抽油杆疲劳断裂研究——寿命预估

本文以随机疲劳观点,对抽油杆疲劳断裂——寿命预估进行了研究。在生产厂与油田现场的调研基础上,采集了具有代表性的19口油井的抽油杆信号,并编制了载荷谱。在理论分析上用名义应力法、局部应力应变法、断裂力学方法等预估抽油杆寿命。在实验上,对抽油杆进行模拟程序加载疲劳试验。通过调查统计、理论预估和模拟试验三者的研究,得到了三者较为吻合的具有存活率99.9%的寿命值。由此提出C级抽油杆的“目标寿命”值。通过初探提出对抽油杆研究的八条建议,为下一步研究作好基础准备。     

D级抽油杆表面允许裂纹深度的估算

介绍了国内外七种Ｄ级抽油杆用钢的疲劳门坎值的测定。结合对抽油杆各特征部位半椭圆裂纹应力强度因子Ｋ的有限元计算，用断裂力学方法估算了各特征部位允许存在的裂纹尺寸。结果表明，允许裂纹深度α与使用应力σ之间存在有α＝Ａ／σ的关系。当抽油杆的抗拉强度符合ＡＰＩ规范１１Ｂ规定的σｂ＝７９３～９６５ＭＰａ时，七种材料的门坎值基本相同。当使用应力在疲劳极限附近处为３７２．６ＭＰａ时，抽油杆杆体表面存在有深度为０．１３～０．２７ｍｍ的裂纹，杆头锻方处存在有深度为０．６０～１．０２ｍｍ的裂纹，这些裂纹均不会扩展。     

用Paris公式处理含表面裂纹抽油杆疲劳断裂问题的研究

对使用公式处理含表面裂纹圆柱杆时（△K）的关系特征进行了分析，证明此式用于该类构件是合适的，并提出了相应材料常数C、m的一种确定方法。对不同应力强度因子系数在该方面的差异进行了讨论。为抽油杆柱疲劳断裂寿命分析的工程应用提供了依据。     

抽油杆表面横向裂纹扩展试验研究

用３５ＣｒＭｏ材料制成符合国标Ｄ级抽油杆机械性能指标的圆棒试件。通过试验研究了带表面横向裂纹试件在拉─拉交变载荷作用下表面横向裂纹的扩展情况。用降载勾线法描述了试件表面横向裂纹前沿的变化过程；根据试验数据的多项式回归，找出了试件表面横向裂纹前沿的变化规律。此试验结果可作为抽油杆表面横向裂纹扩展速率和抽油杆失效分析的依据。     

抽油杆疲劳寿命计算研究

抽油杆是有杆抽油中三抽设备的关键部件之一。其服役寿命直接影响油井的产量、失效概率以及修井作业的成本,准确预测其疲劳寿命具有十分重要的意义。对直井和定向井分别建立了计算抽油杆轴向载荷的数学模型,计算出了抽油杆所受的轴向力。同时,建立了疲劳寿命的预测模型,计算了不同形状裂纹的几何形状因子和应力强度因子。并根据以上理论,编写了计算机程序,能计算有初始裂纹和无初始裂纹抽油杆柱的疲劳寿命。采用Forman模型预测抽油杆疲劳寿命,其特点是在Paris模型的基础上考虑了应力比R,计算结果更加准确。同时,分析比较计算结果可得:裂纹初始长度对抽油杆柱的使用寿命影响较大。文中给出的方法简单,精度较高,便于工程应用。     

D级抽油杆疲劳裂纹扩展期剩余寿命预测

测定了四种常用Ｄ级抽油杆用钢在空气和３．５％ＮａＣｌ水溶液腐蚀条件下的裂纹扩展速率，计算了当抽油杆存在不同尺寸可扩展裂纹时的剩余寿命。结果表明，当杆体上存在深０．１ｍｍ可扩展裂纹，使用应力为１１７．６～３７２．６ＭＰａ时，尚可工作两个月到两年。裂纹扩展期的扩展规律表明，任何一种能引入表面残余压应力的表面强化方法，都可以提高抽油杆的使用寿命。     

抽油杆表面缺陷及裂纹分析

根据抽油杆锻造表面缺陷检测和实物疲劳试验，分析了抽油杆各部位的表面缺陷形态及表面裂纹形态。为抽油杆锻造质量评定和疲劳寿命预测提供了裂纹模型。指出抽油杆表面缺陷主要是锻造皱褶所引起的微小裂纹，尽快改进锻造成型工艺，减少这种微小裂纹，是抽油杆生产厂应予重视和解决的问题。     

抽油杆剩余寿命与初始表面裂纹形状关系研究

在简要介绍了能量差率法求解抽油杆表面半椭圆裂纹应力强度因子的基础上,对抽油杆剩余寿命与初始表面裂纹的关系做了进一步的研究。结果表明,抽油杆表面裂纹的初始裂纹面积与抽油杆的剩余寿命是对应的关系,利用试验手段确定抽油杆表面裂纹的初始裂纹面积,就可以确定其寿命。此结论对于工程实际中应用无损探伤技术预测抽油杆剩余寿命有重要价值,可大幅度缩减抽油杆剩余寿命预测的时间及工序。     

