油田吊環(huán)力學(xué)與疲勞性能分析

張艷秋

（勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

油田吊具作為石油鉆井系統(tǒng)中的重要組成部分，主要包括游車(chē)大鉤、吊環(huán)、吊卡等組件。其中，吊環(huán)是用于懸持吊具以及對(duì)鉆柱和套管柱實(shí)施提升或移動(dòng)的專(zhuān)用工具，其應(yīng)用范圍十分廣泛。但是，在使用過(guò)程中，吊環(huán)可能會(huì)承受超過(guò)額定載荷數(shù)倍的反復(fù)拉壓作用，并且經(jīng)常需要拆卸，所以極易磨損或損傷[1]。因此，為了保證其在作業(yè)中的穩(wěn)定性和連續(xù)性，有必要對(duì)吊環(huán)結(jié)構(gòu)的安全性能開(kāi)展研究與分析。

研究表明，油田吊具的破壞形式主要是疲勞破壞，具體表現(xiàn)為材料表面在荷載作用下一處或多處開(kāi)始生成局部永久性損傷，并且逐漸累計(jì)直至最終斷裂[2]。在現(xiàn)場(chǎng)使用中發(fā)現(xiàn)，極端工況下（低溫）油田吊具的失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。但是，目前的研究主要集中于常溫條件，而忽視了極端工況條件下的高溫或低溫環(huán)境對(duì)材料或設(shè)備力學(xué)及疲勞性能的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，利用有限元模擬方法開(kāi)展油田吊具（以吊環(huán)為例）在極端工況條件下的力學(xué)與疲勞性能的相關(guān)研究。首先，基于組合Basquin 和Coffin-Manson 方法構(gòu)建有限元計(jì)算模型，隨后，構(gòu)建吊環(huán)的三維模型，分析在不同載荷作用下吊環(huán)模型表面的應(yīng)力分布與力學(xué)性能變化，并以此為基礎(chǔ)探究高溫和低溫工況對(duì)油田吊具力學(xué)性能和疲勞性能的影響規(guī)律。

1 數(shù)值方法與模型

1.1 疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

將傳統(tǒng)的Basquin 和Coffin-Manson 兩種方法相結(jié)合，構(gòu)建了組合Basquin 和Coffin-Manson 方法，如式（1）所示：

式中，ε 為總應(yīng)變幅值，E 為楊氏模量。在低周疲勞測(cè)試時(shí)，材料表面的局部應(yīng)力將超過(guò)屈服應(yīng)力，從而產(chǎn)生塑性區(qū)和彈性區(qū)，因此，研究設(shè)計(jì)的計(jì)算模型同時(shí)考慮彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，理論上能夠更加準(zhǔn)確地描述低周循環(huán)的應(yīng)變疲勞過(guò)程。

1.2 有限元模型

研究中吊環(huán)結(jié)構(gòu)采用的材料是20SiMn2MoV 合金結(jié)構(gòu)鋼，構(gòu)建三維幾何模型（圖1a））。其中，吊環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)半徑與外半徑分別為50 mm 和100 mm。將吊環(huán)上方的固定桿邊界設(shè)置為固定約束，將吊環(huán)內(nèi)壁部分區(qū)域設(shè)置為受力面，并在此施加垂直于受力面方向的邊界載荷。

圖1 吊環(huán)結(jié)構(gòu)的三維幾何模型及其網(wǎng)格劃分

隨后，將構(gòu)建的三維吊環(huán)模型導(dǎo)入到COMSOL Multiphysics軟件中以進(jìn)行仿真模擬，在自由三角形網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，采用極細(xì)化的網(wǎng)格單元對(duì)整個(gè)計(jì)算域結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分（圖1b））。

在開(kāi)展模擬研究前，首先選用圓棒國(guó)標(biāo)試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)與有限元模擬的對(duì)比研究。其中圓棒試樣的直徑為5 mm，疲勞實(shí)驗(yàn)采用MTS 拉力試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試采用應(yīng)變幅控制，此外，在有限元模擬中構(gòu)建了與圓棒試樣尺寸相同的三維模型，模擬條件與實(shí)驗(yàn)基本保持相同。

