石油套管的動態(tài)斷裂韌性-

1、石油套管的動態(tài)斷裂韌性馬秋榮3(中國石油天然氣集團(tuán)公司石油管材研究所陜西西安710065摘要對石油套管動態(tài)斷裂韌性的研究表明,以靜態(tài)斷裂韌性計算公式計算動態(tài)斷裂韌性是可行的。動態(tài)下材料的脆化傾向增強(qiáng),動態(tài)斷裂韌性K d隨沖擊載荷速率的變化因材料的不同而不同,是研究高能沖擊載荷下石油套管開裂及其預(yù)防的有效手段。主題詞斷裂韌性動態(tài)試驗高強(qiáng)度鋼The D ynam ic Fracture Toughness of O il Ca si ng M a Qiurong(T ubu lar Goods R esearch Cen ter of CN PCX ian Shaanx i710065PRCAbs

2、tractT he dynam ic fractu re toughness of o il casing w ere analysed and discu ssed.T he resu lts show that it is p ractical to calcu late the dynam ic toughness w ith the calcu lating fo rm u la of static fractu re toughness.T he b rittle tendency of m aterial w ill be increased under dynam ic cond

3、iti on and the dynam ic fractu re toughness K d is a m ethod to so lve the o il casing fractu re under h igh energy i m pact load.1引言套管是一次下井長年使用的石油專用管材,套管柱在油井中作為一個整體結(jié)構(gòu),起加固井壁、保護(hù)井眼、保證正常鉆進(jìn)的作用。油層套管又是出油產(chǎn)氣的唯一通道,因此在保證套管使用性能方面盡可能提高抗射孔開裂、抗擠毀和抗內(nèi)壓等能力。現(xiàn)場調(diào)查和失效分析表明,套管的韌性對射孔性能影響很大,為追求高韌性,人們已開始系統(tǒng)評價油層套管的斷裂韌性與動態(tài)力學(xué)性能,

4、包括動、靜態(tài)斷裂韌性等,以便更好地了解套管的使用性能,為油氣井的開發(fā)服務(wù)。2試驗材料試驗材料選用A P I5CT三種鋼級(J55、N80、P110的石油套管,其常規(guī)理化性能見表1和表2。3動態(tài)斷裂韌性測試試樣均為三點彎曲試樣,尺寸為7mm×8.4mm ×55mm,試樣上均有預(yù)制的疲勞裂紋,深度4mm。表1化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%編號鋼級C Si M n P S C r V3男32歲工程師工學(xué)學(xué)士1998207206收到初稿1998210212收到修改稿表2常規(guī)力學(xué)性能注:t0.5是條件屈服強(qiáng)度(產(chǎn)生0.5%總伸長時對應(yīng)的應(yīng)力;沖擊試樣5mm×10mm×55

5、mm。動態(tài)斷裂韌性在示波沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行,在選定的速率下進(jìn)行動態(tài)壓裂試驗,得載荷2時間、能量2時間和撓度2時間曲線,用靜態(tài)方法計算動態(tài)斷裂韌性J d,再換算成K d,結(jié)果見表3。表3動態(tài)斷裂韌性擺錘沖擊速度(ms-1K d(M Pam1 213524524449381.57366261477313144622.534343361473.51371355.5426583214848注:3V=0m s時對應(yīng)的K d值為靜態(tài)斷裂韌性K c。第23卷第3期1999年6月機(jī)械工程材料M aterialsfo rM echan icalEngineeringV o l.23N o.3Jun.19994討論

