CN111767614B - 一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，对实物试样进行气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价方法；根据有限元分析螺纹结构和主密封面在载荷状态下最大主应变和最大主应力；依据主密封面应力状态判定是否满足发生材料力学性能改变循环软化条件，依据最大主应力变化幅值，采用疲劳实验轴向力控制方法进行材料循环应力应变试验并建立材料屈服强度变量函数；确定最终屈服强度代入有限元模型分析主密封接触压力和长度的密封能变化与内压比较，确定密封完整性和螺纹结构疲劳失效性能，完成气密封特殊螺纹振动疲劳失效分析。本发明为气密封特殊螺纹在特定工况振动载荷下密封和结构两个完整性使用及分析预测提供了基础。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气开发技术领域，具体涉及一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法。
背景技术
油套管气密封螺纹连接广泛应用于高温高压高腐蚀气井，油套管螺纹连接失效占到油套管失效的90％。油管工况载荷有3大类，静态载荷、动态载荷、热载荷。静态载荷是指长期存在的轴向压缩、拉伸、内压、外压以及弯曲；动态载荷是指生产采气过程中振动疲劳载荷；热载荷是指热胀冷缩产生的拉压交变载荷以及高温材料性能退化对承载能力的影响。国际权威标准API RP 5C5(2017)版石油天然气工业—油套管螺纹连接试验评价程序，主要针对井下长期的静态和高温热载荷分别开展基于材料室温和高温(180℃)的包络线载荷检验螺纹静态载荷交变和温度交变热载荷螺纹连接完整性评价。但是通过API RP 5C5标准试验检测评价的气密封螺纹连接，在井下使用过程中仍然发生多起螺纹失效断裂事故，国内某高温高压气田已发生189井次的油管弯曲变形、断掉落井、腐蚀碎块等事故，造成直接经济损失达6.62亿元。分析发现，油管柱螺纹断裂失效占事故的87％以上。因此需要开展气密封螺纹连接振动疲劳失效试验评价和分析方法建立。
现行螺纹连接评价分析方法中存在的问题：
(1)API RP 5C5标准试验评价方法只针对静态交变载荷和温度交变热载荷检验螺纹连接结构和密封完整性，不考虑由于气藏压力和产量波动以及管柱屈曲管内气体流动离心切向力造成管柱的高频持续振动，造成螺纹的密封泄漏或疲劳断裂。
因此需要建立一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，确保井下管柱结构和密封完整性解决管柱在高内压液体压裂和生产采气过程中的螺纹连接失效问题，为油田螺纹连接选用提供一种评价分析方法。
本发明采用以下技术方案：
一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，包括以下步骤：
S1、准备实物试样，进行气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价方法；
S2、根据有限元分析螺纹结构和主密封面在载荷状态下最大主应变和最大主应力；依据主密封面应力状态判定是否满足发生材料力学性能改变循环软化条件，依据最大主应力变化幅值，采用疲劳实验轴向力控制方法进行材料循环应力应变试验并建立材料屈服强度变量函数；确定最终屈服强度代入有限元模型分析主密封接触压力和长度的密封能变化与内压比较，确定密封完整性和螺纹结构疲劳失效性能，完成气密封特殊螺纹振动疲劳失效分析。
具体的，步骤S1中，试样长度是管体外径的10倍以上确保完成有效弯曲振动；在距螺纹连接70mm位置沿圆周每隔90℃粘接1个应变片，监测振动弯曲应变，接箍表面封装加速度监测传感器，加速度监测传感器的测量范围为1g～15g，g为重力加速度。
具体的，步骤S1中，在简谐振动疲劳试验机上进行气密封特殊螺纹振动评价，气密封内压最小值满足油田生产需求最大内压且不低于材料实测屈服强度和管体最小壁厚的VME80％气压；加载频率是试样共振频率；加载振动加速度，加速度大小建议大于井下实测值的1.5倍确保足够安全余量；试验温度为180℃或室温。
具体的，步骤S1中，气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价的振动次数＞1000万次螺纹不发生泄漏和裂纹萌生或开裂，试验发生泄漏或断裂应记录加载频率、加速度、弯曲狗腿度、循环次数并拍照记录，分析报告应包括螺纹有限元密封和疲劳分析。
具体的，步骤S2中，最大主应变和最大主应力具体为：
