CN111595704A - 一种连续油管疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续油管疲劳寿命预测方法，本发明首先通过疲劳试验测得连续油管内压应变当量指数和缺陷应变集中指数，再根据特定的公式计算获得连续油管当量应变范围，最后由此预测连续油管疲劳寿命；本方法比现有的方法简单，易于掌握。本发明特别提出了损伤缺陷对连续油管应变影响程度的计算方法，该方法简单，应用方便，填补了领域空白。本发明提出了在内压作用下含缺陷连续油管当量应变的计算方法，解决了计算预测连续油管疲劳寿命的关键难点。

Description

一种连续油管疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明属于石油机械装备和石油工程领域，具体涉及一种连续油管疲劳寿命预测方法。

背景技术

连续油管是一种长度几千米、平时缠绕在卷筒上，使用时依靠专门作业机从卷筒上拉直被下入油井内的钢管，作业完成后又被缠绕回卷筒上。连续油管用于石油钻井、酸化、压裂、修井、采油、产能改造等等，连续油管作业机被称为万能石油工程作业机。连续油管要反复经历缠绕和伸直，而弯曲幅度显著超过钢管弯曲屈服强度。因反复承受弯曲塑形变形，连续油管将会发生应变疲劳。为了安全作业，就需要评估作业过程中连续油管疲劳损伤，预测疲劳寿命。

连续油管损伤缺陷检测及疲劳寿命试验设备发展很快，例如连续油管椭圆度在线检测装置(申请号CN201210241414)、半自动连续油管疲劳试验机(申请号CN200820028179)、一种连续油管裂纹在线检测设备(申请号CN201811051975)、连续油管在线检测装置(申请号CN201811591963)、一种连续油管承载能力实验机(CN201810592329)、一种连续油管多轴复合载荷低周疲劳试验装置(申请号CN200720149736)等，这些设备能够检测连续油管服役损伤，或在实验室试验连续油管疲劳寿命，但缺乏根据检测获得的缺陷数据预测连续油管疲劳寿命的专利方法。

现在一直在研究预测连续油管疲劳寿命，并发表了很多论文。基本都是按照Manson-Coffin疲劳寿命预测模型估算连续油管疲劳寿命。连续油管疲劳属于应变疲劳，相对于很大的塑性应变，弹性应变对疲劳的影响可以忽略不计，所以，连续油管疲劳公式可以只考虑塑性应变部分。

只要计算出连续油管应变范围ε，就可以预测出疲劳寿命。导致连续油管疲劳的原因就是连续油管反复经受弯曲应变，如果不考虑连续油管内部液体压力，那么就能够得到连续油管承受的应变范围，然而实际上，连续油管内压力显著影响疲劳寿命，内压越大，疲劳寿命越短，所以如何计算弯曲及内压共同作用时的应变就成了技术关键及难点。可以按照通用的Mises屈服准则计算出连续油管在轴向、环向、径向三向应力下的连续油管当量Mises应变，但连续油管实际疲劳载荷是非对称等效应变循环，这就需要采用平均应变对当量Mises应变进行修正，修正方法就成为难点。自从The University of Tulsa的TevenM.Tipton教授在1996年就提出了一种方法以后，没有新方法出现。Tipton教授提出修正了的连续油管有效应变ε_a，eff＝ε_a(1+ε_m)^S，ε_a为应变幅，ε_m为平均应变，S是连续油管的应变指数。因为不同的材料，平均应变的影响是不同的，所以必须通过不同内压的连续油管疲劳试验获得S，

式中σh是环向应力，s_y为连续油管材料的屈服应力，Q和m为常数。显然要预测连续油管疲劳寿命，就必须计算有效应变，并通过疲劳实验计算连续油管的应变指数S及其有关的常数Q和m，重要的是Teven M.Tipton发表的文献没有详细说明连续油管应变指数S的测试与计算方法，这个方法很繁琐，并且很难预测服役损伤缺陷的连续油管的疲劳寿命。购买的连续油管寿命预测软件没有提供数学模型，而且预测结果误差很大。有些大学近些年也开展了连续油管疲劳寿命预测研究工作，其当量应变的修正方法声称采取了Teven M.Tipton方法，只是采取不同的屈服准则计算连续油管当量应变，有的采用有限元方法计算损伤缺陷的应变集中，但这些方法没有进行现场数据验证。