循環(huán)載荷過(guò)程中，圓棒中心區(qū)域所受應(yīng)力更小，在試樣兩端靠近固定桿的凸起結(jié)構(gòu)附近，應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的峰值帶，因此證明試樣在循環(huán)載荷作用下更容易在圓棒兩端的附近區(qū)域產(chǎn)生斷裂。同時(shí)，在疲勞實(shí)驗(yàn)與有限元模擬中圓棒試樣斷裂時(shí)的循環(huán)周期次數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，結(jié)果表明，研究所設(shè)計(jì)的有限元模擬方法非常適用于低周循環(huán)的應(yīng)變疲勞條件。

表1 圓棒試驗(yàn)的循環(huán)周期次數(shù)對(duì)比

2 分析與討論

2.1 恒定載荷作用

基于吊環(huán)結(jié)構(gòu)的三維模型，首先研究在常規(guī)條件下施加恒定載荷對(duì)吊環(huán)表面力學(xué)性能的影響規(guī)律。其中，恒定載荷僅作用于受力面區(qū)域，其數(shù)值范圍是0～20 t，方向豎直向下。在不同恒定載荷條件下，吊環(huán)結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力分布圖像如圖2 所示，可以看到吊環(huán)結(jié)構(gòu)在外側(cè)與固定桿的連接處、內(nèi)壁頂部、內(nèi)壁兩側(cè)和內(nèi)壁底部的4 個(gè)區(qū)域存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力在此出現(xiàn)更高的峰值。隨著恒定載荷的升高，吊環(huán)的應(yīng)力集中區(qū)域面積逐漸增大，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，這些位置是更易發(fā)生疲勞和損傷、最終造成器件失效的安全隱患區(qū)域。

圖2 吊環(huán)結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力分布

隨后，計(jì)算吊環(huán)不同應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)所承受的平均應(yīng)力。隨著施加載荷的增大，不同區(qū)域所受平均應(yīng)力均逐漸升高。與其他區(qū)域相比，吊環(huán)內(nèi)壁兩側(cè)區(qū)域在不同載荷作用下所受應(yīng)力始終保持最高值，同時(shí)，該區(qū)域的平均應(yīng)力變化曲線斜率最高，證明該區(qū)域?qū)Φ醐h(huán)載荷變化更為敏感，載荷的增大對(duì)該區(qū)域的應(yīng)力分布影響更加劇烈。例如，當(dāng)施加20 t載荷時(shí)，吊環(huán)內(nèi)壁兩側(cè)區(qū)域所受應(yīng)力比其他區(qū)域的平均應(yīng)力數(shù)值提高54%。因此，在承載一定重量后，吊環(huán)內(nèi)壁兩側(cè)區(qū)域的力學(xué)性能最不穩(wěn)定，可能成為吊環(huán)結(jié)構(gòu)最顯著的安全隱患位置。

2.2 循環(huán)載荷作用

通過(guò)一系列有限元模擬探究循環(huán)載荷對(duì)吊環(huán)表面疲勞性能的影響規(guī)律，并利用失效循環(huán)次數(shù)來(lái)表征吊環(huán)的疲勞壽命。其中，疲勞壽命是指該設(shè)備能夠持續(xù)使用的最長(zhǎng)時(shí)間，而失效循環(huán)次數(shù)表示為該設(shè)備受到循環(huán)載荷的作用而達(dá)到疲勞極限時(shí)的最大周期數(shù)，因此二者可以相互對(duì)應(yīng)。當(dāng)循環(huán)載荷幅值為12 t 時(shí)，在循環(huán)載荷的作用下，吊環(huán)的主要疲勞位置呈區(qū)域性聚集，并主要分布在外側(cè)與固定桿的連接處、內(nèi)壁頂部、內(nèi)壁兩側(cè)和內(nèi)壁底部等區(qū)域，而這些位置與恒定載荷作用下的應(yīng)力集中點(diǎn)區(qū)域保持高度地一致，因此證明應(yīng)力集中問(wèn)題是影響油田吊具疲勞性能的重要因素之一。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算在不同循環(huán)載荷的作用下，吊環(huán)結(jié)構(gòu)整體的疲勞壽命變化曲線，研究表明，吊環(huán)結(jié)構(gòu)的失效循環(huán)次數(shù)隨循環(huán)載荷幅值的增大而逐漸降低。研究結(jié)果證明，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)承受載荷大于12 t 后，該類(lèi)吊環(huán)的使用壽命將會(huì)下降90%左右。