试验加载达到预定试验振动加速度时，振幅对应的试样弯曲度在气密封特殊螺纹结构上形成最大主应力和最大主应变，为螺纹发生疲劳失效断裂位置。
具体的，步骤S2中，主密封面应力状态具体为：
在振动加速度弯曲载荷状态下密封面最大主应力状态如果是压应力，密封面接触压力不发生改变保持恒定；拉应力状态密封面接触压力循环软化降低，通过应力状态判定密封随振动循环密封接触压力的变化趋势。
具体的，步骤S2中，随循环塑性应变的增加，材料屈服强度发生线性改变为：
σYi＝σY1+δσYi
循环弯曲振动为：
其中，σyi为第i次循环屈服强度；σY1为初始屈服强度；δσYi为循环屈服强度变量；δσYS为对称循环稳定改变量；n'为循环系数。
具体的，步骤S2中，依据拉压试验确定的循环系数和屈服强度变量建立材料循环屈服强度变量函数，取I＝1000万次确定最终材料屈服强度值，代入有限元模型材料力学性能，计算屈服强度下材料应力应变曲线的螺纹密封接触压力和长度。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，建立了振动载荷下气密封螺纹连接振动疲劳失效试验评价方法和基于试验的结构和密封完整性分析方法。本发明方法依据螺纹实际工况载荷，确定加载的加速度和试验内压，确保足够的使用安全余量；建立结构和密封完整性疲劳失效分析方法确定螺纹井下适用载荷范围和材料性能指标控制。指导工程设计人员为井下管柱螺纹选型及材料性能指标控制提供依据。
进一步的，试样长度设置是管体外径10倍以上，可以确保实物振动试验达到预定加速度下振幅，同时消除试样两端夹持的端部效应。
进一步的，振动分周期和非周期；通过不同频率的谐波幅值及相位的合成可以表达其振动形式。因此，最基本振动形式是简谐振动，通过对油管螺纹接头的横向简谐振动试验评价和分析可以有效预测井下油管柱在不同振动模态下的性能。
进一步的，依据疲劳分析原理循环次数在1000万次以上未发生裂纹萌生失效，即具有抗疲劳无限次使用寿命。
进一步的，最大主应力和应变就是主平面上的最大正应力和应变没有剪应力应变，因此，最大主应力反映了材料拉伸或压缩屈服或断裂性能，可以说明结构是处于屈服还是开裂状态。
进一步的，通过对主密封面应力状态的分析可以确定决定密封的主要因素接触压力的振动循环变化状态，压应力密封接触压力恒定不变密封性完好；拉应力状态密封接触压力随振动循环次数增加降低，密封易发生泄漏。
进一步的，通过材料屈服强度变量函数的分析，可以预测振动状态下不同循环次数时材料屈服强度变化量，为螺纹结构和密封应力应变改变规律预测分析提供材料力学性能基础。
综上所述，本发明通过设置试样有效长度，可达到完全模拟螺纹振动有效振幅和弯曲应力交变；通过试验检验1000万次方法，可以确保石油天然气开采井下管柱无限寿命安全使用；采用最大主应力应变分析确保有效分析螺纹结构的疲劳状态，为使用范围预测提供基础；主密封应力状态分析，可以判定螺纹在振动循环下密封性能；材料循环屈服强度变量函数建立，可以判定不同循环次数下，材料临界使用强度，为螺纹结构应力应变分析提供力学性能基础。上述益处综合，为气密封特殊螺纹在特定工况振动载荷下密封和结构两个完整性使用及分析预测提供了坚实基础，确保井下安全可靠使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例中实物试验试样长度及应变片粘贴位置；
图2为本发明实施例中试验中螺纹接箍表面封装加速度传感器；
图3为本发明实施例中试验振动疲劳弯曲循环应变曲线；
图4为本发明实施例中试验2#样振动加速度8g外螺纹疲劳裂纹萌生；
图5为本发明实施例中试验2#样振动加速度8g外螺纹最大主应力分布，其中，(a)为A弯曲拉伸边螺纹应力分布，(b)为弯曲压缩边螺纹应力分布；
图6为本发明实施例中试验2#样振动加速度8g主密封最大主应力应变分布，其中，(a)为弯曲拉伸边应力分布，(b)为弯曲拉伸边应变分布，(c)为弯曲压缩边应力分布，(d)为弯曲压缩边应变分布)；
图7为本发明实施例中试验主密封接触面积分析；
图8为螺纹有限元分析模型图，其中，(a)为截面弯曲应力分布，(b)为有限元分析模型；
图9为有限元最大主应力和接触压力分析，其中，(a)为密封和主应力提取位置，(b)为密封最大接触压力和主应力。
具体实施方式
本发明一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，包括以下步骤：
S1、气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价方法；
S101、实物试样准备
试样长度是管体外径的10倍以上确保完成有效弯曲振动；在距螺纹连接70mm位置沿圆周每隔90℃粘接1个应变片，监测振动弯曲应变，接箍表面封装加速度监测传感器，加速度监测传感器的测量范围为1～15g，g为重力加速度。