发明内容

当前连续油管疲劳寿命预测方法复杂、误差大，有的缺乏实际验证。本发明的目的在于提供一种连续油管疲劳寿命预测方法，预测连续油管疲劳寿命的关键是如何计算内压与弯曲共同作用时的当量应变，本发明解决了缺乏简单易行的计算内压作用下连续油管应变的难题，特别是解决了损伤缺陷对连续油管应变影响程度的评估难题。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，通过疲劳试验测得连续油管内压应变当量指数m和缺陷应变集中指数μ；

]步骤二，根据内压应变当量指数m和缺陷应变集中指数μ，计算连续油管的当量应变范围ε_eq；

步骤三，根据当量应变范围ε_eq预测连续油管疲劳寿命，计算公式为：

其中，N_f是连续油管疲劳寿命，ε′_f是疲劳韧性系数，c是疲劳韧性指数。

连续油管内压应变当量指数m的获取方法如下：

根据疲劳试验获得不同内压下的连续油管疲劳寿命N_f，通过公式

计算获得当量应变范围ε_eq，其中，ε′_f是疲劳韧性系数，c是疲劳韧性指数；

根据公式ε_eq＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_p ^m推算得到内压应变当量指数m，其中，ε_b是连续油管的弯曲应变范围，ε_f是连续油管材料断裂真应变，k_p是内压比值。

缺陷应变集中指数μ的获取方法如下：

根据不同内压下含有不同严重程度缺陷连续油管疲劳试验获得疲劳寿命N_f，由

计算获得含缺陷连续油管当量应变范围ε_eq；

根据公式ε_eq＝ε_b,d+(2ε_f-ε_b,d)k_p ^m推算获得缺陷集中弯曲应变范围ε_b,d；

根据公式ε_b,d＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_d ^μ推算得到缺陷应变集中指数μ，其中，k_d为连续管缺陷比值。

连续油管当量应变范围ε_eq计算方法如下：

ε_eq＝ε_b+ε_p＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_p ^m

其中，ε_eq是连续油管的当量应变范围，ε_b是连续油管的弯曲应变范围，ε_p是作业内压引起的连续油管应变范围增量；ε_f是连续油管材料断裂真应变，k_p是内压比值，m是内压应变当量指数。

