CN106840873A - 一种钻杆剩余寿命的预测方法 - Google Patents

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Abstract

一种钻杆剩余寿命的预测方法，首先确定钻杆剩余服役寿命预测的置信度和误差，计算不同变异系数条件下需要的试样数量最小值m；从同批次钻杆中选择服役条件最为恶劣的1～2根钻杆，从钻杆管端内加厚过渡锥面消失部位向管体端延伸500mm范围内取样，并加工成具有圆形横截面的试样；计算钻杆在服役过程中承载的工作载荷；计算n件试样疲劳寿命对数值平均值的概率密度函数，利用概率密度函数积分，获得该载荷条件下所需可靠度下的疲劳寿命。本发明充分考虑了钻杆疲劳寿命自身的离散性，通过采用同一载荷条件下完成大量试样的方法，大幅度提高钻杆疲劳寿命值的覆盖范围，较为准确地预测了钻杆的剩余寿命，有效避免了钻杆失效事故的发生。

Description

一种钻杆剩余寿命的预测方法
技术领域
本发明属于石油天然气钻井用钻杆技术领域，具体涉及一种钻杆剩余寿命的预测方法。
背景技术
钻杆是石油天然气钻井的主要工具，在服役过程中承受复杂的交变载荷作用，极易发生疲劳失效。为了控制钻杆疲劳失效事故的发生，目前广泛应用的预防措施主要包括三种，一种是对钻杆定期进行无损检测，将存在超标缺陷的钻杆去除，从而避免钻杆失效事故的发生；第二种是基于含缺陷钻杆剩余疲劳寿命的预测，这种预测方法的原理主要是假设钻杆表面或内部存在一定尺寸的缺陷，通过将缺陷理想化处理，依据缺陷的扩展速度计算钻杆的剩余疲劳寿命。以上两种方法虽然在控制钻杆疲劳失效方面发挥了重要作用，但其只能针对已经形成可视化缺陷的钻杆发挥作用，而钻杆的疲劳损伤是一种隐形损伤，在裂纹形成前的疲劳过程中没有常规检测手段可以检测到的缺陷出现，而该阶段的疲劳寿命却占据了钻杆疲劳寿命的大部分，该阶段的疲劳寿命是前述的两种方法所无法确定和预测的。目前使用的第三种预测钻杆疲劳寿命的方法是通过计算钻杆薄弱部位的应力载荷，利用应力载荷与材料疲劳寿命之间的S-N曲线关系计算该应力水平下的钻杆疲劳寿命，这种方法最大的不足就是没有考虑钻杆疲劳寿命自身的离散性，从而使得预测的结果与实际相差巨大。为了科学预测在役钻杆的剩余服役寿命，迫切需要建立一种新的可以预测钻杆剩余服役寿命的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻杆剩余寿命的预测方法，主要借助于轴向载荷疲劳寿命测试装置，依据钻杆服役过程中的工况特点，测试钻杆在交变载荷作用下的疲劳寿命，通过一系列计算分析，预测钻杆的剩余服役寿命，通过预测在役钻杆的剩余服役寿命，从而避免钻杆失效事故的发生，保障油气钻井作业过程的安全。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种钻杆剩余寿命的预测方法，包括以下步骤：
1)试样数量的确定
首先确定钻杆剩余服役寿命预测的置信度和误差，计算不同变异系数条件下需要的试样数量最小值m；
2)试样设计及制备
从同批次钻杆中选择服役条件最为恶劣的1～2根钻杆，从钻杆管端内加厚过渡锥面消失部位向管体端延伸500mm范围内取样，并加工成具有圆形横截面的试样；
3)试验载荷计算
依据实际工况，计算钻杆在服役过程中承载的工作载荷；
4)试验加载步骤
a.基于步骤3)计算得到的工作载荷，采用步骤2)中的试样测试钻杆的疲劳寿命；
b.重复步骤a完成n件试样的疲劳寿命测试，n的数值不小于7；
c.先计算n件试样疲劳寿命测试结果的对数平均值及变异系数，如果变异系数小于m等于n时对应的变异系数，则停止试验，如果变异系数大于m等于n时对应的变异系数，则继续增加试样数量，继续试验至试样疲劳寿命的变异系数满足变异系数小于m等于n时对应的变异系数为止；
5)计算n件试样疲劳寿命对数值平均值的概率密度函数，利用概率密度函数积分，获得该载荷条件下所需可靠度下的疲劳寿命。
本发明进一步的改进在于，置信度为95％，误差为5％。
本发明进一步的改进在于，试样两端为圆柱，圆柱之间为与圆柱同轴设置的表面呈弧形的结构，表面呈弧形的结构的纵截面的弧形的曲率半径R不小于40mm，表面呈弧形的结构的横截面的直径最小为3.98～4.02mm；圆柱的直径为10mm。
本发明进一步的改进在于，圆柱的端部加工有30°的倒角，并且圆柱表面加工有螺纹。
本发明进一步的改进在于，弧形表面的粗糙度为0.2。
本发明进一步的改进在于，工作载荷包括拉应力载荷和交变应力载荷。
本发明进一步的改进在于，概率密度函数f(x)为其中，x为对数平均值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明借助于轴向载荷疲劳寿命测试，依据钻杆服役过程中的工况特点，测试钻杆在工作载荷作用下的疲劳寿命，通过一系列计算分析，预测钻杆的剩余服役寿命，通过预测在役钻杆的剩余服役寿命，从而避免钻杆失效事故的发生，保障油气钻井作业过程的安全。本发明中的n的数值不小于7，能够保证预测结果的可靠性。本发明充分考虑了钻杆疲劳寿命自身的离散性，通过采用同一载荷条件下完成大量试样的方法，大幅度提高钻杆疲劳寿命值的覆盖范围，较为准确地预测了钻杆的剩余寿命，有效避免了钻杆失效事故的发生。
