CN113447173B - 一种在光弹性实验中直接测量有弧形缺陷连续油管应力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在光弹性实验中直接测量有弧形缺陷连续油管应力的方法。包括加工连续油管模具，在模具中的内孔蜡芯上镶装预制缺陷刀片；将配置好的环氧树脂混合液浇注在模具中，令其在低温下固化成型，待材料凝固后，再进行二次高温固化，获得内部带有缺陷的连续油管模型；将连续油管模型放置于应力冻结装置中加载并对其应力进行冻结；对冻结后的连续油管模型，沿轴向和环向进行切片，然后将切片分别置于光弹性仪中，对切片进行正射实验，观察等差线和等倾线图案，测量并记录切片上个点的等差线条纹级数和等倾线角度，计算出有缺陷连续油管表面和内部的应力分布。应用本方法，能够为油田中钻井、压裂工艺中常用的有缺陷连续油管剩余疲劳寿命预测提供基础数据。
Description
技术领域：
本发明涉及一种直接测试有缺陷连续油管应力的方法。
背景技术：
连续油管相对于常规螺纹连接油管而言，具有起下作业无需上扣、卸扣等优点，在油田钻修井作业中得到广泛应用。连续油管在每口井起下作业中都经历3次拉直-弯曲-拉直塑性变形，且井下工作环境差异较大，使得连续油管表明及内部出现不同程度的缺陷，表现在连续油管表面有砂眼、凹坑、划痕或泄漏孔和缝隙等缺陷，是影响连续油管钻修作业可靠的关键因素，因此连续油管的剩余疲劳强度预测工作十分重要。目前，关于连续油管疲劳寿命预测方面，国内外多数研究成果集中在无缺陷连续油管，而对有缺陷后的连续油管的疲劳寿命预测、失效判别研究较少，没有建立成熟、统一的有缺陷连续油管应力测试及计算方法。在现有的测试应力方法中，大多数采用贴应变片来间接测量连续油管应力，该方法对应变片的粘贴方法要求较高，其测试结果精度受外界温度及干扰的敏感度较高，且仅能测试试件表面的应力，无法得到试件内部缺陷部位的应力。
发明内容：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种基于光弹性实验直接测试有缺陷连续油管应力的方法，以环氧树脂、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸二丁酯作为原料浇注带有不同缺陷尺寸及形状的连续油管模型，并采用光弹性实验对其应力进行测试及计算，建立一种基于光弹性实验直接测试有缺陷连续油管应力的方法，可为油田中钻井、压裂工艺中常用的有缺陷连续油管剩余疲劳寿命预测提供一定的基础数据。
本发明的技术方案是：该种在光弹性实验中直接测量有弧形缺陷连续油管应力的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，加工连续油管模具；即在模具中的内孔蜡芯上镶装预制缺陷刀片；将配置好的环氧树脂混合液浇注在模具中，令其在低温下固化成型，待材料凝固后，再进行二次高温固化，获得内部带有缺陷的连续油管模型；
第二步，将经由第一步所获得的连续油管模型放置于应力冻结装置中加载，并对连续油管模型的应力进行冻结；
第三步，对应力冻结后的连续油管模型，确定连续油管内部缺陷位置应力分布，取缺陷中心处为切片位置，沿着连续油管模型轴向和垂直轴向方向进行切片，得到两种切片，即纵向切片和横向切片；
第四步，将经由第三步获得的切片分别置于光弹性仪中，对切片进行正射实验，并记录各切片的等差线条纹级数和倾线角度，采用剪应力差法求得切片上任意一点的的应力分量：径向应力σr、环向应力σθ和轴向应力σz及剪切应力τrz；
具体计算路径如下：
①轴对称模型
连续油管模型为轴对称体，其载荷也是轴对称。取圆柱坐标系，z为轴向，r为径向，θ为环向，故剪应力τrθ＝τθz＝0，只有正应力σr、σθ、σz及剪应力τrz待求；
