基于CTOD試驗(yàn)的一種套管韌性分析

白松，王雙來，杜志杰

基于CTOD試驗(yàn)的一種套管韌性分析

白松1，王雙來2，杜志杰2

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710065；2.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，陜西西安710065）

以Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管為研究對(duì)象，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得套管裂紋試樣的裂紋尖端張開位移，分析了裂紋擴(kuò)展阻力曲線及其特征值，確定了該套管的理論裂紋擴(kuò)展條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該套管管體與接箍的試驗(yàn)測(cè)得CTOD值都大于理論值，說明該套管的斷裂韌性滿足現(xiàn)場(chǎng)特定工況要求。

套管；裂紋尖端位移；裂紋擴(kuò)展；斷裂韌性

近年來油井管在使用過程中發(fā)生斷裂引起井下事故時(shí)有發(fā)生，油井管管材的可靠性越來越受到重視。油井管材料選擇和質(zhì)量控制的主要依據(jù)仍然是夏比沖擊試驗(yàn)所得的夏比沖擊功值，然而在使用小規(guī)模夏比沖擊試驗(yàn)時(shí)有很多局限，這些試驗(yàn)不能再現(xiàn)實(shí)際構(gòu)件的材料特性、尺寸效應(yīng)、加載速率影響和裂紋尖銳程度，夏比沖擊功不足以確定臨界裂紋尺寸和制定缺陷的失穩(wěn)條件。評(píng)價(jià)材料韌性的另一個(gè)方法是，確定不同溫度下的斷裂裂紋尖端張開位移δ（CTOD值），然而很少有人利用CTOD值評(píng)價(jià)油套管材料韌性［1-8］。

套管壁厚較小，不能滿足沖擊試驗(yàn)要求，難以用線彈性斷裂力學(xué)參量K來準(zhǔn)確地描述并獲得其斷裂韌性，只能用彈塑性斷裂力學(xué)參量J積分和CTOD值來描述并得到相應(yīng)的斷裂韌性指標(biāo)。本研究主要采用CTOD試驗(yàn)來評(píng)價(jià)Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管的斷裂韌性。

1 試樣制備及試驗(yàn)過程

CTOD特征值反映了材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，可稱為裂紋擴(kuò)展阻力；裂紋擴(kuò)展阻力與裂紋擴(kuò)展量的關(guān)系曲線稱為裂紋擴(kuò)展阻力曲線。采用CTOD特征值作為裂紋擴(kuò)展的判定指標(biāo)，以表征鋼材的斷裂韌度。

采用三點(diǎn)彎曲試樣，試樣尺寸為W=18 mm（寬度）、B=10 mm（厚度）、S=72 mm（跨距），試樣加工尺寸如圖1所示，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1～2。在Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管管體上取7個(gè)試樣，接箍上取5個(gè)試樣，試驗(yàn)溫度為20℃。管體試樣和接箍試樣的缺口都開在試樣中間部位，采用線切割加工裂縫，縫隙寬0.12 mm、深6 mm［9－11］。

圖1 試樣加工尺寸示意

表1 試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 試樣的力學(xué)性能

采用PLS－100電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)在室溫下預(yù)制疲勞裂紋，預(yù)制過程按照GB/T 2358—1994《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗(yàn)方法》進(jìn)行，所有試樣均通過加載—卸載—再加載疲勞載荷的方法產(chǎn)生裂紋，開始階段疲勞載荷最大值Ffmax=8 000 N、Ffmin=800 N，最后階段疲勞載荷Ffmax=6 000 N、Ffmin=600 N，總循環(huán)20 000～26 000周次，預(yù)制裂紋疲勞長(zhǎng)度為3 mm。

在MTS810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲CTOD試驗(yàn)，由于套管塑性較差，屈服強(qiáng)度按照Rp0.2=1 117 MPa（形變達(dá)到0.2%的彈性極限，用來表征屈服強(qiáng)度）進(jìn)行計(jì)算，刀口厚度Z=0 mm。試驗(yàn)速率為1 mm/min，試驗(yàn)溫度為20℃［10］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂紋擴(kuò)展阻力曲線及其特征

（1）管體CTOD試驗(yàn)。管體CTOD試驗(yàn)結(jié)果見表3。管體的裂紋擴(kuò)展阻力曲線方程為：

管體裂紋擴(kuò)展阻力曲線如圖2所示。

（2）接箍CTOD試驗(yàn)。接箍CTOD試驗(yàn)結(jié)果見表4。接箍的裂紋擴(kuò)展阻力曲線方程為：

表3 管體CTOD試驗(yàn)結(jié)果

接箍裂紋擴(kuò)展阻力曲線如圖3所示。

圖2 管體裂紋擴(kuò)展阻力曲線

CTOD特征值是指裂紋擴(kuò)展過程中不同階段的CTOD值，它表征了材料抵抗裂紋啟裂或擴(kuò)展的能力，包括條件啟裂CTOD值δi、表觀啟裂CTOD值δ0.05、脆性啟裂CTOD值δc、脆性失穩(wěn)CTOD值δu和最大載荷CTOD值δm。δi是指阻力曲線中裂紋擴(kuò)展值Δα=0.2 mm所對(duì)應(yīng)的CTOD值；δ0.05是指阻力曲線中裂紋擴(kuò)展量Δα=0.05 mm所對(duì)應(yīng)的CTOD值；δc是指穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量Δα∧0.2 mm的脆性失穩(wěn)斷裂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值；δu是指穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量Δα∧0.2 mm的脆性失穩(wěn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值；δm是指最大載荷點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的CTOD值［12］。當(dāng)試樣失穩(wěn)斷裂，按照Δα在0.15～0.50 mm的數(shù)據(jù)點(diǎn)來確定δi。

