不同腐蚀缺陷下的HL级抽油杆疲劳分析研究.pdf

化工机械2023 年化工机械基金项目院野十三五冶国家油气重大专项示范工程渊2016ZX05053鄄004冤遥作者简介院王尊策渊1962-冤袁教授袁从事流体机械设计及理论领域的教学和研究工作遥通讯作者院李森渊1973-冤袁副教授袁从事油气田流体机械工程与技术的研究袁遥引用本文院王尊策袁李玉贺袁李森袁等.不同腐蚀缺陷下的HL级抽油杆疲劳分析研究咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院534-538曰597.随着石油行业的不断发展袁许多油田都已进入中尧 高含水期开采阶段袁 再加上产出液中含H2S尧CO2等酸性物质袁 使得抽油杆柱腐蚀速率大幅增加咱13暂遥 据塔河油田近三年检泵作业统计袁共217 井次因抽油杆失效检修袁 其中因腐蚀原因造成检修的井有 148 井次袁占总作业量的 68.2%遥说明抽油杆腐蚀会严重影响油田的正常生产遥李大建等基于 H 级抽油杆物理实验数据的数学统计处理分析袁明确了 H 级抽油杆极限疲劳强度等力学特性咱4暂遥 牛彩云等基于修正 API 理论与奥金格理论袁建立了 H 级抽油杆最大许用应力计算方法与折算应力计算方法袁为 H 级抽油杆科学设计和应用提供了依据咱5暂遥 何文江等通过理化性能试验尧 金相组织分析等方法袁 对 30CrMoAHL 级抽油杆进行失效分析袁 发现抽油杆表面所有裂纹均起源于表面腐蚀坑底部袁该区域易发生截面突变从而导致应力集中咱6暂遥 张旭昀等依据圣维南原理和第三强度理论袁 分析出缺陷长度尧宽度和深度变量在相互作用下对套管等效应力最大值的影响规律咱7暂遥 丁雯等根据损伤力学原理建立抽油杆疲劳损伤演化模型袁采用有效应力法与有限元软件对多种损伤形式下的 HL 级抽油杆疲劳寿命进行数值模拟袁为判断抽油杆的疲劳寿命提供依据咱8暂遥虽然上述研究均得到了较好的成果袁但大多都是基于点蚀开展的袁而在实际生产中抽油杆的腐蚀损伤形式复杂多样袁需对多种腐蚀缺陷类型开展相关研究遥笔者在前人研究的基础上袁 应用 ANSYS 有限元分析软件袁通过数值模拟分析了不同腐蚀缺陷下各影响因素对 HL 级抽油杆疲劳寿命的影响程度袁并比较了不同缺陷下对抽油杆疲劳寿命的影响差异遥1正常抽油杆疲劳仿真模拟1.1三维建模与网格划分根据 SY/T 5029要2013 行业标准咱9暂袁用三维软件建立标称值 22渊7/8义冤的抽油杆模型袁并对其进行适当简化袁 简化后的抽油杆模型如图 1 所示遥 用兼容性较 强的六 面 体网格为 主渊HexDominant冤的方法在 ANSYS Workbench 中对其做网格划分咱10暂袁并对结构较为复杂的位置做局部网DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304016不同腐蚀缺陷下的 HL 级抽油杆疲劳分析研究王尊策1李玉贺1李森1康红兵2彭振华2丁雯2渊1.东北石油大学机械科学与工程学院曰2.中国石化西北油田分公司工程技术研究院冤摘要为分析腐蚀缺陷对抽油杆安全性能的影响袁应用 ANSYS 有限元软件袁对腐蚀坑尧环形腐蚀两种缺陷下的 HL 级抽油杆进行疲劳寿命数值模拟遥 通过方差分析两种腐蚀缺陷下腐蚀深度与腐蚀坑半径渊环形腐蚀宽度冤等因素对 HL 级抽油杆疲劳寿命的影响袁并利用多元线性回归方法得到了各影响因素与疲劳寿命的回归方程遥 研究结果表明院抽油杆在服役过程中最大应力集中在杆体与镦粗凸缘结合的变截面处曰腐蚀半径渊宽度冤对 HL 级抽油杆疲劳寿命影响非常显著袁与其呈正相关性曰腐蚀深度对其影响显著袁呈负相关性曰两组回归方程对判断 HL 级抽油杆的安全性提供依据曰同等工况下环形腐蚀比蚀坑腐蚀对抽油杆疲劳寿命的影响更大遥关键词HL 级抽油杆腐蚀缺陷疲劳寿命数值模拟回归分析中图分类号TE933+.2文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0534鄄06534第 50 卷第 4 