②应力-光学定律
主应力与光弹性条纹级数之间的关系为
式中，σ1、σ2为切片第一、二主应力；f为冻结材料的条纹值；h为切片厚度；N为切片等差线条纹级数；
③纵向切片的应力方程
当光线正射纵向切片时，可测得切片上各点的等差线条纹级数N1和倾线角度θ1，则得到
④横向切片的应力方程
当光线正射横向切片时，可测得切片上各点的等差线条纹级数N2，则
⑤平衡方程
根据模型r方向的平衡方程
其差分方程为
式中，(σr)0为模型边界应力，
N0为模型外表面等差线条纹级数；
⑥联立方程求解切片上任意一点的应力分量
根据式(5)可求得切片的条纹值f；Δτrz可根据模型各点的τrz(公式(6))求得，σr-σθ由式(8)算出，将(σr)0、Δτrz、σr-σθ代入式(10)可得模型内各点的径向应力σr；求得σr后，根据式(7)、式(8)分别计算σz、σθ，即可得到切片上任意一点的应力值：径向应力σr、环向应力σθ和轴向应力σz及剪切应力τrz；
第五步，确定有缺陷连续油管实际工作应力；具体路径如下：
根据弹性结构的相似理论，可得现场使用的有缺陷连续油管的应力计算公式为：
式中，σp为连续油管实际应力，σM为模型应力，当σM为σr，求得σp为连续油管实际径向应力；当σM分别取σθ、σz、τrz，求得σp分别为连续油管实际径向应力、轴向应力及剪切应力；qp、qM分别为连续油管实际、模型载荷。
本发明具有如下有益效果：1、本方法以环氧树脂、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸二丁酯作为原料，通过对原料用量的调配，能够制得不同性能的环氧树脂模型。本发明的原料配比灵活，适用范围更广，能够适应于各种性能要求的环氧树脂模型生产。2、本方法将模具进行预热，能够确保铁皮桶模具与原料混合溶液的温度一致，避免由于环氧树脂溶液的模具接触面与内部存在温度差，所引起的环氧树脂油管出现不均匀、形变等问题。3、本方法对环氧树脂板进行两次固化，能够改善环氧树脂板的性能。尤其是本发明根据所用原料，优化固化的路径，分阶段升温降温，使用烘箱严格控制升温和降温的速率，控制好在烘箱中的时间，极大程度上避免局部温度梯度较大产生的热应力集中的现象，从而提高了环氧树脂油管的各项性能。4、本方法在制造有缺陷连续油管模型时，采用内孔蜡芯镶装预制裂缝刀片内孔一次成型工艺，并采用冻结装置对模型进行应力冻结，制造缺陷方法简单易行，且能较好地冻结模型中缺陷处的应力。5、本方法将制作好的环氧树脂连续油管进行光弹性实验，依据光弹原理即可求得模型中各点得应力大小和方向。
概括地说，本发明方法简单，原材料丰富，易生产，光学灵敏度高，透明度好，时间边缘效应小，能直观的用来测试杆管的应力分布规律，可为油田中钻井、压裂工艺中常用的有缺陷连续油管强度评价、剩余疲劳寿命预测提供一定的基础数据。
附图说明：
图1为本发明制作油管模具的结构示意图。
图2为本发明环氧树脂油管固化曲线示意图。
图3连续油管模型缺陷位置及尺寸示意图。
图4为本实验发明冻结加载装置示意图。
图5为本实验发明冻结温度曲线图。
图6为本实验发明的模型的切片位置示意图。
图7为本实验发明光弹性实验台布局示意图。
图中1-铁芯；2-上封盖；3-蜡芯；4-预制缺陷刀片；5-连续油管模型；6-铁皮桶；7-锡焊；8-下封盖；9-垫片；10-连接螺栓；11-三相交流电源；12-CJO-20A交流接触器；13-6402型电子继电器；14-压风机；15-压风机气包；16-气源开关；17-带有定压接触开关的气源压力表18-定值器；19水银压力计；20-冻结模型；21-自控烘箱；22-钠光光源；23-白色光光源；24-透镜；25-起偏镜；26–第一1/4波片；27加载台；28–第二1/4波片；29-检偏镜；30-摄像机；31-屏幕；32-实验台。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