采用喷丸强化工艺提高抽油杆的疲劳寿命

在对20CrMoD级抽油杆的小试样和实物试样进行喷丸强化及疲劳试验的基础上,分析了影响喷丸强化效果的因素,提出了适合于抽油杆喷丸的工艺参数。试验表明,喷丸强化可使抽油杆的腐蚀疲劳寿命提高1倍以上。     

抽油杆头部镦锻

通过实验研究和生产实践,分析了抽油杆头部镦锻成形过程及常见锻造缺陷,论述了有关工艺参数对锻造缺陷的影响,提出了提高锻造质量的措施和设计模具时工艺参数的计算方法。按此方法设计的模具,抽油杆锻造合格率可达到95％以上。     

超高强度抽油杆的疲劳筛选试验

对20CrMo钢超高强度抽油杆的制造工艺进行了试验研究,从中优选出两种工艺方案。按优选工艺生产的超高强度抽油杆的疲劳中值寿命是D级杆的3.49～17.46倍。研究证明,采用我国现有D级抽油杆用钢,选择合理加工工艺,特别是热处理工艺,可以生产超高强度抽油杆。     

表面感应加热淬火抽油杆残余应力衰减的研究

为提高抽油杆的疲劳极限，研究了经表面感应加热淬火的抽油杆在疲劳极限应力作用下残余应力的衰减规律。结果表明，残余应力的衰减主要取决于心部组织的静屈服强度和循环屈服特性。心部组织静屈服强度高，又具有循环硬化特性的，残余应力衰减量小。反之，衰减量大。但是，残余应力的衰减主要发生在前几百个循环周次内，当循环周次超过１００次，不管心部材料是循环硬化的还是循环软化的，残余应力的衰减量都很小。由此，结合采用喷丸工艺，研制出疲劳极限达到６７０ＭＰａ的超高强度抽油杆，大大超过美国ＥＬ级抽油杆（５５４ＭＰａ）的水平。     

旧玻璃钢抽油杆检测

为了提高玻璃钢抽油杆的应用技术水平 ,对旧玻璃钢抽油杆检测工艺技术进行了研究 ,提出了旧玻璃钢抽油杆的检测工艺流程 ,工艺流程包括清洗液热浸泡、高压清洗、杆体微波NDT (声波 )无损探伤、外螺纹检修及杆体拉伸等工序。阐述了各主要工序的具体操作 ,并首次将微波NDT技术引入到检测玻璃钢抽油杆领域 ,可检测深度 0 3mm、裂开宽度 0 2mm的裂纹 ,能有效地检测10～ 50mm的杆体 ,一般可达到 3m/min的检测速度。     

几种连续抽油杆的分析与比较

文章介绍了国内目前推广使用的几种连续抽油杆，对连续抽油杆和普通抽油杆的分析比较表明，连续抽油杆有着普通抽油杆无法比拟的性能。它可克服普通抽油杆在机械采油中难以解决的问题，尽快地学习、掌握和使用连续抽油杆。对于石油工业的发展有着现实意义和深远意义。     

水平井抽油杆载荷计算

按水平井抽油杆柱与油管不同接触状态，给出了在造斜井段、稳斜（斜直）井段抽油杆轴向力和抽油杆柱底端载荷的计算公式。对某井造斜井段的实例计算结果表明，抽油杆与油管间挤压力绝对值随轴向力绝对值增加而增加，上冲程时，造斜井段上部的抽油杆与油管间的磨损最严重。     

提高抽油杆锻模效率的技术经济分析

根据抽油杆锻模的年消耗量，从模具结构、能源消耗、模具寿命及各镶块模寿命同步等方面，论述了降低模具成本和提高模具利用率的途径，指出一般以组合凹模为宜，但对大直径超高强度抽油杆，为了减小设备规格，以采用整体锻模为宜。根据组合凹模各镶块的工作特征，从保证锻件质量和提高模具利用率出发，设计了合理的镶块结构及其制造材料。最后介绍了ＣＨ７５新模具钢在高温下的性能，用它作抽油杆锻模，可大大提高使用寿命。     

提高摩擦焊空心抽油杆焊缝质量的建议

为提高摩擦焊空心抽油杆质量和使用寿命，从摩擦焊接理论入手，对空心抽油杆在现场使用过程中发生的断杆事故进行了分析和研究，总结出空心抽油杆断裂的部位及其规律，指出影响空心抽油杆质量和使用寿命的薄弱环节在摩擦焊缝及其热影响区。结合空心抽油杆的生产制造工艺，找出影响摩擦焊缝质量的主要因素，并提出相应的改进措施。还指出在空心抽油杆下井作业过程中应注意的事项。