当连续油管表面形成缺陷时，当量应变范围ε_eq计算公式中的弯曲应变范围ε_b采用缺陷集中弯曲应变范围ε_b,d代替，连续油管当量应变范围ε_eq计算方法变更为：

ε_eq＝ε_b,d+ε_p＝ε_b,d+(2ε_f-ε_b,d)k_p ^m

其中，连续管缺陷集中弯曲应变范围ε_b,d计算方法为

ε_b,d＝ε_b+ε_d＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_d ^μ

其中，ε_b是连续油管的弯曲应变范围，ε_d是缺陷引起的弯曲应变范围增量，k_d为连续管缺陷比值，μ是缺陷应变集中指数。

连续管缺陷比值k_d的计算方法如下：

其中，

为缺陷深度h_d与连续管壁厚t的比值；

是缺陷在连续管横截面上的投影面积A_d与连续管横截面积A的比值；

是缺陷深度h_d与缺陷在连续管轴向的长度L_d的比值。

连续油管的弯曲应变范围ε_b通过如下公式得到：

其中，D是连续油管的外径,t是连续油管壁厚,R是连续油管作业时承受的弯曲半径。

内压比值k_p为作业时连续管内部压力p与连续管内压屈服强度p_s的比值，表达式为：

其中，σ_s是连续油管材料屈服强度，t是连续油管壁厚。

计算含缺陷连续油管内压比值k_p时，连续油管壁厚t可以采用缺陷处的有效壁厚t_d代替，即

式中，t是连续油管原始壁厚，

是连续油管的缺陷体积比值，即在长度等于1个周长或多个周长的范围内连续管缺陷体积V_d与连续管原始体积V的比值；

是连续油管的缺陷深度比值,即缺陷深度h_d与连续管原始壁厚t的比值；

是连续油管的缺陷宽度比值，即缺陷在连续管周向的宽度B_d与连续管周长πD的比值；

是连续油管的缺陷长度比值，即在长度等于1个周长或多个周长的范围内，缺陷在连续油管轴向的长度L_d与连续管周长πD的比值。

与现有技术相比，本发明首先通过疲劳试验测得连续油管内压应变当量指数和缺陷应变集中指数，再根据特定的连续油管疲劳寿命计算预测公式预测连续油管疲劳寿命；本方法比现有的方法简单，易于掌握。本发明特别提出了损伤缺陷对连续油管应变影响程度的计算方法，该方法简单，应用方便。本发明提出了在内压作用下含缺陷连续油管当量应变的计算方法，解决了计算预测连续油管疲劳寿命的关键难点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤一，通过疲劳试验测得连续油管内压应变当量指数m和缺陷应变集中指数μ；

连续油管内压应变当量指数m的获取方法如下：

根据疲劳试验获得不同内压下的连续油管疲劳寿命N_f，通过公式

计算获得当量应变范围ε_eq，其中，ε′_f是疲劳韧性系数，c是疲劳韧性指数；

根据公式ε_eq＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_p ^m推算得到内压应变当量指数m。

缺陷应变集中指数μ的获取方法如下：

根据不同内压下含有不同严重程度缺陷连续油管疲劳试验获得疲劳寿命N_f，由

计算获得含缺陷连续油管当量应变范围ε_eq；

根据公式ε_eq＝ε_b,d+(2ε_f-ε_b,d)k_p ^m推算获得缺陷处弯曲集中应变范围ε_b,d；

根据公式ε_b,d＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_d ^μ推算得到缺陷应变集中指数μ。

步骤二，根据内压应变当量指数m和缺陷应变集中指数μ，计算连续油管的当量应变范围ε_eq，计算公式为：

ε_eq＝ε_b+ε_p＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_p ^m

其中，ε_eq是连续油管的当量应变范围，ε_b是连续油管的弯曲应变范围，ε_p是作业内压引起的连续油管应变范围增量；ε_f是连续油管材料断裂真应变，k_p是内压比值。

当连续油管表面形成缺陷时，弯曲应变范围ε_b采用缺陷集中弯曲应变范围ε_b,d代替，连续油管的当量应变范围ε_eq计算公式变更为：

ε_eq＝ε_b,d+ε_p＝ε_b,d+(2ε_f-ε_b,d)k_p ^m

其中，连续管缺陷集中弯曲应变范围ε_b,d计算方法为ε_b,d＝ε_b+ε_d＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_d ^μ

其中，ε_d是缺陷引起的弯曲应变范围增量，k_d为连续管缺陷比值。

连续管缺陷比值k_d的计算方法如下：

其中，

为缺陷深度h_d与连续管壁厚t的比值；

是缺陷在连续管横截面上的投影面积A_d与连续管横截面积A的比值；

是缺陷深度h_d与缺陷在连续管轴向的长度L_d的比值。实际评定时，应该选取深度最深、周向宽度最宽、轴向长度最短的缺陷。

连续油管的弯曲应变范围ε_b通过如下公式得到：

其中，D是连续油管的外径,t是连续油管壁厚,R是连续油管作业时承受的弯曲半径。

内压比值k_p为作业时连续管内部压力p与连续管内压屈服强度p_s的比值，表达式为：

其中，σ_s是连续油管材料屈服强度，t是连续油管壁厚。

计算含缺陷连续油管内压比值k_p时，连续油管壁厚t可以采用缺陷处的有效壁厚t_d代替，即

式中，t是连续油管原始壁厚，

是连续油管的缺陷体积比值，即在长度等于1个周长或多个周长的范围内连续管缺陷体积V_d与连续管原始体积V的比值；

是连续油管的缺陷深度比值,即缺陷深度h_d与连续管原始壁厚t的比值；

是连续油管的缺陷宽度比值，即缺陷在连续管周向的宽度B_d与连续管周长πD的比值；

是连续油管的缺陷长度比值，即在长度等于1个周长或多个周长的范围内，缺陷在连续油管轴向的长度L_d与连续管周长πD的比值。

步骤三，根据第二步计算获得的当量应变范围ε_eq预测连续油管疲劳寿命，计算公式为：

其中，N_f是连续油管疲劳寿命，ε′_f是疲劳韧性系数，c是疲劳韧性指数。

连续油管疲劳寿命N_f就是连续管通过导向拱及卷筒的弯曲周次，每次下井作业连续管通过导向拱2周次，由此可以知道连续管可以经受的下井次数。

实施例1：

以钢级CT90、外径38.1mm、壁厚3.2mm连续油管为例，计算预测疲劳寿命。用通用方法获得材料疲劳韧性指数c＝－0.60、材料疲劳韧性系数ε′_f＝0.67，材料断裂真应变ε_f＝0.17。