2.3 極端工況條件

研究中的極端工況條件考慮高溫和低溫兩種情況，具體溫度分別設(shè)置為40 ℃與-20 ℃，其他模擬條件與之前的研究保持相同。高溫條件對(duì)吊環(huán)結(jié)構(gòu)的影響較微弱，其疲勞區(qū)域分布與常溫條件基本保持一致，但是低溫條件對(duì)吊環(huán)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命存在顯著的消極影響。具體表現(xiàn)為，在低溫條件下，盡管吊環(huán)結(jié)構(gòu)的主要疲勞區(qū)域仍然集中于應(yīng)力集中點(diǎn)附近，但是不同位置的疲勞面積明顯增大，并由區(qū)域塊狀分布延伸至帶狀分布。因此，當(dāng)?shù)醐h(huán)長(zhǎng)期暴露于低溫工作環(huán)境中，材料表面對(duì)應(yīng)力的變化將更加敏感，不同區(qū)域表面更易受到磨損，并造成疲勞和損傷，發(fā)生脆性斷裂的傾向?qū)@著加大。

低溫工況條件下，吊環(huán)結(jié)構(gòu)表面不同區(qū)域的失效循環(huán)次數(shù)與平均應(yīng)力呈反比關(guān)系，所受平均應(yīng)力越高，該區(qū)域的疲勞壽命越低，因此證明材料表面的應(yīng)力分布是影響油田吊具疲勞壽命的重要因素之一。與高溫條件相比，吊環(huán)結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境中的力學(xué)性能顯著下降，隨著循環(huán)載荷幅值的增大，低溫條件下的失效循環(huán)次數(shù)曲線下降幅度更加顯著。在不同循環(huán)載荷的作用下，吊環(huán)在低溫下的疲勞壽命比高溫條件下平均降低28.5%。因此，基于上述研究可以得出結(jié)論，在低溫作業(yè)環(huán)境中，有必要適當(dāng)?shù)卦黾拥醐h(huán)的更換頻率，以保證油田吊具設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于有限元模擬方法圍繞吊環(huán)在實(shí)際工況中的力學(xué)性能和疲勞性能開(kāi)展相關(guān)研究。首先，通過(guò)Basquin 方程與Coffin-Manson 方程相結(jié)合，研究構(gòu)建組合Basquin 和Coffin-Manson數(shù)值計(jì)算框架，并利用圓棒國(guó)標(biāo)試樣的疲勞試驗(yàn)與有限元模擬得到的失效循環(huán)次數(shù)進(jìn)行對(duì)比，證明該方法在模擬低周循環(huán)的應(yīng)變疲勞過(guò)程方面的準(zhǔn)確性。模擬結(jié)果表明，在恒定載荷的作用下，吊環(huán)結(jié)構(gòu)在外側(cè)與固定桿的連接處、內(nèi)壁頂部、內(nèi)壁兩側(cè)和內(nèi)壁底部的4 個(gè)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，并且隨著施加載荷的增大，這些區(qū)域所受平均應(yīng)力均會(huì)逐漸升高。此外，在循環(huán)載荷的作用下，吊環(huán)整體的失效循環(huán)次數(shù)隨循環(huán)載荷幅值的增大而逐漸降低。并且，吊環(huán)表面會(huì)出現(xiàn)平均失效循環(huán)次數(shù)更低的疲勞區(qū)域，這些區(qū)域與應(yīng)力集中區(qū)域基本一致，因此證明應(yīng)力集中問(wèn)題是影響油田吊具疲勞性能的重要因素之一。最終，探究極端工況條件對(duì)吊環(huán)安全性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，低溫條件對(duì)吊環(huán)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命存在顯著的消極影響，使得吊環(huán)不同位置的疲勞面積明顯增加。此外，吊環(huán)結(jié)構(gòu)形態(tài)也會(huì)對(duì)疲勞性能造成影響，與其他位置相比，吊環(huán)內(nèi)壁兩側(cè)區(qū)域受力更加不穩(wěn)定，因此疲勞壽命最低。