YG225游車大鉤鉤體裂紋在靜荷載作用下的斷裂性能分析

于 雷

中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津

1.引言

近年來，在中海油自營油田的修井機(jī)年檢中，發(fā)現(xiàn)大量游車大鉤鉤體均有不同尺寸的表面裂紋存在，因無具體的分析報(bào)告僅能執(zhí)行SY/T 6605—2011《石油鉆修井用吊具安全技術(shù)檢驗(yàn)規(guī)范》中7.3.1.1款第8條的規(guī)定，導(dǎo)致大量游車大鉤直接報(bào)廢。田貞全[1]和駱發(fā)前等[2]分析了車鉤裂紋萌生及斷裂原因；徐世珍等[3]則分析了大鉤的可焊性及其對(duì)裂紋的影響；余華俐等[4]、劉春友[5]采用有限元仿真的方法研究了大鉤的強(qiáng)度；馮定等[6]則對(duì)大鉤材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)以及有限元仿真分析了大鉤的疲勞特性。

筆者選取一個(gè)含表面裂紋的YG225游車大鉤的鉤體，通過在靜力荷載作用下的斷裂性能有限元模擬分析，得到鉤體副鉤分別承受較小和最大工作荷載情況下表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子(SIF)分布，確定裂紋SIF最大值，通過和試驗(yàn)測試得到的斷裂韌度值進(jìn)行比較，判斷大鉤中的裂紋是否發(fā)生擴(kuò)展，為大鉤鉤體的受載斷裂評(píng)估提供分析數(shù)據(jù)。

2.YG225游車大鉤鉤體幾何模型和分析模型

大鉤鉤體結(jié)構(gòu)如圖1所示，下端為大鉤中的主鉤，主鉤上部左右各有一個(gè)副鉤，主鉤主要用來直接加掛水龍頭或者頂驅(qū)，并通過水龍頭或者頂驅(qū)連接鉆具及其他井下工具；副鉤用來加掛吊環(huán)，并通過吊環(huán)連接鉆具及其他井下工具。根據(jù)裂紋分布在副鉤上的情況，建立副鉤受力模型(圖2)，在2個(gè)副鉤上承受2個(gè)相同大小豎直向下的荷載，分別分析了每個(gè)副鉤承受荷載300 kN和1125 kN這2種情況，研究副鉤上裂紋SIF分布，確定SIF最大值，并判斷裂紋是否發(fā)生開裂。根據(jù)大鉤材性試驗(yàn)測試結(jié)果，大鉤的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)分別為450 MPa和870 MPa，假設(shè)彈性模量為200 GPa，不考慮裂紋的彈塑性擴(kuò)展。圖3(a)所示的裂紋在副鉤上表面，裂紋長度和深度分別是55 mm和10 mm；圖3(b)所示的裂紋位于副鉤側(cè)表面，裂紋長度和深度分別為32 mm和6 mm。

Figure 1.The structure of hook body圖1.大鉤鉤體結(jié)構(gòu)圖

Figure 2.The force applied model of accessory hook圖2.副鉤受力模型圖

Figure 3.The position and size of cracks on the accessory hook圖3.裂紋在大鉤副鉤上的位置及尺寸

根據(jù)《游車大鉤裂紋機(jī)理研究材料分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告》提供的結(jié)果，得到大鉤材料斷裂韌度值KIC= 2058.6 MPa?mm1/2。

3.YG225游車大鉤鉤體及其裂紋的有限元模型

圖4(a)～(c)分別是大鉤、副鉤上表面裂紋、側(cè)表面裂紋的有限元網(wǎng)格圖；圖5是裂紋的半橢圓模型，大鉤除了裂紋部位采用六面體單元(裂紋尖端采用三棱柱單元)外，其余部分均采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元最小尺寸根據(jù)大鉤分析的有限元結(jié)果收斂為準(zhǔn)。

Figure 4.The infinite grids of hook body and cracks on YG225 travelling block圖4.YG225游車大鉤鉤體及其裂紋的有限元網(wǎng)格圖

Figure 5.The semi-elliptic model of cracks on the hook body圖5.大鉤鉤體上裂紋的半橢圓模型

4.結(jié)果與分析

4.1.副鉤上表面裂紋SIF分析

當(dāng)每個(gè)副鉤上施加的荷載為300 kN時(shí)，裂紋SIF的分布如圖6(a)所示，SIF最大值為282 MPa?mm1/2；當(dāng)每個(gè)副鉤上施加的荷載為1125 kN時(shí)，裂紋SIF的分布如圖6(b)所示，SIF最大值為1050 MPa?mm1/2?？梢钥闯?，在工作荷載范圍內(nèi)，裂紋最大應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大鉤材料的斷裂韌度值KIC(2058.6 MPa?mm1/2)，所以裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。圖7是副鉤上施加荷載后裂紋張開情況(變形擴(kuò)大100倍)。

Figure 6.The distribution of surface crack SIF on the accessory hook圖6.副鉤上表面裂紋SIF分布

Figure 7.The expansion of surface cracks on the accessory hook圖7.副鉤上表面裂紋張開圖

4.2.副鉤側(cè)表面裂紋SIF分析

當(dāng)每個(gè)副鉤上施加的荷載為300 kN時(shí)，裂紋SIF的分布如圖8(a)所示，SIF最大值為80 MPa?mm1/2；當(dāng)每個(gè)副鉤上施加的荷載為1125 kN時(shí)，裂紋SIF的分布如圖8(b)所示，SIF最大值為300 MPa?mm1/2，且KI結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，說明裂紋一段處于受壓狀態(tài)。可以看出，在工作荷載范圍內(nèi)，裂紋最大應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大鉤材料的斷裂韌度值KIC(2058.6 MPa?mm1/2)，所以裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。圖9顯示的是副鉤側(cè)表面施加荷載后裂紋張開情況(變形擴(kuò)大100倍)，由于側(cè)表面所受拉力較小，裂紋基本沒有出現(xiàn)明顯的張開變形。

“可能從一開始我就注定會(huì)失敗，現(xiàn)在的小孩兒真難對(duì)付。”教授低聲說，“我?guī)е芸穗x開辦公室時(shí)，他假裝老實(shí)，等到最后一刻突然掙脫我，把一本書塞進(jìn)了書架?！?/p>

Figure 8.The distribution of surface crack SIF on the side of accessory hook圖8.副鉤側(cè)表面裂紋SIF分布

Figure 9.The expansion of side surface cracks on the accessory hook圖9.副鉤側(cè)表面裂紋張開圖

5.結(jié)論

根據(jù)YG225游車大鉤鉤體中兩種典型裂紋SIF的有限元分析結(jié)果表明，在工作荷載范圍內(nèi)，副鉤上裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大鉤鉤體材料本身的斷裂韌度，所以該游車大鉤上的裂紋在承受最大工作靜荷載下不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。