第一步：通过疲劳试验测得连续管内压应变当量指数m，以及连续管缺陷应变集中指数μ。

在连续油管疲劳试验机上进行弯曲应变疲劳试验，弯曲模半径R＝48英寸，计算得弯曲应变ε_b＝0.0143。试验内压p分别是20MPa、35MPa、55MPa，计算得k_p＝0.192、0.336、0.480。试验得疲劳寿命N_f分别为580周次、465周次、90周次，由公式

计算获得应变范围ε_eq分别为0.019、0.031、0.059。按照公式ε_eq＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_p ^m推算得到内压应变当量指数m分别为2.50、2.69、2.66，内压应变当量指数m可以采用平均值2.6或最小值2.5。

然后通过疲劳试验测得连续管缺陷应变集中指数μ。

疲劳试验机弯曲模半径49英寸，计算得弯曲应变ε_b＝0.0143。选择表面有腐蚀、磨损等缺陷的连续油管,或在连续油管表面人工制造不同大小的缺陷，计算得缺陷比值

试验内压p分别是20MPa、35MPa、55MPa，计算得

测得疲劳寿命N_f＝455周次～66周次，由

计算获得含缺陷连续油管当量应变范围ε_eq＝0.022～0.071，然后按照公式ε_eq＝ε_b,d+(2ε_f-ε_b,d)k_p ^m推算获得缺陷集中弯曲应变范围ε_b,d＝0.019～0.050，然后由公式ε_b,d＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_d ^μ推算得到缺陷应变集中指数μ＝0.50～0.40，缺陷应变集中指数μ可采用平均值0.45或最小值0.40。

第二步，计算连续油管当量应变范围ε_eq，计算公式为：

ε_eq＝ε_b,d+(0.33-ε_b,d)k_p ^2.6

ε_b,d＝ε_b+(0.33-ε_b)k_d ^0.45

该连续油管在某井作业，注入设备的导向拱半径R＝48英寸，计算得ε_b＝0.0143。连续管内流体作业压力p＝55MPa，连续油管表面没有缺陷时，计算得k_p＝0.528。最终计算得到ε_eq＝ε_b+(0.33-ε_b)k_p ^2.6＝0.074。

如果在该井使用10次后，发现连续油管表面出现损伤缺陷，最严重缺陷的深度1mm、环向长度20mm、长度10mm，计算得

连续油管注入设备的导向拱半径R＝48英寸，计算得ε_b＝0.0143。连续管内流体作业压力p＝55MPa，计算得k_p＝0.530。计算得到ε_b,d＝ε_b+(0.33-ε_b)k_d ^0.45＝0.032，ε_eq＝ε_b,d+(0.33-ε_b,d)k_p ^2.6＝0.089。

第三步，计算连续油管疲劳寿命N_f，计算公式为：

具体算法如下：

该连续油管在某井作业，注入设备的导向拱半径R＝48英寸，连续管内流体作业压力p＝55MPa。

连续油管开始使用时，表面没有缺陷，根据第二步计算得到ε_eq＝0.074，由

计算得到疲劳寿命N_f＝61周次。考虑到每作业一次，连续油管通过导向拱2次，那么该连续管可以在该井使用30次。

如果在该井使用10次后，发现连续油管表面出现损伤缺陷，最严重缺陷的深度1mm、环向长度20mm、长度10mm。连续管内流体作业压力p＝55MPa。根据第二步计算得到的ε_eq＝0.089，由

计算得到疲劳寿命N_f＝45周次。如果缺陷不再扩大，那么该连续油管在该井能够使用22次，考虑到在该井已经使用10次，那么该连续油管在该井可以继续使用12次后，再进行检测和疲劳寿命预测，决定能否再次使用。

Claims (10)

