下最大许用应力的下降范围.某些人认为,在盐水中,对碳锰钢抽油杆来说应力要降到无腐蚀最大应力的65%,而合金钢杆要降低到85%;当有硫化氢时,合金钢抽油汗应力要降低到65%,而碳锰钢一般不宜使用.在很     

抽油杆经济使用年限的可靠性评价方法

以描述抽油杆柱纵向振动的波动方程为基础,建立了抽油杆柱应力循环特性的仿真模型;应用有限元法分析了含缺陷抽油杆的应力分布,建立了含缺陷抽油杆应力集中系数的回归模型;考虑了过渡段对抽油杆实际疲劳强度的影响以及使用年限对抽油杆损伤程度的影响,并综合考虑抽油杆材料力学性能、缺陷尺寸以及循环应力的随机性,建立了抽油杆柱疲劳寿命与抽油杆使用寿命周期内作业次数的可靠性预测模型。综合考虑抽油杆使用寿命周期内抽油杆柱投资、作业费用与作业产量损失的影响,以使用年限内年均总费用最低为目标,建立了抽油杆经济使用年限的可靠性评价方法,仿真分析了影响抽油杆经济使用年限的主要因素。     

D级抽油杆表面允许裂纹深度的估算

介绍了国内外七种Ｄ级抽油杆用钢的疲劳门坎值的测定。结合对抽油杆各特征部位半椭圆裂纹应力强度因子Ｋ的有限元计算，用断裂力学方法估算了各特征部位允许存在的裂纹尺寸。结果表明，允许裂纹深度α与使用应力σ之间存在有α＝Ａ／σ的关系。当抽油杆的抗拉强度符合ＡＰＩ规范１１Ｂ规定的σｂ＝７９３～９６５ＭＰａ时，七种材料的门坎值基本相同。当使用应力在疲劳极限附近处为３７２．６ＭＰａ时，抽油杆杆体表面存在有深度为０．１３～０．２７ｍｍ的裂纹，杆头锻方处存在有深度为０．６０～１．０２ｍｍ的裂纹，这些裂纹均不会扩展。     

再制造抽油杆纵向共振模糊可靠性分析

针对再制造抽油杆设计参数的离散性和共振准则的模糊性,所导致的再制造抽油杆疲劳强度设计偏于危险的缺陷,将模糊可靠性理论引入再制造抽油杆疲劳强度设计中,根据再制造抽油杆实际工况,从实验出发,研究再制造抽油杆弹性变形应力刚化对其振动特性的影响,并以实验为基础,建立并验证再制造抽油杆纵向振动数值模型;基于随机有限元理论,采用一次二阶矩法推导了再制造抽油杆固有频率的均值及方差;利用正态型隶属函数描述再制造抽油杆共振边界的模糊性,推导了具有多阶固有频率再制造抽油杆模糊可靠度计算公式,数值算例验证了该方法的有效性和可行性。在此基础上,研究了变异系数和隶属度对再制造抽油杆振动模糊可靠度的影响,分析了不同阻尼比下再制造抽油杆共振产生的悬点处附加动反力和纵向位移响应特性曲线,为再制造抽油杆合理疲劳强度设计提供理论基础。     

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。     

HL级35CrMoA抽油杆杆体失效分析

为了研究分析某厂HL级35CrMoA抽油杆杆体失效原因,对失效抽油杆进行了宏观形貌观察和化学成分分析,并对其显微组织和断口形貌进行了分析和有限元计算。结果表明,该抽油杆的失效模式为典型的腐蚀疲劳断裂,显微组织主要为回火索氏体+铁素体;疲劳裂纹源于杆体表面腐蚀坑处,疲劳裂纹沿针状组织扩展;在拉伸载荷下,凸缘与杆体截面突变处应力水平相对较高,最终导致腐蚀疲劳失效。最后,提出了预防抽油杆失效的措施,为油田减少同类失效的发生提供重要的理论依据。     

D级空心抽油杆疲劳性能试验研究

为考查Ｄ级空心抽油杆不同摩擦焊接工艺性能的可靠性, 采用电测试验应力法测试抽油杆焊接接头的应力集中系数β。在静拉伸条件下进行应变测试, 测得抽油杆焊接接头平均应力集中系数为１－０９１５ , 各应力集中系数分散性较小, 说明摩擦焊接工艺稳定可靠。在ＭＴＳ—８１０材料试验机上做了抽油杆短杆接头的疲劳试验, 采用数理统计方法统计分析Ｄ 级空心抽油杆疲劳性能, 获得Ｄ级杆的Ｐ－ Ｓ－ Ｎ 曲线和疲劳极限图, 求得存活率Ｐ＝ ９９－９ ％ 及对应寿命Ｎ＝ １０７时抽油杆的最大应力水平为２４４－３７ＭＰａ。统计结果表明, 按有关工艺制造的Ｄ级空心抽油杆疲劳强度满足使用要求。     

关于D级抽油杆的选材原则

作者对国内外D级抽油杆常用材料进行了分析研究。结果表明:所有被测试的材料,在API D级抽油杆所要求的抗拉强度范围之内,其疲劳极限与抗拉强度的比值都很接近。因此,对D级抽油杆用料,只须控制它的抗拉强度,即可较为准确地控制它的疲劳极限;没有必要对其化学成份和疲劳性能给出特定的要求。这对简化标准、简化供销双方的验收条件、以及扩大抽油杆制造厂的选材范围都是有好处的。     

D级抽油杆用20CrMo钢疲劳试验

根据接我国矿场常用抽油机型号和泵挂深度所求得的疲劳应力比，确定了接近正常采油工况条件下的疲劳应力比Ｒ＝０．４，在此应力比下，对Ｄ级抽油杆用２０ＣｒＭｏ钢在ＰＬＧ－１０型高频疲劳试验机上进行了疲劳试验。利用疲劳应用统计学，统计分析出疲劳寿命与疲劳应力幅的关系，获得线性相关表达式为ｌｇＮ＝５７．１１－１９．５１ｌｇＳａ，拉－拉疲劳极限为６８８．２２ＭＰａ。据此，在确定抽油杆工况时，抽油杆的最大疲劳应力应控制在６８８．２２ＭＰａ以下，以确保抽油杆不致疲劳破坏。