期化工机械化工机械格加密渊图 2冤遥图 1简化后的抽油杆模型图 2Hex Dominant 网格划分1.2模拟仿真塔河油田大部分抽油机井光杆最大载荷在100 kN 左右袁 故在此工况下对其进行模拟分析遥以 30CrMoA 材料的 HL 级抽油杆试样为例袁材料的弹性模量为 215 GPa袁泊松比为 0.3袁密度为7 850 kg/m3袁 屈服强度为 795 MPa袁 抗拉强度为965 MPa遥 杆头一端施加固定约束袁另一端施加交变拉应力袁应力比为 0.1袁抽油杆疲劳损伤形式为高周疲劳袁用 Goodman 疲劳模型对其进行修正咱11暂遥用 ANSYS 里的 Fatigue Tool 工具模拟抽油杆在这种工况下的疲劳寿命袁结果如图 3 所示遥 可以看出抽油杆应力集中部位在于杆体与镦粗凸缘结合的变截面处袁 拉应力载荷最大等效应力为267.35 MPa袁最小疲劳寿命 4.9847伊107次袁与现场实验数据基本吻合遥2两种腐蚀缺陷下抽油杆疲劳仿真模拟2.1腐蚀坑缺陷抽油杆数值模拟如图 4 所示袁 在危险截面处创建腐蚀坑缺陷袁 模拟抽油杆在 100 kN 交变载荷下的疲劳寿命情况遥 模拟因素与水平见表 1袁共设计 16 组模拟袁模拟结果见表 2袁方差分析结果见表 3遥图 4腐蚀坑缺陷抽油杆网格图表 1腐蚀坑缺陷下模拟因素及水平设计140.41.020.630.81234水平因素深度 X1/mm半径 X2/mm表 2腐蚀坑缺陷抽油杆模拟设计及结果编号1X1/mm0.420.430.4X2/mm123疲劳寿命渊L1冤/次7 017 00011 659 00022 091 00060.628 542 40070.6312 436 00080.6420 561 00090.814 077 60040.4426 216 00050.614 949 000图 3100 kN 下抽油杆等效应力与剩余疲劳寿命云图535化工机械2023 年化工机械渊续表 2冤编号10X1/mm0.8110.8120.8X2/mm234疲劳寿命渊L1冤/次7 474 7009 330 30012 355 000151.038 473 400131.013 640 300141.026 519 900161.049 662 000极差9 671 85012 277 525表 3腐蚀坑缺陷抽油杆方差分析结果方差来源深度误差半径F临界值F0.01渊3袁9冤=6.99自由度393F值10.7216.40-根据100 kN 交变载荷作用工况下的模拟结果绘制各影响因素的效用曲线袁如图 5 所示遥 经多组模拟仿真分析袁腐蚀坑深度和半径对抽油杆疲劳寿命都有显著影响渊琢=0.01冤袁蚀坑半径比深度的影响作用更显著遥 随着蚀坑深度的增加袁抽油杆疲劳寿命减小曰随着蚀坑半径减小袁抽油杆疲劳寿命减小遥2.2环形腐蚀缺陷抽油杆数值模拟如图 6 所示袁在危险截面处创建环形腐蚀缺陷袁模拟因素与水平见表 4袁模拟结果见表 5袁方差分析结果见表 6遥图 6环形腐蚀缺陷抽油杆网格图表 4环形腐蚀缺陷下模拟因素及水平设计140.41.020.630.82468水平因素深度 X1忆/mm宽度 X2忆/mm表 5环形腐蚀缺陷抽油杆模拟设计及结果编号1X1忆/mm0.420.430.4X2忆/mm246疲劳寿命渊L2冤/次3 331 8008 697 60015 229 00060.645 929 60070.669 041 40080.6811 052 00040.4822 027 00050.62726 88090.82276 680100.843 742 100110.867 473 000120.888 928 000图 5腐蚀坑缺陷抽油杆各影响因素与剩余疲劳寿命关系曲线536第 50 卷第 4 期化工机械化工机械劳寿命都有显著影响渊琢=0.01冤袁腐蚀宽度比腐蚀深度影响作用更显著遥 随着环形腐蚀深度的增加袁抽油杆疲劳寿命减小曰随着环形腐蚀宽度减小袁抽油杆疲劳寿命减小遥3多元线性回归模型的建立根据方差分析结果袁对两种腐蚀损伤形式中各损伤因素与疲劳寿命进行多元线性回归袁建立HL 