1.一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过疲劳试验测得连续油管内压应变当量指数m和缺陷应变集中指数μ；

步骤二，根据内压应变当量指数m和缺陷应变集中指数μ，计算连续油管的当量应变范围ε_eq；

步骤三，根据当量应变范围ε_eq预测连续油管疲劳寿命N_f，计算公式为：

其中，N_f是连续油管疲劳寿命，ε′_f是疲劳韧性系数，c是疲劳韧性指数。

2.根据权利要求1所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，连续油管内压应变当量指数m的获取方法如下：

根据疲劳试验获得不同内压下的连续油管疲劳寿命N_f，通过公式

计算获得当量应变范围ε_eq，其中，ε′_f是疲劳韧性系数，c是疲劳韧性指数；

根据公式ε_eq＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_p ^m推算得到内压应变当量指数m，其中，ε_b是连续油管的弯曲应变范围，ε_f是连续油管材料断裂真应变，k_p是内压比值。

3.根据权利要求1所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，缺陷应变集中指数μ的获取方法如下：

根据含有不同严重程度缺陷连续油管在不同内压下的疲劳试验获得的疲劳寿命N_f，由

计算获得含缺陷连续油管当量应变范围ε_eq；

根据公式ε_eq＝ε_b，d+(2ε_f-ε_b，d)k_p ^m推算获得缺陷集中弯曲应变范围ε_b，d；

根据公式ε_b，d＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_d ^μ推算得到缺陷应变集中指数μ，其中，k_d为连续管缺陷比值。

4.根据权利要求1所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，连续油管的当量应变范围ε_eq计算方法为：

ε_eq＝ε_b+ε_p＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_p ^m

其中，ε_eq是连续油管的当量应变范围，ε_b是连续油管的弯曲应变范围，ε_p是作业内压引起的连续油管应变范围增量；ε_f是连续油管材料断裂真应变，k_p是内压比值，m是内压应变当量指数。

5.根据权利要求4所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，当连续油管表面形成缺陷时，当量应变范围ε_eq计算公式中的弯曲应变范围ε_b采用缺陷集中弯曲应变范围ε_b，d代替，连续油管当量应变范围ε_eq计算方法变更为：

ε_eq＝ε_b，d+ε_p＝ε_b，d+(2ε_f-ε_b，d)k_p ^m。

6.根据权利要求5所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，连续管的缺陷集中弯曲应变范围ε_b，d计算方法为

ε_b，d＝ε_b+ε_d＝ε_b+(2ε_f-ε_b)k_d ^μ

其中，ε_b是连续油管的弯曲应变范围，ε_d是缺陷引起的弯曲应变范围增量，k_d为连续管缺陷比值，μ是缺陷应变集中指数。

7.根据权利要求6所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，连续管缺陷比值k_d的计算方法如下：

其中，

为缺陷深度h_d与连续管壁厚t的比值；

是缺陷在连续管横截面上的投影面积A_d与连续管横截面积A的比值；

是缺陷深度h_d与缺陷在连续管轴向的长度L_d的比值。

8.根据权利要求4或6所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，连续油管的弯曲应变范围ε_b通过如下公式得到：

其中，D是连续油管的外径，t是连续油管壁厚，R是连续油管作业时承受的弯曲半径。

9.根据权利要求4所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，内压比值k_p为作业时连续管内部压力p与连续管内压屈服强度p_s的比值，表达式为：

其中，σ_s是连续油管材料屈服强度，t是连续油管壁厚，D是连续油管外径。

10.根据权利要求9所述的一种连续油管疲劳寿命预测方法，其特征在于，计算含缺陷连续油管的内压比值k_p时，连续油管壁厚t能够采用缺陷处的有效壁厚t_d代替，即

式中，t是连续油管原始壁厚，

是连续油管的缺陷体积比值，即在长度等于1个周长或多个周长的范围内连续管缺陷体积V_d与连续管原始体积V的比值；

是连续油管的缺陷深度比值，即缺陷深度h_d与连续管原始壁厚t的比值；

是连续油管的缺陷宽度比值，即缺陷在连续管周向的宽度B_d与连续管周长πD的比值；

是连续油管的缺陷长度比值，即在长度等于1个周长或多个周长的范围内，缺陷在连续油管轴向的长度L_d与连续管周长πD的比值。