天然氣井油管柱疲勞壽命預(yù)測

第1章 油管柱系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測

1.1 復(fù)雜井況下管柱系統(tǒng)承載性能研究

1.2 管柱系統(tǒng)的可靠性研究

1.3 管柱系統(tǒng)的風(fēng)險評估研究

1.4 管柱系統(tǒng)的壽命預(yù)測與在役管柱系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)

1.5 油管柱疲勞壽命預(yù)測研究方法研究

第2章 油管柱在井筒內(nèi)腐蝕研究

2.1 金屬腐蝕的基本原理

2.2 金屬腐蝕的基本形態(tài)

2.3 影響金屬腐蝕的因素

2.4 天然氣井腐蝕介質(zhì)分析

2.5 C02腐蝕機理研究

2.6 H2S腐蝕對管柱強度的影響

第3章 基于最大蝕坑深度的管柱腐蝕損傷研究

3.1 概述

3.2 現(xiàn)有腐蝕模型

3.3 考慮點蝕的管道內(nèi)壁腐蝕模型

3.4 模型計算數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分析

3.5 管道腐蝕損傷等級評價方法

3.6 腐蝕缺陷管道剩余強度評價方法

3.7 管道內(nèi)壁腐蝕損傷等級評價方法

3.8 小結(jié)

第4章 砂粒在井筒內(nèi)舉升運動研究

4.1 概述

4.2 影響氣井出砂的因素

4.3 固體顆粒在流體中沉降問題的研究

4.4 氣流攜帶固體顆粒舉升運動

4.5 固體顆粒在氣流中的受力

4.6 氣井?dāng)y砂力學(xué)模型

4.7 井筒內(nèi)氣流攜液滴舉升運動

4.8 小結(jié)

第5章 沖蝕磨損的影響因素和機理研究

5.1 引言

5.2 沖蝕角對試樣的影響

5.3 沖蝕物速度對試樣的影響

5.4 沖蝕物顆粒尺寸對試樣的影響

5.5 沖蝕磨損的機理研究

5.6 沖蝕磨損的理論模型

5.7 沖蝕磨損的數(shù)值計算模型

第6章 油管柱剛、強度分析

6.1 油管柱剛、強度分析理論及研究內(nèi)容

6.2 有限元法分析過程

6.3 彈、塑性有限元分析

6.4 接觸界面方程

6.5 油管柱接觸的有限元分析

6.6 油管柱有限元分析

第7章 天然氣誘發(fā)油管柱振動的機理

7.1 天然氣在油管柱內(nèi)的流動分析

7.2 天然氣在油管柱內(nèi)流動的運動方程

7.3 天然氣在油管柱內(nèi)流動的旋渦分析

7.4 天然氣在油管柱內(nèi)流動對油管柱的激振分析

7.5 相關(guān)天然氣物性參數(shù)的確定

7.6 油管采氣工況時，天然氣在管柱系統(tǒng)內(nèi)流動的流場分析

7.7 套管采氣工況時流場分析

第8章 油管柱振動固有特性分析

8.1 油管柱特征值計算方法

8.2 油管的振動固有特性計算

8.3 天然氣產(chǎn)量與油管柱振動特性的關(guān)系

8.4 小結(jié)

第9章 油管柱動力響應(yīng)分析

9.1 油管柱結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

9.2 油管柱非線性結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

9.3 油管柱的動力響應(yīng)分析

9.4 小結(jié)

參考文獻

黃楨，工學(xué)博士、博士后西南油氣田分公司川西北氣礦礦長，重慶科技學(xué)院特聘教授，重慶市安全生產(chǎn)專家組副組長，安全協(xié)會會長，

主要研究方向：油氣井力學(xué)與工程獲省部級科技成果二等獎4項，三等獎1項，優(yōu)秀獎1項；出版《天然氣井油管柱腐蝕破壞力學(xué)》等專著4部；獲得國家專利2項；在《石油學(xué)報》《天然氣工業(yè)》等刊物上發(fā)表論文30余篇。

在循環(huán)加載下，產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力和應(yīng)變循環(huán)數(shù)成為疲勞壽命。對實際構(gòu)件疲勞壽命常以工作小時計。構(gòu)件在出現(xiàn)工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命或裂紋起始壽命。工程裂紋指宏觀可見或可檢的裂紋，其長度無統(tǒng)一規(guī)定，一般在0.2--1毫米范圍內(nèi)。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命?？倝勖鼤r二者之和。