级抽油杆各损伤因素与疲劳寿命间的关系遥100 kN 交变载荷作用下腐蚀坑缺陷抽油杆中各影响因素与疲劳寿命间的关系可表示为院L1=11911113-16164125X1+4136625X2渊1冤100 kN 交变载荷作用下环形腐蚀缺陷抽油杆中各影响因素与疲劳寿命间的关系可表示为院L2=6977935-13781598X1忆+3845163X2忆渊2冤对式渊1冤尧渊2冤进行方差分析袁结果列于表 7遥为验证方差分析的可靠性袁利用调整决定系数公式计算两组回归方程的调整决定系数咱12暂遥表 7各腐蚀缺陷抽油杆多元线性回归模型的方差分析结果缺陷类型蚀坑腐蚀来源残差误差环形腐蚀回归概率 P00自由度213132方差 S5.513伊10141.03伊10144.477伊10146.725伊1013回归残差误差调整决定系数计算公式为院R2=1-SE/渊n-t冤ST/渊n-1冤渊3冤t=k+1式中k要要要回归变量个数曰n要要要试验次数曰R要要要调整决定系数曰SE要要要误差平方和曰ST要要要总平方和遥根据式渊3冤计算出两组调整决定系数分别为0.921尧0.904袁说明两组回归方程均具有指导意义遥4两种腐蚀缺陷抽油杆剩余疲劳寿命对比为了验证蚀坑腐蚀和环形腐蚀对抽油杆疲渊续表 5冤编号13X1忆/mm1.0141.0151.0X2忆/mm246疲劳寿命渊L2冤/次63 2051 160 0005 748 400161.087 672 900极差8 660 22411 320 334表 6环形腐蚀缺陷抽油杆方差分析结果方差来源深度误差宽度F临界值F0.01渊3袁9冤=6.99自由度393F值27.5247.40-根据 100 kN 交变载荷工况下的模拟结果绘制各影响因素的效用曲线袁如图 7 所示遥 经多组模拟仿真分析袁环形腐蚀深度和宽度对抽油杆疲图 7环形腐蚀缺陷抽油杆各影响因素与剩余疲劳寿命关系曲线537化工机械2023 年化工机械Fatigue Analysis of HL鄄class Sucker Rod withDifferent Corrosion DefectsWANG Zun鄄ce1,LI Yu鄄he1,LI Sen1,KANG Hong鄄bing2,PENG Zhen鄄hua2,DING Wen2渊1.School of Mechanical Science and Engineering袁 Northeast Petroleum Unversity曰2.Institute of Engineering Technology袁 Sinopec Northwest Oilfield Company冤劳寿命的影响程度袁根据模拟结果对两种腐蚀损伤形式抽油杆进行对比袁结果见表 8遥表 8100 kN 工况下两种腐蚀缺陷抽油杆剩余疲劳寿命对比缺陷形式腐蚀坑环形腐蚀腐蚀深度/mm0.41.0环形腐蚀0.4腐蚀坑1.0腐蚀坑直径渊环形腐蚀宽度冤/mm2828疲劳寿命/次7 017 0003 331 8009 662 0007 672 900腐蚀坑0.648 542 400环形腐蚀0.645 929 600腐蚀坑0.869 330 300环形腐蚀0.867 473 000经对比分析袁对于同等工况下两种不同损伤形式的抽油杆袁环形腐蚀抽油杆的疲劳寿命要比蚀坑腐蚀抽油杆的疲劳寿命更短遥5结论5.1抽油杆在服役过程中最大应力集中在杆体与镦粗凸缘结合的变截面处袁此处易发生疲劳断裂遥5.2利用方差分析各影响因素对抽油杆疲劳寿命的影响程度遥 腐蚀坑半径渊环形腐蚀宽度冤对抽油杆疲劳寿命影响极其显著袁 并与其呈正相关性曰腐蚀深度对抽油杆疲劳寿命影响显著袁与其呈负相关性遥5.3建立不同工况尧不同腐蚀损伤类型下的多元线性回归模型遥 利用回归模型可定量描述各腐蚀损伤因素与疲劳寿命之间的关系袁 对判断 HL 级抽油杆的安全性能具有指导意义遥5.4对两种腐蚀损伤形式下的 HL 级抽油杆剩余疲劳寿命模拟结果进行对比分析遥 在同等工况下袁环形腐蚀抽油杆的剩余疲劳寿命要