第一步，加工连续油管模具；即在模具中的内孔蜡芯上镶装预制缺陷刀片；将配置好的环氧树脂混合液浇注在模具中，令其在低温下固化成型，待材料凝固后，再进行二次高温固化，获得内部带有缺陷的连续油管模型。
本步骤具体实施过程如下：
模具的铁皮桶可用白铁皮，制作蜡模的原料为石蜡、地蜡和硬脂酸。
在制作环氧树脂连续油管模型之前，对模具进行如下处理：
清洗模具：先用洗洁精擦洗，再用清水冲洗，最后依次用无水乙醇和丙酮擦净，要求铁皮桶表面无灰尘，无油脂，干净透明，自然风干。
脱模准备：把铁皮桶，上封盖和下封盖放在聚苯乙烯-甲苯脱脱模剂中浸泡10min后取出，在室内风干一天后再次浸泡在脱模剂中，一天后取出，自然风干成膜：
装配模具：铁皮桶与下封盖采用锡焊焊接，通过固定螺钉将蜡芯固定在铁皮桶的中心并使两者同轴心，以保证浇铸出的环氧树脂油管厚度均匀，在装螺钉之前加上密封垫，防止环氧树脂溶液泄漏，在铁皮桶上方应有上封盖防止杂质进入溶液。
环氧树脂连续油管模型的制作方法如下：
制作模型的原料为：环氧树脂、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸二丁酯。在浇注模型时，各原料的用量计算如下：
首先，根据现场使用的连续油管尺寸，计算模型体积为V，环氧树脂塑料的比重为γ(γ＝12.8×103N/m3)，计算得出模型的总重量为：
G总＝Vγ (1)
其次，根据配比算出各原料的用量。本发明采用的配比为：环氧树脂：顺丁烯二酸酐：邻苯二甲酸二丁酯＝100:35:5，则环氧树脂重量为：
顺丁烯二酸酐重量为：
邻苯二甲酸二丁酯重量为：
之后，模型的浇注和固化工艺过程如下：
(1)将称好的环氧树脂预热至60℃-70℃，同时，将已称好的顺丁烯二酸酐置于熔器内加热至60℃左右，使其完全熔化。将已称好的邻苯二甲酸二丁酯倒入预热好的环氧树脂中，再将顺丁烯二酸酐缓慢倒入，并不断进行搅拌，温度控制在45℃左右。最后将材料在55℃下静放20分钟，以便让杂质全部沉淀，气泡逸出。
(2)将环氧树脂的混合溶液注入预热的铁皮桶内，铁皮桶装有蜡芯，然后将模具置于恒温箱内，使它在40℃-50℃温度下进行第一次固化，采取这种固化温度，一是为了延缓固化反应速率；二是减小蜡芯蠕变。
(3)待材料固化后，降至室温拆模。第一次固化后的模型，因固化温度较低，固化反应不完全，材料性能不稳定，需进行第二次固化。
(4)将一次固化后的模型放在油内(如甘油)，加温，进行第二次固化，二次固化的具体过程为：将模型升温到80℃-85℃，再恒温一段较长的时间，使材料固化均匀些。最后升温到高温阶段(110℃-120℃)，使材料有较稳定的性能，待固化反应完全后，缓慢降至室温。二次固化时，升温速度不宜超过5℃/小时，以免固化速度过快，降温速度控制在0.5℃-3℃/小时以免产生温度应力。
这样，环氧树脂连续油管模型制作完成。
第二步，将经由第一步所获得的连续油管模型放置于应力冻结装置中加载，并对连续油管模型的应力进行冻结。
本步骤具体实施过程如下：将压风机压力表17接上，自制定压接触开关，把压力大小送给电子继电器13，通过交流接触器12自动控制压风机14，使气源气压表17保持恒定。然后由定值器18控制模型20的冻结应力，冻结过程的温度条件为：将温度由室温升至90℃，升温速度为10℃-15℃/小时，降低升温速度，由5℃/小时的速度将温度升至118℃。对模型进行加载0.3-0.5小时，然后逐步以1℃-2℃/小时、3℃-5℃/小时、5℃-7℃/小时速度将降至常温。
