抽油杆失效分析及剩余寿命的研究

论文摘要

抽油杆作为油气田开采中的关键部件之一,其质量直接决定生产的效率。抽油杆的失效大部分是由于在交变载荷的作用下而产生的脱断,对其进行失效分析并提出剩余寿命的预测方法可以有效地提高抽油杆的使用效率。目前研究抽油杆剩余寿命的理论方法很少可直接应用于现场,难以直接通过工程检测手段来判断抽油杆的剩余寿命。为此,本文通过对20GrMo钢D级抽油杆疲劳试验,找出裂纹前缘的变化规律,得出裂纹深度与剩余寿命的关系,借用传统的Paris公式的数学模型,通过超声波检测建立了探伤信号与裂纹深度之间的关系式,即裂纹检测信号与剩余寿命之间的关系,从而提出了直接利用超声波探伤信号确定抽油杆剩余寿命的方法。将研究结果与疲劳模拟试验得出的剩余寿命相比较,寿命预测符合率达72%以上。本文主要研究内容:1.本文从油田采油井井史的调查研究入手,统计有杆采油井的故障现象,分析抽油杆的失效类型及失效因素,找出抽油杆产生裂纹的主要因素-疲劳断裂;2.针对疲劳断裂的裂纹,本文对20CrMo钢D级抽油杆材料进行三点弯曲的实验研究,找出各参数断裂韧度、裂纹缺陷疲劳扩展速率的概率分布规律。通过概率分布规律研究表明20CrMo钢D级抽油杆材料的断裂韧度和机械性能均服从正态分布,并得出20CrMo钢D级抽油杆裂纹扩展速率中的材料性能常数C,m;3.采用有水浸式超声波仪器监测的疲劳断裂试验的方法预测20CrMo钢D级抽油杆的剩余寿命,建立超声波信号与抽油杆裂纹深度的关系,从而建立了通过超声波探伤信号判别抽油杆剩余寿命的简化方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 抽油杆的失效分析
• 1.1 抽油杆的应用现状
• 1.2 抽油杆的失效类型
• 1.3 抽油杆失效的影响因素
• 1.3.1 锻造的影响
• 1.3.2 热处理的影响
• 1.3.3 运输、储存和使用的影响
• 1.3.4 疲劳载荷的影响
• 1.3.5 腐蚀环境的影响
• 1.4 抽油杆的断口分析
• 1.5 本章小结
• 第二章 抽油杆材料断裂韧度及机械性能的研究
• 2.1 表面裂纹的研究历史及现状
• 2.1.1 板壳表面裂纹的研究概况
• 2.1.2 圆柱杆体的表面裂纹研究状况
• 2.2 应力强度因子和断裂韧度的研究
• 2.3 J 积分表示的断裂韧度
• 2.4 抽油杆材料延性断裂韧度的测试
• 2.4.1 试件
• 2.4.2 测试原理
• 2.4.3 试验方法及结果
• 2.5 断裂韧度及机械性能的概率分布
• 2.5.1 延性断裂韧度的正态分布检验
• 2.5.2 抽油杆材料机械性能的检验
• 2.6 本章小结
• 第三章 抽油杆疲劳裂纹扩展规律的研究
• 3.1 实验过程
• 3.1.1 疲劳裂纹扩展速率的测试
• 3.1.2 疲劳裂纹扩展门槛值的测试
• 3.2 实验数据处理
• 3.2.1 疲劳裂纹扩展速率的数据处理
• 3.2.2 疲劳裂纹扩展门槛值的数据处理
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于超声波检测的抽油杆剩余寿命研究
• 4.1 目前用于抽油杆剩余寿命的预测方法
• 4.2 超声波探伤
• 4.3 用超声波检测信号预报抽油杆剩余寿命的原理
• 4.3.1 实验原理
• 4.3.2 抽油杆剩余寿命的力学模型
• 4.4 超声波探伤仪检测的疲劳断裂实验
• 4.4.1 疲劳试验及探伤试验
• 4.4.2 实验结果及讨论
• 4.5 抽油杆的剩余疲劳寿命
• 4.5.1 剩余寿命的计算结果
• 4.5.2 剩余寿命的实验结果
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要