附图说明
图1为疲劳试样结构示意图。
其中，1为第一圆柱，2为表面呈弧形的结构，3为第二圆柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明主要用于石油天然气钻井用钻杆剩余寿命的预测，主要借助于轴向载荷疲劳寿命测试装置，依据钻杆服役过程中的工况特点，测试钻杆在交变载荷作用下的疲劳寿命，通过一系列计算分析，预测钻杆的剩余服役寿命。本发明具体包括以下步骤：
1)试样数量的确定
首先确定钻杆剩余服役寿命预测的置信度和误差，计算不同变异系数条件下需要的试样数量最小值m；
2)试样设计及制备
从同批次钻杆中选择服役条件最为恶劣的1～2根钻杆，从钻杆管端内加厚过渡锥面消失部位向管体端延伸500mm范围内取样，并加工成具有圆形横截面的试样，如图1所示；
试样的结构为：试样一端为第一圆柱1，另一端为第二圆柱3，第一圆柱1与第二圆柱3之间为与第一圆柱1同轴设置的表面呈弧形的结构2，表面呈弧形的结构2的纵截面的弧形的曲率半径R不小于40mm，表面呈弧形的结构的横截面的直径最小为3.98～4.02mm；圆柱的直径为10mm。
圆柱的端部加工有30°的倒角，并且圆柱表面加工有螺纹，规格为M10×1，便于安装；弧形表面的粗糙度为0.2。
3)试验载荷计算
依据实际工况，计算钻杆在服役过程中承载的工作载荷，钻杆承受的工作载荷包括拉应力载荷和交变应力载荷；
4)试验加载步骤
a.基于步骤3)计算得到的拉应力载荷和交变应力载荷，采用步骤2)中的试样测试钻杆的疲劳寿命；
b.重复步骤a完成n件试样的疲劳寿命测试，n的数值不小于7；n的数值不小于7，以保证预测结果的可靠性；
c.先计算n件试样疲劳寿命测试结果的对数平均值及变异系数，如果变异系数小于m等于n时对应的变异系数，则停止试验，如果变异系数大于m等于n时对应的变异系数，则继续增加试样数量，继续试验至所有试样疲劳寿命的变异系数满足要求，即变异系数小于m等于n时对应的变异系数时，停止试验；
d.记录试验过程，包括载荷、载荷变化和疲劳寿命。
5)计算n件试样疲劳寿命对数值平均值的概率密度函数，利用概率密度函数积分计算，获得该载荷条件下所需可靠度下的疲劳寿命。
实施例1
1)确定钻杆服役寿命预测的置信度为95％，误差为5％，本领域技术人员通过公式或者查表可以计算变异系数与最少试样数量的对应关系如表1；
2)制备钻杆疲劳试样，如图1所示；
3)计算钻杆在服役过程中承受的交变应力为620MPa，拉应力为0MPa，依据试样尺寸计算疲劳试验时的交变应力载荷为7791N；
4)完成10件试样的寿命测试，试验结果如表2所示，变异系数为0.0289，依据表1至少需4件试样，试样数量为10满足表1要求；
5)依据试验结果计算钻杆剩余寿命对数平均值概率密度函数为其中，x为对数平均值，利用概率密度函数进行积分可以分别计算获得典型可靠度的钻杆剩余寿命如表3所示。
表1变异系数与试样数量
变异系数 最少试样数量m
小于0.0541 7
0.0541～0.0598 8
0.0598～0.0650 9
0.0650～0.0699 10
表2钻杆的对数疲劳寿命
表3典型可靠度下的剩余寿命
可靠度 剩余寿命
50％ 206633
90％ 131310
99％ 90761
99.9％ 69279
实施例2
1)钻杆服役寿命预测的置信度为95％，误差为5％，计算变异系数与最少试样数量的对应关系如表1；
2)制备钻杆疲劳试样，如图1；
3)钻杆在服役过程中承受的交变应力取580MPa，拉应力取0MPa，依据试样尺寸计算疲劳试验时的交变应力载荷为7288N；
4)完成12件疲劳试样的寿命测试，测试结果如表4所示，变异系数为0.0387，依据表1至少需5件试样，试样数量为12满足表1要求；
5)依据试验结果计算钻杆剩余寿命概率密度函数为典型可靠度的钻杆剩余寿命如表5所示。
表4钻杆的对数疲劳寿命
试样 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
对数疲劳寿命 5.37 5.46 5.47 5.53 5.57 5.60 5.69 5.72 5.73 5.76 5.92 6.01
表5典型可靠度下的钻杆疲劳寿命
本发明提供的一种预测钻杆剩余寿命的方法，主要包括疲劳试验和理论计算两个过程。从同批次钻杆中选择服役条件最为恶劣的1～2根钻杆，从钻杆管体靠近加厚结构部位取样，加工成圆棒试样，试样数量不小于7，依据钻杆在服役过程中承载的工作载荷进行疲劳寿命测试。试验结果，计算n件试样疲劳寿命对数值的概率密度函数，进而计算获得该载荷条件下所需可靠度下的疲劳寿命。