6、分析4.1動態(tài)斷裂韌性測試的討論在示波沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行動態(tài)斷裂韌性測試,方便簡單,但仍然存在未很好解決的問題,如用靜態(tài)方法計算動態(tài)J d 是否可行,即如何解決慣性力影響和振動變形的問題。慣性力和振動變形的問題已有很多人進(jìn)行了研究,擺錘以高速度打擊試樣,試樣從靜止?fàn)顟B(tài)在極短時間內(nèi)達(dá)到極高的運(yùn)動速度,因而產(chǎn)生了很大的慣性力,同時試樣以本身固有的頻率振蕩。柳永寧和林君山各自用動平衡和有限元方法,分析了試樣三點彎曲高速加載慣性力和振動對載荷測量效果的影響,分別分析了P =78kN m 3(表示考慮慣性力和P =0(表示不考慮慣性力的裂尖應(yīng)力2時間曲線在離裂尖不同距離上主應(yīng)力的分布情況。結(jié)果表明慣性力對

7、裂尖應(yīng)力、應(yīng)變分布沒有影響,這就為載荷時間曲線經(jīng)濾波處理得到光滑的反映試樣真實受載曲線建立了依據(jù),圖1為考慮與不考慮慣性力時的載荷2時間曲線,圖2為考慮和不考慮慣性力與依靜態(tài)公式計算得到的曲線,可見三者差別不大,這表明用靜態(tài)方法計算動態(tài)J d 是可行的。4.2動靜態(tài)斷裂韌性對比靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)加載的加載速率和變形速率比較低,未計其對斷裂過程帶來的影響,在高的加載和變形速率下 ,材料變形和斷裂的性質(zhì)發(fā)生了改變,在彈性階段,應(yīng)力與應(yīng)變的響應(yīng)是以聲速進(jìn)行的,當(dāng)變形速率低于材料的聲速時,變形速率對材料的彈性變形性質(zhì)沒有影響,但在塑性變形階段,塑性變形過程是比較緩慢的,為進(jìn)行充分的塑性變形,需要較多的圖1考

8、慮與不考慮慣性力時的載荷2時間曲線圖2考慮和不考慮慣性力與靜態(tài)公式計算得到的J 2t 曲線時間,當(dāng)加載速率高時,變形速率超過了進(jìn)行塑性變形所需的臨界變形速率,則塑性變形過程受到了約束和限制,將使材料的屈服點升高,塑性有可能降低,形變硬化過程也受到影響,從而增加了材料的脆化傾向。對含缺口裂紋和缺陷的機(jī)件,即使加載速率并不高,但缺口裂紋和缺陷的尖端也能達(dá)到很高的變形速率,同樣會增加材料的脆化傾向。圖3為斷裂韌性與沖擊速度的關(guān)系。試驗表明,動態(tài)斷裂韌性隨速度的變化規(guī)律也很復(fù)雜,大部分試驗結(jié)果均顯示出動態(tài)下斷裂韌性有明顯的降低,但9號試樣卻顯示出較好的穩(wěn)定性,動態(tài)下K d 與靜態(tài)下K c 差別不大。高

9、應(yīng)變率加載對材料的塑變斷裂抗力有明顯的影響,這是因為高應(yīng)變率帶來與靜載荷不同的力學(xué)、圖3斷裂韌性與沖擊速度的關(guān)系(下轉(zhuǎn)第49頁馬秋榮:石油套管的動態(tài)斷裂韌性題,混合機(jī)制造質(zhì)量不是引起爆炸的原因。(2混合機(jī)是內(nèi)爆炸,爆炸物是混合機(jī)內(nèi)的混合物料,爆炸的巨大能量主要來源于物料釋放的燃燒熱及分解熱。這些能量在爆炸瞬間全部釋放出來,具有很高的能量密度?；旌蠙C(jī)粉碎性破壞說明是瞬間爆炸所至。(3物料在正常情況下是熱穩(wěn)定的。但在當(dāng)時的低濕度氣候條件下,加上設(shè)備導(dǎo)靜電不良,由物料攪拌、摩擦產(chǎn)生靜電引燃高比表面及多孔隙超微細(xì)粉末,使容器內(nèi)200kg 物料瞬間燃燒導(dǎo)致爆炸。(4混合機(jī)的起爆區(qū)域在混合機(jī)下部,現(xiàn)場收集

