抽油杆表面裂纹仿真分析及剩余寿命预测

发布时间：2017-03-20 05:05

  本文关键词：抽油杆表面裂纹仿真分析及剩余寿命预测，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：抽油杆是抽油机井中重要的设备,它是抽油机和抽油泵间承受载荷传递运动的重要部件,抽油杆的疲劳强度和使用寿命决定和影响了整套抽油设备的最大下泵深度和排量。随着石油的不断开采,目前我国的大部分大型油田都进入中、高含水阶段,而且很多油井现在采用机械采油方式采油。全国各油田的生产油井中约有80%是使用有杆抽油技术,75%的产油量是用抽油杆采出的,而每年新增加的抽油杆上千万米,可见抽油杆在全国石油开采中占有相当重要的地位。另外,根据理论计算及实验结果,目前采油工作者设计的抽油杆正常使用寿命为107次,换算成时间是接近40个月。油井泵每次检修都会有很多抽油杆到达服役期限而报废或回收。但很多没有明显损伤的抽油杆经过处理还是能够再使用的。由于总量很大,抽油杆的回收利用能显著降低采油成本。因此研究抽油杆的断裂失效具有重要的工程意义。根据油田现场统计的数据来看,疲劳断裂是引起抽油杆失效的主要原因。因此,本文以直径为25mm的20CrMo钢制D级抽油杆的工程应用为背景,基于有限元软件ansys workbench对其表面裂纹做了模拟分析,研究了抽油杆杆体的椭圆形表面裂纹。参考有关文献,计算了有限边界影响系数法和疲劳裂纹扩展速率法提出的两种最大、最小应力强度因子计算方法的结果,发现前者比后者计算结果大,在多组计算比较后该结论仍然成立。提出在工程计算时,参考有限边界影响系数法安全系数更高。利用软件对抽油杆杆体加载裂纹,进行了有限元分析。研究了有裂纹对杆体造成应力集中的影响,得出应力集中系数为7.5左右；在使用有限边界影响系数法计算裂纹最深处的应力强度因子时,该模拟得出的最深处K1值与对应的计算值偏差基本保持在10%以内,验证了仿真分析的结果可以采用。提出在做工程分析时,可以将此模拟计算结果作为估算裂纹最深处应力强度因子值的依据。而裂纹表面点的K1值与模拟值偏差相对较大,但是偏差率比较稳定,可根据工程实际情况决定是否参考该值；得出其裂纹前沿的K1值的分布及最大最小值,与理论计算值相比较偏差较小,可以作为理论计算参考的结论,并计算多组数据进行了验证其正确性。在得出模拟仿真结果的可参考性后,对杆体表面椭圆形裂纹进行了仿真分析。对同一深度下的不同裂纹尺寸进行了仿真分析计算,得出了裂纹形状比与裂纹尺寸之间的关系,并指出裂纹尖端应力因子的最大值是与a/c趋于0时取得的,此即最危险的截面形状,并据此简化了在静载下裂纹最深处的KI计算公式：对于工程实际而言,在获取裂纹深度后可以采用偏于安全的计算公式。公式简化后,自变量只有裂纹深度a,计算时更为方便。在Newmen-Raju、Fleck-Smith和Jolles等人通过实验和分析得出的Paris式中函数关系基础上,提出了新的抽油杆表面裂纹的剩余寿命计算模型：本文参考相关文献,引用了实验数据对该模型进行了验证。最终得到：当初始裂纹较深时,实验结果与新模型计算结果相差6%左右,得出模型是可信的。可适用于含裂纹的在役构件的剩余寿命预测,对合理安排抽油杆作业、预防杆柱在井下发生断裂失效具有十分重要的经济和社会意义。
【关键词】：抽油杆 表面裂纹 仿真 剩余寿命 预测
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE933.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-14
• 1.1 课题研究的目的和意义11
• 1.2 疲劳裂纹国内外研究现状11-13
• 1.3 本文的主要研究内容13-14
• 第二章 断裂力学基本理论及抽油杆失效研究14-39
• 2.1 工程材料的断裂14-15
• 2.2 断裂力学基础知识15-24
• 2.3 疲劳裂纹扩展24-32
• 2.4 圆柱体表面裂纹32
• 2.5 抽油杆失效研究32-39
• 第三章 抽油杆杆体表面裂纹仿真研究39-60
• 3.1 抽油杆局部表面裂纹应力强度因子39-50
• 3.2 抽油杆杆体表面横向裂纹有限元仿真50-53
• 3.3 仿真分析结果及结论53-60
• 第四章 抽油杆表面横向裂纹应力强度因子分布规律60-72
• 4.1 抽油杆表面缺陷规格化60-63
• 4.2 应力强度因子分布63-66
• 4.3 裂纹尖端应力强度因子最大值的探究66-72
• 第五章 抽油杆杆体表面横向裂纹的剩余寿命计算72-81
• 5.1 抽油杆悬点载荷72-73
• 5.2 抽油杆疲劳裂纹扩展规律73-74
• 5.3 剩余寿命估算理论74-75
• 5.4 改进的剩余寿命估算模型75-78
• 5.5 寿命预测模型的验证78-81
• 总结及展望81-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-87
• 个人简介87-88
• 附表88-95

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