Claims (7)

1.一种钻杆剩余寿命的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)试样数量的确定
首先确定钻杆剩余服役寿命预测的置信度和误差，计算不同变异系数条件下需要的试样数量最小值m；
2)试样设计及制备
从同批次钻杆中选择服役条件最为恶劣的1～2根钻杆，从钻杆管端内加厚过渡锥面消失部位向管体端延伸500mm范围内取样，并加工成具有圆形横截面的试样；
3)试验载荷计算
依据实际工况，计算钻杆在服役过程中承载的工作载荷；
4)试验加载步骤
a.基于步骤3)计算得到的工作载荷，采用步骤2)中的试样测试钻杆的疲劳寿命；
b.重复步骤a完成n件试样的疲劳寿命测试，n的数值不小于7；
c.先计算n件试样疲劳寿命测试结果的对数平均值及变异系数，如果变异系数小于m等于n时对应的变异系数，则停止试验，如果变异系数大于m等于n时对应的变异系数，则继续增加试样数量，继续试验至试样疲劳寿命的变异系数满足变异系数小于m等于n时对应的变异系数为止；
5)计算n件试样疲劳寿命对数值平均值的概率密度函数，利用概率密度函数积分，获得该载荷条件下所需可靠度下的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的一种钻杆剩余寿命的预测方法，其特征在于，置信度为95％，误差为5％。
3.根据权利要求1所述的一种钻杆剩余寿命的预测方法，其特征在于，试样两端为圆柱，圆柱之间为与圆柱同轴设置的表面呈弧形的结构，表面呈弧形的结构的纵截面的弧形的曲率半径R不小于40mm，表面呈弧形的结构的横截面的直径最小为3.98～4.02mm；圆柱的直径为10mm。
4.根据权利要求2所述的一种钻杆剩余寿命的预测方法，其特征在于，圆柱的端部加工有30°的倒角，并且圆柱表面加工有螺纹。
5.根据权利要求2所述的一种钻杆剩余寿命的预测方法，其特征在于，弧形表面的粗糙度为0.2。
6.根据权利要求1所述的一种钻杆剩余寿命的预测方法，其特征在于，工作载荷包括拉应力载荷和交变应力载荷。
7.根据权利要求1所述的一种钻杆剩余寿命的预测方法，其特征在于，概率密度函数f(x)为其中，x为对数平均值。
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