在循環(huán)加載下，產(chǎn)生疲勞破壞所需應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)。對零件、構(gòu)件出現(xiàn)工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋，其長度無統(tǒng)一規(guī)定，一般在0.2～1.0毫米范圍內(nèi)。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命?？倝勖鼮閮烧咧?。因工程裂紋長度遠大于金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，并將其周圍材料視作均勻連續(xù)介質(zhì)，應(yīng)用斷裂力學(xué)方法研究裂紋擴展規(guī)律。由于S-N曲線是根據(jù)疲勞試驗直到試樣斷裂得出的，所以對應(yīng)于S-N曲線上某一應(yīng)力水平的疲勞壽命N是總壽命。在疲勞的整個過程中，塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變同時存在。當(dāng)循環(huán)加載的應(yīng)力水平較低時，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用；當(dāng)應(yīng)力水平逐漸提高，塑性應(yīng)變達到一定數(shù)值時，塑性應(yīng)變成為疲勞破壞的主導(dǎo)因素。為便于分析研究，常按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為兩類：①高循環(huán)疲勞（高周疲勞）。作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于104～105的疲勞，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。其特點是：作用于構(gòu)件上的應(yīng)力水平較低，應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系。②低循環(huán)疲勞（低周疲勞）。作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，破壞循環(huán)次數(shù)一般低于104～105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。其特點是：作用于構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，材料處于塑性狀態(tài)。很多實際構(gòu)件在變幅循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞既不是純高循環(huán)疲勞也不是純低循環(huán)疲勞，而是二者的綜合。

相應(yīng)地，裂紋擴展也分為高循環(huán)和低循環(huán)兩類。高循環(huán)疲勞裂紋擴展規(guī)律可利用線彈性斷裂力學(xué)方法研究；低循環(huán)疲勞裂紋擴展規(guī)律一般應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法研究，不過由于問題十分復(fù)雜，尚未很好地解決。

實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統(tǒng)計分析，考慮存活率（即可靠度）的問題。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲勞壽命Np的含義是：母體（總體）中有p的個體的疲勞壽命大于Np。而破壞概率等于（1－p）。常規(guī)疲勞試驗得到的S-N曲線是p=50%的曲線。對應(yīng)于各存活率的p的S-N曲線稱為p-S-N曲線。

在考慮慣性效應(yīng)的I型裂紋兩參數(shù)疲勞裂紋擴展方程的理論基礎(chǔ)上，將鋼橋受隨機載荷譜塊作用下的疲勞裂紋擴展問題通過傅里葉變換、積分中值定理等轉(zhuǎn)化為一個等效的“三參數(shù)”等幅載荷作用下的疲勞裂紋擴展方程，從而提出了一個簡單實用的鋼橋疲勞壽命預(yù)測新方法，利用該方法有效地解決了實際鋼橋的疲勞剩余壽命問題，具有極為重要的工程應(yīng)用價值。本項目的研究工作主要有以下幾個方面： 1、作為本項目的理論基礎(chǔ)，深入研究了考慮慣性效應(yīng)的疲勞裂紋擴展力學(xué)模型及裂紋擴展機理等新概念，對I型裂紋兩參數(shù)疲勞裂紋擴展方程和速率方程表達式進行了詳細的推導(dǎo)和論證，以及對影響疲勞裂紋擴展速率各種因素進行了分析。 2、對于隨機載荷作用下疲勞壽命的計算，本項目從隨機載荷譜分解入手，將隨機載荷譜塊作用下的疲勞裂紋擴展問題轉(zhuǎn)化為一個等效的“三參數(shù)”等幅載荷作用下的疲勞裂紋擴展問題，從而提出了隨機載荷下“三參數(shù)”疲勞裂紋擴展方程。并且通過國內(nèi)外CCT試件試驗數(shù)據(jù)驗證了“三參數(shù)”疲勞裂紋擴展方程的有效性。 3、把本項目提出的隨機載荷作用下疲勞裂紋擴展預(yù)測新方法與《隨機載荷譜裂紋擴展壽命模型》其它各種壽命模型理論進行了對比分析，結(jié)果表明研究中提出的方法無論是計算的簡便性還是與試驗結(jié)果的吻合程度都優(yōu)越于其它各種模型理論。 4、首次提出了一個簡單實用的鋼橋疲勞壽命預(yù)測新方法，重點分析了隨機載荷作用下的疲勞裂紋擴展方程“三參數(shù)”的物理意義。詳細敘述了應(yīng)用該方法對鋼橋進行壽命評估的三個基本前提條件和計算步驟。歸納了一些常見橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度因子及相應(yīng)的裂紋擴展方程。 5、本課題設(shè)計鋼箱梁結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ万炞C本申請項目提出的鋼橋疲勞壽命預(yù)測新方法。通過監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)的裂紋長度隨時間的變化關(guān)系，準(zhǔn)確地計算出其后裂紋長度隨時間變化的曲線，從而預(yù)測其剩余疲勞壽命，并與最終試驗結(jié)果進行比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)本課題提出的鋼橋疲勞壽命預(yù)測新方法與最終試驗結(jié)果吻合程度較高，證明本項目提出的鋼橋疲勞壽命預(yù)測新方法是可靠的。 2100433B