试样选择极限公差螺纹配合高过盈上扣应力集中；密封低过盈最小扭矩上扣和外螺纹端面刻槽易发生泄漏。
S102、实物试验方法
在简谐振动疲劳试验机上进行气密封特殊螺纹振动评价，具体要求为：
气密封内压最小值满足油田生产需求最大内压且不低于材料实测屈服强度和管体最小壁厚的VME80％气压；
加载频率是试样共振频率；
加载振动加速度，加速度大小建议大于井下实测值的1.5倍确保足够安全余量；
试验温度按用户要求温度如未指定建议按180℃和室温两种环境温度试验。
S103、接收准则
振动次数＞1000万次螺纹不发生泄漏和裂纹萌生或开裂。
试验发生泄漏或断裂应记录加载频率、加速度、弯曲狗腿度、循环次数并拍照记录，分析报告应包括螺纹有限元密封和疲劳分析。
螺纹结构复杂，采用计算解析公式无法表达其细微结构应力变化；有限元分析数值模拟可以精确分析复杂螺纹结构受力变化。有限元建模内外螺纹装配分析上扣状态，依据振动加速度对应的弯曲度，依据弯曲一边受拉一边受压，在螺纹端部施加拉压载荷就可模拟分析在振动状态下螺纹结构最大主应力的变化幅值；密封面最大主应力和密封接触压力。
依据主应力变化幅值和螺纹结构的应力集中系数、平均应力变化，结合材料实测拉压循环寿命持久疲劳强度，判定振动载荷下螺纹疲劳寿命。依据密封主应力状态，判定密封接触压力变化，可以分析密封性。
实施案列详细流程说明了螺纹结构和密封的分析过程如图8所示。
S2、气密封特殊螺纹振动疲劳失效分析方法。
S201、根据有限元分析螺纹结构和主密封面在载荷状态下最大主应变和最大主应力；
有限元建模内外螺纹上扣状态后，依据材料屈服强度变量函数，建立材料力学性能，采用四节点反对称单元，施加振动加速度对应的弯曲度，在密封面和螺纹上提取拉伸边和压缩边的最大主应力和密封接触压力，如图9所示。
S202、依据主密封面应力状态判定是否满足发生材料力学性能改变循环软化条件，如果满足按步骤S203进行试验；
依据有限元分析载荷下密封面拉伸边和压缩边最大主应力状态(拉应力和压应力)与材料拉伸试验应力应变确定的屈服强度(案例是770MPa)比较，如果是拉压(或拉拉)循环交变应力值超过材料试验初始屈服强度，材料在循环应力下开始循环软化，依据屈服强度变量函数预测循环次数下屈服强度变化。
循环软化条件为进入屈服发生塑性变形和拉压交变或拉拉交变应力存在。实施案例如图6所示，外螺纹密封最大主应力小于材料屈服强度；内螺纹密封发生塑性应变最大压应力状态，密封不会发生循环软化。
S203、依据最大主应力变化幅值，采用疲劳实验轴向力控制方法进行材料循环应力应变试验并建立材料屈服强度变量函数；
随循环塑性应变的增加，材料屈服强度发生线性改变为：
σYi＝σY1+δσYi
循环弯曲振动为：
其中，σyi为第i次循环屈服强度；σY1为初始屈服强度；δσYi为循环屈服强度变量；δσYS为对称循环稳定改变量；n'为循环系数。
S204、按照循环1000万次要求，确定最终屈服强度代入有限元模型分析主密封接触压力和长度的密封能变化与内压比较，确定密封完整性和螺纹结构疲劳失效性能。
依据拉压试验确定的循环系数和屈服强度变量，建立材料循环屈服强度变量函数，取I＝1000万次可以确定，最终材料屈服强度值，代入有限元模型材料力学性能，计算在该屈服强度下材料应力应变曲线的螺纹密封接触压力和长度。
密封能为密封接触压力和长度的接触面积如图9所示；密封接触面积是内压6倍以上有良好的密封完整性不会发生泄漏；最大主应力幅值、均值及应力集中系数和应力均值修正系数确定螺纹疲劳寿命。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下将结合附图对本发明专利作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的分析过程，本发明的保护范围包括本实施例。
本实施例以材料钢级110SS气密封特殊螺纹油管为例，试验评价和分析螺纹结构和密封振动疲劳失效确定螺纹适用范围以及材料性能指标控制。
1螺纹振动试验载荷建立
高温高压气井油管柱振动井下测试结果见表1。
表1
注：g指重力加速度9.81m/s2
振动疲劳试验加载加速度确定为6g和8g分别是实测值的(1.6倍和2倍)满足试验评价方法要求的≥1.5倍；内压按实测材料屈服强度770MPa和最小壁厚6.18mm和最大外径89.5mm确定试验气压83MPa是材料实测值的VME85％，大于实测井底压力72.6MPa和VME80％。
2实物试样准备和螺纹参数极限公差
实物试样准备见图1长度2600mm(是外径29倍大于10倍要求)，试样应变片每隔90°粘贴位置(距接箍端70mm)，螺纹上扣前台肩端部刻槽见。内外螺纹参数公差配合要求见表2；实测极限公差参数见表3，试样上扣扭矩控制见表4。