表4 接箍CTOD試驗(yàn)結(jié)果

圖3 接箍裂紋擴(kuò)展阻力曲線

在20℃下Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管管體和接箍的CTOD特征值包括條件啟裂CTOD值δi、表觀啟裂CTOD值δ0.05和最大載荷CTOD值δm。其中，Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管管體的條件起裂CTOD值δi=0.088 mm，表觀起裂CTOD值δ0.05=0.061 mm，最大載荷CTOD值δm=0.105 mm；接箍的條件起裂CTOD值δi= 0.082 mm，表觀起裂CTOD值δ0.05=0.060 mm，最大載荷CTOD值δm=0.116 mm。

2.2 試樣形貌特征

CTOD試樣在試驗(yàn)前的宏觀形貌如圖4所示，CTOD試樣在試驗(yàn)后的宏觀形貌如圖5所示，從管體、接箍試樣斷口能明顯看到機(jī)械加工缺口、預(yù)制疲勞裂紋前緣、標(biāo)記的裂紋擴(kuò)展區(qū)前緣及斷口面的分界線。

圖4 CTOD試樣在試驗(yàn)前的宏觀形貌

圖5 CTOD試樣在試驗(yàn)后的宏觀形貌

3 套管斷裂韌性理論分析

根據(jù)GB/T 21143—2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》，假設(shè)Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管主要承受拉應(yīng)力，忽略彎曲應(yīng)力和殘余應(yīng)力；假定存在橫向裂紋型缺陷，裂紋的深度按5%刻槽確定，擴(kuò)展類型為張開型。套管壁厚e=13.06 mm，因此假定裂紋深度t=0.653 mm，裂紋深度t與裂紋長(zhǎng)度l的比值為1∶6。

3.1 最小裂紋參數(shù)確定

表面缺陷的實(shí)際尺寸和參數(shù)a的關(guān)系如圖6所示［13］。根據(jù)Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管裂紋參數(shù)（t/l=0.167，t/e=0.05），a為試樣縫隙深度?？蓮膱D3所示中查出a/e=0.05，從而計(jì)算出a= 0.65 mm。

3.2 最小CTOD值的確定

Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管的最小CTOD值按公式（3）計(jì)算：

圖6 表面缺陷的實(shí)際尺寸和參數(shù)a的關(guān)系

式中σy——屈服強(qiáng)度，1 117 MPa；

C——參數(shù)［14］；

E——彈性模量，GPa，取207。

從文獻(xiàn)［14］可以查出，計(jì)算Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管的最小CTOD值時(shí)C為0.17。

由公式（3）可計(jì)算出Φ339.7 mm×13.06 mm規(guī)格TP140V套管的δ=0.020 4 mm。

由于裂紋尖端塑性區(qū)域的存在，裂紋面上鄰近裂紋尖端的兩側(cè)將發(fā)生相對(duì)位移。將CTOD值作為衡量因裂紋存在而產(chǎn)生的位移間斷的強(qiáng)弱程度。以CTOD作為起始擴(kuò)展的判據(jù)［15］，臨界條件是：

比較發(fā)現(xiàn)，在20℃溫度條件下，Φ339.7 mm× 13.06 mm規(guī)格TP140V套管的管體與接箍起裂CTOD值都大于理論計(jì)算值（0.020 4 mm），滿足工況使用要求。

4 結(jié)論

（1）在考慮套管承受拉伸應(yīng)力的情況下，如果套管表面裂紋型缺陷不大于5%刻槽確定的裂紋深度0.65 mm，理論計(jì)算的最小裂紋尖端張開位移CTOD值為0.020 4 mm。管體和接箍20℃的起裂CTOD值都大于理論計(jì)算0.020 4 mm，不會(huì)發(fā)生脆性斷裂。

（2）考慮套管在井下服役期間，不同井段環(huán)境溫度不同，因此在以后以裂紋尖端位移值評(píng)價(jià)套管斷裂韌度時(shí)，還應(yīng)在不同溫度條件下進(jìn)行CTOD值的分析。

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Analysis of Toughness of a Certain Type of Casing Based on CTOD test

BAI Song1，WANG Shuanglai2，DU Zhijie2
（1.Mechanical Engineering College，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China；2.Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

Taking theΦ339.7 mm×13.06 mm TP140V casing as a study object，the crack tip opening displacement of the casing crack specimen is measured by the three point bending test.Analyzed are the crack propagation resistance curve and its characteristic values，and so determined are the theoretical conditions for crack propagation of the casing.It is found that the CTOD values of both the casing body and the coupling measured in the test are higher than the theoretical values，which indicates that the fracture toughness of the casing can meet the specific field working condition.

casing；crack tip opening displacement（CTOD）；crack propagation；fracture toughness

TG113.25+4

B

1001-2311（2016）05-0064-04

2016-03-16；修定日期：2016-03-21）

白松（1991-），男，在讀碩士研究生，研究方向是油井管特殊螺紋接頭性能評(píng)價(jià)與開發(fā)。