10、的容器碎片殘骸中,大的碎片多屬混合機(jī)的上部區(qū)域而且干凈;小的碎片、粉碎性碎片屬混合機(jī)的下部區(qū)域,且有燃燒物痕跡,顯然為下部引燃起爆。(5爆炸發(fā)生于物料混合完畢出料期間,人員集中混合機(jī)附近,傷亡大;出料時混合機(jī)上部有一蓋子打開,其殘件比較完整;且在0.69m 深的地坑也 找到下料時承載物料的小車殘件,這些都表明正處出料工況,而出料時設(shè)備積聚的靜電荷是最多的。(6現(xiàn)場構(gòu)筑物破壞所需能量與測算出的混合機(jī)內(nèi)物料燃燒及分解所產(chǎn)生的能量是比較吻合的。6幾點建議(1易燃易爆物料的生產(chǎn)宜采用自控式的全封閉操作,生產(chǎn)車間應(yīng)采用防爆破設(shè)計。(2易燃易爆物料混合宜選用混合機(jī)內(nèi)物料瞬時存量少的專用設(shè)備,混合機(jī)容器應(yīng)有

11、泄壓裝置。(3工作間內(nèi)應(yīng)控制溫度和適當(dāng)?shù)臐穸取?4混合機(jī)應(yīng)有良好的靜電導(dǎo)流裝置,并定期檢查,避免靜電引爆。(5加強(qiáng)安全教育,嚴(yán)格工藝操作規(guī)范及管理制度,提高管理人員及操作人員的安全防范意識。參考文獻(xiàn)1黃嘉琥.壓力容器材料實用手冊特種材料.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1994.(5.力容器安全雜志社,1986.(上接第11頁熱力學(xué)問題,導(dǎo)致塑變和斷裂機(jī)理的變化。對大多數(shù)金屬材料,塑變的控制機(jī)理是由擴(kuò)散所控制的蠕變,由于屈服強(qiáng)度對于應(yīng)變率很敏感,且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的增大而增加,屈服強(qiáng)度的增加比抗拉強(qiáng)度更顯著。所以隨應(yīng)變率的增加,屈強(qiáng)比趨于1,材料趨于脆化。圖4是t0.5 b 與K d K c

12、 的關(guān)系,可見靜態(tài)下屈強(qiáng)比低的材料在沖擊載荷下,動態(tài)斷裂韌性下降顯著,隨屈強(qiáng)比的增大,動態(tài)斷裂韌性下降的程度逐漸減小。圖4t0.5 b 與K d K c 的關(guān)系4.3動態(tài)斷裂韌性在石油套管上的應(yīng)用石油套管在高能射孔時,由于管體承受極大的應(yīng)力變化速率,當(dāng)達(dá)到一定的臨界條件時即發(fā)生失穩(wěn)斷裂,對套管裂紋尖端應(yīng)力場、位移場、應(yīng)力場強(qiáng)度因子和動態(tài)斷裂韌性的研究表明:在線彈性條件下,裂紋尖端應(yīng)力仍然存在r -1 2階的奇異性,所以動態(tài)應(yīng)力場強(qiáng)度因子K 為:K =li m r 0yy2r 式中yy 流變應(yīng)力r 裂尖曲率半徑因此動態(tài)斷裂韌性仍然是研究石油套管高能射孔開裂和預(yù)防的有效手段。5結(jié)論(1沖擊載荷下,慣性力對裂尖應(yīng)力、應(yīng)變分布沒有影響,因此用靜態(tài)方法計算動態(tài)J d 是可行的。(2動態(tài)下材料的脆化傾向增加,動態(tài)斷裂韌性比靜態(tài)約低1倍(9號除外。(3動態(tài)斷裂韌性對油層套管射孔開裂和預(yù)防仍具有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)社,1980.1512林君山,鄢文彬,涂銘旌.夏比裂紋