[发明专利]一种高温高压高产油管柱疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开一种高温高压高产油管柱疲劳寿命预测方法，包括根据管柱动力学模型得到管柱不同位置的交变应力S_i；根据管柱不同位置的交变应力S_i和管柱的修正后疲劳曲线得到循环次数N_i；根据管柱不同位置的交变应力S_i；并采用雨流法统计得到交变应力循环次数n_i；根据循环次数N_i和交变应力循环次数n_i；并基于Miner疲劳理论计算得到管柱的疲劳寿命L'。本发明结合管柱振动响应和管材S‑N曲线，引入Miner线性累积损伤理论，形成三高气井油管柱疲劳寿命预测方法，可以精确预测到三高气井油管柱的疲劳寿命，为管柱的安全设计奠定理论基础。

技术领域

本发明涉及一种高温高压高产油管柱疲劳寿命预测方法。

背景技术

油管柱是油气生产的核心装备，由于天然气或石油在管内高速流动，将诱发其振动，出现交变应力作用，易导致油管柱的疲劳断裂。在生产过程中，只要有一根油管断裂，将导致整个气井无法继续生产，甚至引发较严重的油管损坏事故而导致该井报废。

其疲劳断裂是材料或构件在交变应力反复作用下发生的断裂。所谓交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向向时都随时间作周期性改变的应力。这种改变可以是规律性的或不完全规律性的，而疲劳破坏是当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象。

由于疲劳破坏是突然产生的，属于脆性破坏范畴，事先无警告,危害性较大。在对承受重复荷载的钢结构设计中，应注意疲劳的影响。

承受反复荷载作用的结构，在荷载水平远低于正常失效荷载时有可能发生疲劳失效。如果疲劳失效是由裂纹扩展引起的，则失效过程可分为三个阶段：

(1)初始阶段：裂纹引发；

(2)发展阶段：裂纹扩展；

(3)失效阶段：瞬断阶段；

对于一般的钢结构，实际上只有后两个阶段，因为在钢材的生产和制造等过程中，不可避免的在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，这些缺陷本身就起着类似于微裂纹的作用，故也可称其为“类裂纹”。当循环荷载作用时，在这些部位的截面上应力分布不均，引起应力集中现象，在高峰应力处将首先出现微观裂纹。同样，有严重应力集中的部位，如截面几何形状突然改变处，由于存在高峰应力，又经过多次重复作用的影响，故即使在该处没有存在缺陷，也会产生微观裂纹，形成裂纹源。

随着应力循环次数的增加，裂纹大体上以同心圆的方式从表面的裂源向内部逐渐扩展，扩展十分缓慢，当构件应力较小时，扩展区所占范围较大，而当构件应力很大时，扩展区就比较小。由于疲劳裂纹两边的表面在循环应力的作用下，时而分开时而压紧，起研磨的作用，因而扩展区的表面光滑，而且是越近裂源越光滑。当裂纹源发展成为宏观裂纹时，削弱了构件的有效面积。

当截面有小面积小到难以承受荷载时，在偶尔振动或冲击下，即发生突然拉断。结构在焊接过程中，最易在焊缝及其热影响区产生微观裂纹，同时也易存在夹渣、孔洞等缺陷构件在气割、剪切、矫直和冲孔等加工过程中常使构件表面损伤而形成局部缺陷。这些都易促使受力后产生应力集中，出现应力高峰，加之焊接和加工过程中形成的残余应力的影响等，均促使构件及其连接的疲劳强度大为降低。因此，影响钢结构疲劳强度的另一重要因素是构件和连接中应力集中大小和残余应力情况，也就是构件和连接的构造形式和加工情况。

因此，围绕油管柱的安全，如何提高及预测油管柱疲劳寿命已经成为油气生产的关键问题。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种高温高压高产油管柱疲劳寿命预测方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种高温高压高产油管柱疲劳寿命预测方法，包括：