油井管材料的腐蚀疲劳寿命研究

发布时间：2020-09-28 10:06

　　油井管在服役工况下不仅会受到腐蚀性介质的侵蚀,还会受到内压、外压、弯曲以及振动等交变载荷引起的疲劳破坏。油井管在两者的共同作用下产生腐蚀疲劳现象,最终导致管体加速断裂,进而影响油田的安全生产。由此可见,精确评估油井管的腐蚀疲劳寿命对保证油田安全与稳定生产具有至关重要的意义。但是,油井管的腐蚀疲劳寿命对材料因素、试样表面因素和环境因素都非常敏感,导致油井管的腐蚀疲劳寿命具有一定的分散性,所以对其做到精确评估是非常困难的。因此,在评估油井管腐蚀疲劳寿命的同时给出可靠性评估才更具有工程意义。针对上述问题,本文采取不确定方法对油井管的腐蚀疲劳寿命进行预测,该方法与传统的确定性方法不同之处在于,其将油井管在服役条件下的各种不确定因素视为随机变量并作为输入参数。结合实验法和解析法作为具体的实施方法,再利用统计学和概率论中的概念和方法对油井管腐蚀疲劳寿命的分散性进行了具体分析,最终得到一种预测模型。通过该预测模型可以预测出油井管在任意给定载荷谱的作用下具有任意指定可靠度的腐蚀疲劳寿命,并且预测结果具有可验证性。本文选取油田中常用的TP140高强度套管钢作为研究对象。首先进行了4组应力等级且每组应力等级多样本的等幅腐蚀疲劳实验,分析了材料的等幅腐蚀疲劳寿命分散性,并结合Manson-Coffin应力寿命模型计算得出可靠度为0.1%、5%、50%、95%、99.9%的S-N曲线及其数学表达式;然后设计了验证所需的任意载荷谱,结合S-N数学模型和Miner线性累积损伤准则预测出对应可靠度材料的变幅腐蚀疲劳预测寿命;最后,在同一载荷谱的作用下进行多样本变幅腐蚀疲劳实验,得到材料的变幅腐蚀疲劳实验寿命,将其与预测寿命进行分析比对,得出以下结论:⑴TP140钢在同一应力等级作用下的等幅腐蚀疲劳寿命服从对数正态分布;⑵分析计算得到TP140钢的P-S-N曲线及其数学表达式;⑶TP140钢的变幅腐蚀疲劳预测寿命和变幅腐蚀疲劳实验寿命均服从对数正态分布;⑷TP140钢的变幅腐蚀疲劳预测寿命与变幅腐蚀疲劳实验寿命基本一致。以上结论表明,本文提出的油井管腐蚀疲劳预测方法是有效的,并且具有经济性和实用性。其对腐蚀疲劳理论,具有完善和补充的作用,对石油天然气开发过程中油气井安全、防止油井管腐蚀疲劳断裂提供了理论指导,具有重要的工程应用价值。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE983
【部分图文】：

腐蚀疲劳

劳寿命的同时给出可靠性评估才更具有工程实际意义。在腐蚀疲劳寿命预测模型中采用统计学和概率论的概念和方法是描述腐蚀疲劳过程中的不确定性和腐蚀疲劳寿命分散性的一种有效手段。1.2 国内外研究现状1.2.1 油井管腐蚀疲劳研究现状金属材料的腐蚀疲劳失效行为是航空航天、海洋钻井、化工以及石油行业中常见的失效行为之一[21]。腐蚀疲劳的定义是金属构件在腐蚀环境和交变应力载荷共同作用下发生开裂或断裂而提前失效的现象[22]。20 世纪初期，Haigh 发现并提出了材料会受到腐蚀疲劳破坏的观点，但是并没有做详细说明。直至 20 年代中期，McAdam 引入了“腐蚀疲劳”名词并发表了相关论文。该论文发表之后，引起了国内外众多科研工作者的兴趣，并纷纷投入到腐蚀疲劳研究的新领域中[23]。迄今为止，有关金属腐蚀疲劳方面的研究成果颇丰，大概可以将其归结为以下两个方面[7]。

宏观形貌,腐蚀疲劳,抽油杆,宏观形貌

曲线,裂纹扩展速率曲线,曲线,定寿

工况下的使用寿命。②采取相应的防护措施来延长金属材料在服役工况下的使用寿命。③以上 2 个研究内容的目的在于延长材料的使用寿命，简称“延寿”，而延寿的前提先精确地预测材料的使用寿命，简称“定寿”。本篇文章是在前人已取得成果的基础上究油井管腐蚀疲劳的“定寿”问题。目前，人们对金属材料的腐蚀疲劳寿命预测研究主要建立在 da/dN- 曲线和 S-N 曲的基础上。

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