抽油杆表面裂纹及剩余寿命的可靠性研究

论文摘要

全国各油田的生产油井中约有80％是使用有杆抽油技术，75％的产油量是用抽油杆采出的，而每年新增加的抽油杆上千万米，可见抽油杆在全国石油开采中占有相当重要的地位。 抽油杆是有杆抽油系统中的主要受力构件，在服役期内常发生断脱事故，严重影响原油生产，给油田造成很大的经济损失。因此如何防止或减少抽油杆井中断脱事故，提高抽油杆服役期内的可靠性，是一个值得研究的问题。 本文的主要研究内容为：(1)从油田采油井井史的调查研究入手，收集有杆采油井的故障现象、整理分析数据，建立抽油杆系统故障树，并对故障树进行定性定量分析，找出抽油杆系统服役期的薄弱环节；(2)针对薄弱环节，对抽油杆材料及构件进行实验研究，找出各参数(断裂韧度、机械强度、裂纹缺陷疲劳扩展速率及疲劳裂纹扩展门槛值等)的概率分布规律；(3)采用疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅度之间的关系，通过实验研究确定抽油杆杆体和过渡段表面裂纹缺陷的应力强度因子；(4)运用断裂力学和可靠性理论计算抽油杆的剩余寿命及其可靠度；(5)确定抽油杆杆体表面裂纹尺寸的门槛值及其可靠度。 本文取得的主要研究成果及其应用范围为：(1)建立了抽油杆系统故障树，计算了几种常用的重要度数量指标，为抽油杆设计和制造及使用指明了提高抽油杆可靠性的方向；(2)获得了抽油杆常用材料断裂韧度、机械强度、裂纹疲劳扩展速率的概率分布规律，为抽油杆可靠性分析提供了定量依据；(3)提出了抽油杆杆体表面裂纹的应力强度因子，为抽油杆进行断裂力学分析提供了理论基础；(4)获得了抽油杆剩余寿命及其可靠度系列值，为抽油杆服役期检修期的制定提供了理论依据；(5)获得了抽油杆表面裂纹尺寸门槛值及其可靠度系列值，为新抽油杆制造提供了裂纹缺陷质量控制指标，为旧抽油杆裂纹缺陷检测提供了可靠的缺陷尺寸允许值标准。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 抽油杆问题综述
• 1.2 表面裂纹的研究历史及现状
• 1.2.1 板壳表面裂纹的研究概况
• 1.2.2 圆柱杆体的表面裂纹研究状况
• 1.3 问题的提出及研究意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 抽油杆系统故障树分析
• 2.1 绪言
• 2.2 抽油杆系统故障树的建造
• 2.2.1 顶事件的选择
• 2.2.2 现场调研
• 2.2.3 抽油杆故障树建立
• 2.3 抽油杆故障树的分析
• 2.3.1 定性分析
• 2.3.2 定量分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 抽油杆材料断裂韧度及机械性能的概率分布
• 3.1 应力强度因子和断裂韧度
• 3.2 积分和断裂韧度
• 3.3 抽油杆材料测试
• 3.3.1 试件
• 3.3.2 测试原理
• 3.3.3 试验方法及结果
• 3.4 断裂韧度及机械性能的概率分布
• IC的K-S检验'>3.4.1 K_IC的K-S检验
• s、σ_b、ψ、δ的X²检验'>3.4.2 σ_s、σ_b、ψ、δ的X²检验
• 3.4.3 各参数的区间估计
• 3.5 本章小结
• 第4章 抽油杆材料疲劳裂纹扩展规律的概率分析
• 4.1 概述
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 疲劳裂纹扩展速率
• 4.2.2 疲劳裂纹扩展门槛值
• 4.3 实验数据处理
• 4.3.1 疲劳裂纹扩展速率
• 4.3.2 疲劳裂纹扩展门槛值
• 4.4 可靠性分析
• 4.4.1 C和m的概率分布
• 4.4.2 区间估计
• th的概率分布'>4.4.3 ΔK_th的概率分布
• 4.5 本章小结
• 第5章 抽油杆表面裂纹应力强度因子研究
• 5.1 抽油杆杆体局部表面裂纹应力强度因子
• 5.1.1 有限边界影响系数法
• 5.1.2 疲劳裂纹扩展速率法
• 5.2 抽油杆过渡段局部表面裂纹应力强度因子
• 5.2.1 有限边界影响系数法
• 5.2.2 疲劳裂纹扩展速率法
• 5.3 抽油杆杆体及过渡段圆环表面裂纹应力强度因子
• 5.4 本章小结
• 第6章 抽油杆剩余寿命的可靠性研究
• 6.1 引言
• 6.2 抽油杆剩余寿命的实验研究
• 6.2.1 试件及实验设备
• 6.2.2 实验参数
• 6.2.3 初始表面裂纹的制备
• 6.2.4 实验数据处理及结果
• 6.3 抽油杆剩余寿命的计算及可靠性分析
• 6.3.1 力学模型
• 6.3.2 剩余寿命计算方法
• 6.3.3 剩余寿命的Monte-Carlo模拟
• 6.4 本章小结
• 第7章 抽油杆杆体和过渡段表面裂纹门槛尺寸计算
• th的计算原理和方法'>7.1 a_th的计算原理和方法
• 7.2 抽油杆的载荷
• 7.3 抽油杆杆体表面裂纹门槛尺寸
• 7.4 抽油杆过渡段表面裂纹门槛尺寸
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历