表2
表3
表4
3振动疲劳失效试验
气密封螺纹横向简谐振动试验加载频率20～30HZ，振动加速度安装见图2，试验结果见表5，弯曲应变和加速度监测见图3，疲劳失效形貌见图4。
表5
4振动疲劳失效分析
1)有限元分析螺纹结构最大主应力见图5，最大主应力交变位置位于外螺纹消失点非完整扣与全尺寸实物试验结果失效位置一致。最大主应力幅值、均值及应力集中系数和应力均值修正系数见表6，材料拉压交变应力持久疲劳强度见表7，修正疲劳寿命见表8，试验结果与计算分析比较见表9，材料性能指标控制见表10。
表6
表7
表8
表9
表10
2)有限元分析密封最大主应力应变分布见图6，密封接触面积见图7，内螺纹密封面局部塑性应变，最大塑性应变位置处于压应力状态，拉伸和压缩边应力应变分布基本一致，表明弯曲振动载荷下密封面塑性应变区始终处于压应力状态不会造成材料力学性能改变密封失效，密封接触面积不变与初始加内压83MPa的值一致是内压的16倍，表明振动对密封无显著影响；因此振动过程中不可能发生泄漏，与全尺寸试验结果一致。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备实物试样，进行气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价方法，在简谐振动疲劳试验机上进行气密封特殊螺纹振动评价，气密封内压最小值满足油田生产需求最大内压且不低于材料实测屈服强度和管体最小壁厚的VME80％气压；加载频率是试样共振频率；加载振动加速度，加速度大小建议大于井下实测值的1.5倍确保足够安全余量；试验温度为180℃或室温，气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价的振动次数＞1000万次螺纹不发生泄漏和裂纹萌生或开裂，试验发生泄漏或断裂应记录加载频率、加速度、弯曲狗腿度、循环次数并拍照记录，分析报告应包括螺纹有限元密封和疲劳分析；
S2、根据有限元分析螺纹结构和主密封面在载荷状态下最大主应变和最大主应力；依据主密封面应力状态判定是否满足发生材料力学性能改变循环软化条件，依据最大主应力变化幅值，采用疲劳实验轴向力控制方法进行材料循环应力应变试验并建立材料屈服强度变量函数；确定最终屈服强度代入有限元模型分析主密封接触压力和长度的密封能变化与内压比较，确定密封完整性和螺纹结构疲劳失效性能，完成气密封特殊螺纹振动疲劳失效分析。
2.根据权利要求1所述的气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，其特征在于，步骤S1中，试样长度是管体外径的10倍以上确保完成有效弯曲振动；在距螺纹连接70mm位置沿圆周每隔90℃粘接1个应变片，监测振动弯曲应变，接箍表面封装加速度监测传感器，加速度监测传感器的测量范围为1g～15g，g为重力加速度。
3.根据权利要求1所述的气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，其特征在于，步骤S2中，最大主应变和最大主应力具体为：
试验加载达到预定试验振动加速度时，振幅对应的试样弯曲度在气密封特殊螺纹结构上形成最大主应力和最大主应变，为螺纹发生疲劳失效断裂位置。
4.根据权利要求1所述的气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，其特征在于，步骤S2中，主密封面应力状态具体为：
在振动加速度弯曲载荷状态下密封面最大主应力状态如果是压应力，密封面接触压力不发生改变保持恒定；拉应力状态密封面接触压力循环软化降低，通过应力状态判定密封随振动循环密封接触压力的变化趋势。
5.根据权利要求1所述的气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，其特征在于，步骤S2中，随循环塑性应变的增加，材料屈服强度发生线性改变为：
σYi＝σY1+δσYi
循环弯曲振动为：
其中，σyi为第i次循环屈服强度；σY1为初始屈服强度；δσYi为循环屈服强度变量；δσYS为对称循环稳定改变量；n'为循环系数。
6.根据权利要求1所述的气密封特殊螺纹振动疲劳失效试验评价和分析方法，其特征在于，步骤S2中，依据拉压试验确定的循环系数和屈服强度变量建立材料循环屈服强度变量函数，取I＝1000万次确定最终材料屈服强度值，代入有限元模型材料力学性能，计算屈服强度下材料应力应变曲线的螺纹密封接触压力和长度。
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