第三步，对应力冻结后的连续油管模型，确定连续油管内部缺陷位置应力分布，取缺陷中心处为切片位置，沿着连续油管模型轴向和垂直轴向方向进行切片，得到两种切片，即纵向切片和横向切片。
第四步，将经由第三步获得的切片分别置于光弹性仪中，对切片进行正射实验，并记录各切片的等差线条纹级数和倾线角度，采用剪应力差法求得切片上任意一点的的应力分量：径向应力σr、环向应力σθ和轴向应力σz及剪切应力τrz。其具体计算过程为：
(1)轴对称模型
连续油管模型为轴对称体，其载荷也是轴对称。取圆柱坐标系，z为轴向，r为径向，θ为环向，故剪应力τrθ＝τθz＝0，只有正应力σr、σθ、σz及剪应力τrz待求。
(2)应力-光学定律
主应力与光弹性条纹级数之间的关系为
式中，σ1、σ2为切片第一、二主应力；f为冻结材料的条纹值；h为切片厚度；N为切片等差线条纹级数。
(3)纵向切片的应力方程
当光线正射纵向切片时，可测得切片上各点的等差线条纹级数N1和倾线角度θ1，则得到
(4)横向切片的应力方程
当光线正射横向切片时，可测得切片上各点的等差线条纹级数N2，则
(5)平衡方程
根据模型r方向的平衡方程
其差分方程为
式中，(σr)0为模型边界应力，
N0为模型外表面等差线条纹级数。
(6)联立方程求解切片上任意一点的的应力分量
根据式(5)可求得切片的条纹值f。Δτrz可根据模型各点的τrz(公式(6))求得，σr-σθ由式(8)算出，将(σr)0、Δτrz、σr-σθ代入式(10)可得模型内各点的径向应力σr。求得σr后，根据式(7)、式(8)分别计算σz、σθ，即可得到切片上任意一点的应力值：径向应力σr、环向应力σθ和轴向应力σz及剪切应力τrz。
第五步，确定有缺陷连续油管实际工作应力。根据弹性结构的相似理论，可得现场使用的有缺陷连续油管的应力计算公式为：
式中，σp为连续油管实际应力，σM为模型应力，当σM为σr，求得σp为连续油管实际径向应力；当σM分别取σθ、σz、τrz，求得σp分别为连续油管实际径向应力、轴向应力及剪切应力。qp、qM分别为连续油管实际、模型载荷。
以上过程具体实施时，针对模型制作过程，按照公式(2)-(4)配比算出各原料的用量，将配置好的环氧树脂混合液注入充分预热的模具内，见图1，按照图2所示的固化温度进行一次固化，待模型固化好后，降至室温进行拆模，并对模型进行二次固化，得到内部有弧形缺陷的连续油管模型，如图3所示，模型轴向长L＝0.1m，缺陷的中心距离底端L/2，缺陷尺寸：l＝0.0052m，w＝0.0005m，h＝0.0021m。将模型置于图4的自控烘箱内，摆正方位并固紧，施加3MPa压力载荷，加载冻结温度控制曲线如图5所示。
针对模型切片过程，对冻结后的模型，在L/2处进行切片，方向沿着轴向(z方向)和环向(垂直z方向)，切片厚度h＝3mm，得到两个切片，分别记为纵向切片和横向切片，如图6。然后将切片分别置于光弹性仪中，图7，并采用白光正射，观察等差线和等倾线图案，根据公式(5)得
σ1-σ2＝3MPa，N＝6，计算得到切片的条纹值f＝1.5kN/m，并记录横向切片上a、b、c、d四点的等差线条纹级数分别为6.0、5.70、4.53、3.51。纵向切片a1、b1、c1、d1四点的等差线条纹级数分别为6.0、5.70、4.87、3.80，等倾线角度分别为18.6°、15.43°、11.80°、8.60°。
针对模型应力计算过程，依据测得纵向切片上a1、b1、c1、d1各点等差线条纹级数数值，环向切片上a、b、c、d各点等差线条纹级数数值及等倾线角度，根据式(6)-式(10)可求解的模型a、b、c、d各点的径向应力σr分别为-0.839MPa、-0.733MPa、-0.906MPa、-1.284MPa；环向应力分别为2.160MPa、2.117MPa、1.361MPa、0.465MPa；轴向应力分别为-3.230MPa、-3.188MPa、-3.146MPa、-3.103MPa；剪切应力τrz分别为0.901MPa、0.731MPa、0.488MPa、0.281MPa。
