基于扩展有限元法的连续管裂纹扩展研究

发布时间：2020-06-23 14:10

【摘要】：连续管技术经过30多年的发展,已经具有陆地与海上清蜡、酸化、压井、冲砂洗井,钻井、测井完井、作为生产油管等20多种用途。相对于常规连续管作业技术而言,连续管作业技术具有作业效率高、节省人力、作业安全性高等优点。但连续管作业也存在工作寿命低,循环利用次数少等问题。尤其是连续管的疲劳寿命成为限制连续管作业的关键性问题。这是由于连续管在生产应用的过程中,焊缝和缺陷部位会产生应力集中,裂纹会不可避免的出现,一旦裂纹扩展导致结构断裂,就会发生低周疲劳断裂,给连续管作业带来极大的经济损失。因此,研究连续管裂纹扩展问题具有重大的意义。本论文采用了扩展有限元法模拟了连续管合金材料的裂纹扩展问题,首先建立连续管用CT110钢循环疲劳有限元模型,模拟了连续管用合金材料的裂纹扩展过程。基于Paris公式得到了CT110合金材料的裂纹扩展速度,得到了不同应力比下的CT110材料试样的lg((da)/(dN))-lg△K裂纹扩展阶段曲线,也得到了不同应力比下的CT110钢应力裂纹扩展门槛值△K_(th)。为进一步研究连续管作业过程中,裂纹缺陷对连续管的不同受载类型的影响,分别设定了裂纹深度α、裂纹长度L、裂纹角度θ三组裂纹缺陷要素,研究了这三组裂纹缺陷类型对连续管拉伸性能、抗弯性能、抗内压性能的影响。得到了连续管在不同裂纹深度、裂纹角度、裂纹长度时,其抗拉性能、抗弯矩性能、抗内压性能的变化规律。最后,结合实际作业工况建立了正交试验,研究连续管受复合载荷时,载荷类型对连续管裂纹扩展影响的敏感度分析。研究结果表明,用扩展有限元法计算连续管裂尖应力强度因子与通过应力强度因子手册计算的结果很接近,最大相对误差不到10%。当最大应力一定,应力比由=0.02增大到=0.5时,其疲劳裂纹门槛值下降了37%。通过比较、、断裂韧性,可以判断连续管裂纹生长的具体阶段。在研究裂纹缺陷对连续管力学性能的影响时发现,当裂纹深度处于0.25~1.5mm,裂纹长度在0~C/4(C为连续管外壁周长),裂纹角度在30°~75°时,连续管的拉伸性能、抗弯性能变化较大。当裂纹深度在3.25~4.44mm时,裂纹长度在0~C/12,裂纹角度在0°~45°时,其抗内压性能变化较大。当连续管受到复合载荷时,拉伸载荷对连续管的裂纹扩展行为影响最为明显。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE931.2
【图文】：

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第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 研究背景及意义世界连续管应用权威组织 The Intervention & Coiled Tubing A统计。在 2017 年，全球范围内的连续管作业机共有 1955 台[1的数量超过 150 台，这表明连续管技术在国内已经应用的十分作业技术具有作业快速安全、能够保护油气藏等优点，正是基管作业也能够解决油田生产中常规作业不能解决的一些特殊难

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图 1-2 受机械损伤的连续管裂纹扩展微观图aph of crack propagation in coiled tubing subjected to m人对疲劳分析可知，疲劳破坏过程可以分为五性变形造成疲劳裂纹萌生；面或内部开始萌生出一个乃至多个微裂纹；纹达到一定数目时，这些微裂纹会合并成一个数目增加并发生关联，导致出现宏观裂纹缺陷宏观裂纹扩展而最终失效。资料得知，疲劳寿命一般分为：疲劳萌生寿纹瞬时失稳寿命。对于无生产制造缺陷的连续过总寿命的 80%；对于已经存在宏观裂纹的连寿命的 75%，而对于连续管这样的低周疲劳几乎可以忽略，主要为裂纹扩展寿命。因此，当

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