石油套管热处理过程残余应力的有限元分析

论文摘要

石油套管是油井使用寿命和安全的重要保证。由于石油套的工作环境十分恶劣,因此,对石油套管的质量和性能的要求是十分严格的。石油套管在热处理过程中产生残余应力,而残余应力的存在会严重降低套管的性能。所以,有效控制残余应力水平是提高石油套管性能的重要手段。本文依据传热学原理,采用有限元分析方法,利用大型非线性有限元分析软件ABAQUS,建立了石油套管热处理过程的有限元计算模型,计算模型充分考虑了材料相变因素和套管热处理过程中的热边界条件。利用该模型,首先模拟计算了石油套管热处理全过程(淬火、回火以及冷却过程)的残余应力的变化规律;其次,针对不同的工艺参数对热处理过程的残余应力进行模拟计算,通过比较分析,确定影响残余应力的主要因素,获得最佳工艺方案。通过对N80级石油套管和BT100H级石油套管计算得出:在淬火过程中的冷速对淬火残余应力有影响,当冷速增大时,淬火残余应力有所减小。材料本身的热传导率能够在一定程度上对残余应力产生影响,通过对N80级和BT100H级比较可知,材料的热传导率越大,淬火产生的残余应力越小。回火过程中,回火温度的设定对减小残余应力作用很大,而回火保温时间对减小残余应力效果并不明显。回火后的空冷过程能够进一步减小残余应力。经比较得出最佳工艺方案为:对于N80级石油套管,淬火温度为870℃,内喷水流量为700 m3 h,外淋水流量为2 300 m3 h,冷却速度为56℃/s,水温恒为40℃;回火温度为660℃,保温时间为3 600s;保温后放置在自然空气中冷却至室温。对于BT100H级石油套管,建议与N80级石油套管工艺方案相似。论文的模拟计算采用多步骤分析,将淬火过程的计算结果作为回火过程的初始状态,并将回火过程的计算结果作为冷却过程的初始状态,使淬火、回火及冷却这三个阶段连接起来,形成一个完整的工序,更符合现场的实际情况。论文的研究可为石油套管的热处理工艺提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 石油套管热处理残余应力的研究现状
• 1.2 课题的提出
• 2 有关理论
• 2.1 传热分析的基本原理
• 2.1.1 传热分析问题的控制方程及求解条件
• 2.1.2 对流换热和辐射换热
• 2.1.3 相变潜热
• 2.2 热弹塑性分析的基本原理
• 3 物理力学参数的确定
• 3.1 实验部分
• 3.2 实验数据处理
• 3.3 热物性参数
• 4 热处理过程的有限元模拟
• 4.1 有限元模型的建立
• 4.2 淬火过程的数值模拟
• 4.2.1 淬火温度场的模拟结果及分析
• 4.2.2 淬火残余应力的模拟结果及分析
• 4.3 回火过程的模拟
• 4.3.1 回火温度场的模拟结果及分析
• 4.3.2 回火应力场的模拟结果及分析
• 4.4 冷却阶段的有限元模拟
• 4.4.1 冷却阶段的温度场模拟结果及分析
• 4.4.2 冷却阶段应力场的模拟结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 不同工艺参数对残余应力的影响
• 5.1 不同冷却速度对淬火残余应力的影响
• 5.2 不同材料的材质对残余应力的影响
• 5.3 回火温度对残余应力的影响
• 5.4 回火保温时间对残余应力的影响
• 5.5 最佳方案的确定
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