针对实际工作应力计算过程，根据模型相似理论计算公式(11)，计算可得现场使用的有缺陷连续油管的实际工作应力，例如，现场连续油管实际工作载荷为30MPa，缺陷处a、b、c、d各点实际径向应力σr分别为-8.39MPa、-7.33MPa、-9.06MPa、-12.84MPa；环向应力分别为21.60MPa、21.17MPa、13.61MPa、4.65MPa；轴向应力分别为-32.30MPa、-31.88MPa、-31.46MPa、-31.03MPa；剪切应力τrz分别为9.01MPa、7.31MPa、4.88MPa、2.81MPa。
Claims (1)
1.一种在光弹性实验中直接测量有弧形缺陷连续油管应力的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，加工连续油管模具；即在模具中的内孔蜡芯上镶装预制缺陷刀片；将配置好的环氧树脂混合液浇注在模具中，令其在低温下固化成型，待材料凝固后，再进行二次高温固化，获得内部带有缺陷的连续油管模型；
第二步，将经由第一步所获得的连续油管模型放置于应力冻结装置中加载，并对连续油管模型的应力进行冻结；
第三步，对应力冻结后的连续油管模型，确定连续油管内部缺陷位置应力分布，取缺陷中心处为切片位置，沿着连续油管模型轴向和垂直轴向方向进行切片，得到两种切片，即纵向切片和横向切片；
第四步，将经由第三步获得的切片分别置于光弹性仪中，对切片进行正射实验，并记录各切片的等差线条纹级数和倾线角度，采用剪应力差法求得切片上任意一点的应力分量：径向应力σr、环向应力σθ和轴向应力σz及剪切应力τrz；
具体计算路径如下：
①轴对称模型
连续油管模型为轴对称体，其载荷也是轴对称；取圆柱坐标系，z为轴向，r为径向，θ为环向，故剪应力τrθ＝τθz＝0，只有正应力σr、σθ、σz及剪应力τrz待求；
②应力-光学定律
主应力与光弹性条纹级数之间的关系为
式中，σ1、σ2为切片第一、二主应力；f为冻结材料的条纹值；h为切片厚度；N为切片等差线条纹级数；
③纵向切片的应力方程
当光线正射纵向切片时，可测得切片上各点的等差线条纹级数N1和倾线角度θ1，则得到
④横向切片的应力方程
当光线正射横向切片时，可测得切片上各点的等差线条纹级数N2，则
⑤平衡方程
根据模型r方向的平衡方程
其差分方程为
式中，(σr)0为模型边界应力，
N0为模型外表面等差线条纹级数；
⑥联立方程求解切片上任意一点的应力分量
根据式(5)可求得切片的条纹值f；Δτrz可根据模型各点的τrz(公式(6))求得，σr-σθ由式(8)算出，将(σr)0、Δτrz、σr-σθ代入式(10)可得模型内各点的径向应力σr；求得σr后，根据式(7)、式(8)分别计算σz、σθ，即可得到切片上任意一点的应力值：径向应力σr、环向应力σθ和轴向应力σz及剪切应力τrz；
第五步，确定有缺陷连续油管实际工作应力；具体路径如下：
根据弹性结构的相似理论，可得现场使用的有缺陷连续油管的应力计算公式为：
式中，σp为连续油管实际应力，σM为模型应力，当σM为σr，求得σp为连续油管实际径向应力；当σM分别取σθ、σz、τrz，求得σp分别为连续油管实际径向应力、轴向应力及剪切应力；qp、qM分别为连续油管实际、模型载荷。
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