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抽油机井抽油杆失效问题的损伤力学研究

周瑞芬  
【摘要】:抽油杆是有杆抽油系统中传递动力的部件,在油井工作中带动泵柱塞作上下往复运动,承受交变载荷。在交变载荷的作用下,抽油杆发生断裂,引起抽油杆失效,抽油杆失效以疲劳失效居多。如果抽油杆发生断裂,就需要进行打捞、更换抽油杆的井场作业,这样不但影响油井的原油产量,而且还将增加油井作业费用,使采油成本上升。 人们对抽油杆失效的研究大多从断裂力学的角度出发,来研究抽油杆的裂纹的扩展,断裂力学忽略了宏观裂纹形成以前的损伤阶段,也忽略了宏观裂纹周围的损伤。本文把损伤力学理论应用于抽油杆的疲劳损伤研究中,把裂纹的形成与扩展有机的结合起来,来研究抽油杆的疲劳损伤规律。 以含内变量不可逆热力学势和正交流动法则为基础建立抽油杆损伤本构方程,在等效应力与应变等价原理的基础上,以广义应力及其相对应的损伤驱动力来表示抽油杆损伤演化模型,并根据疲劳特性的特点,给出了抽油杆高周疲劳损伤演化方程。从损伤演化方程可知抽油杆的损伤与抽油杆所受应力及初始损伤有关。 抽油杆疲劳损伤与工作过程中所受的循环载荷有关。通过对抽油杆悬点载荷的计算研究,找到了影响抽油杆悬点载荷的主要因素,建立了基于LMBP神经网络算法的抽油杆悬点载荷预测模型,并以现场数据库数据为样本对预测模型进行反复训练,得到较高的训练精度。该模型可预测不同工况下的抽油杆悬点载荷。 抽油杆失效是一个连续损伤过程,它不仅表现在抽油杆的工作阶段,在抽油杆成形过程中就蕴育损伤失效的根源。本文从抽油杆的结构特点入手,结合抽油杆的镦锻成形过称,分析抽油杆的镦锻工艺过程的损伤机理。基于刚—粘塑性有限元理论,采用金属体积成形过程3D—DEFORM有限元模拟软件,分别对抽油杆聚料、预锻成形和终锻成形过程进行数值模拟分析,获得了镦锻成形过程中抽油杆的应力和损伤分布参数,为抽油杆疲劳损伤模拟提供了初始条件。 根据损伤力学原理,在应用损伤力学方法解决疲劳问题时,要涉及到两方面的问题:其一,在损伤场已知的情况下,构件应力场、位移场和应变场的分析;其二,在应力场与损伤场已知的情况下,损伤演化场的分析和裂纹寿命的预估。本文阐述了疲劳损伤耦合理论,重点分析了损伤力学—有限元法,运用“附加载荷—有限单元法”来实现损伤的引入,通过损伤力学将裂纹形成与裂纹扩展两个过程有机结合在一起。 采用损伤力学—有限元法对抽油杆的疲劳损伤进行研究,对ANSYS有限元软件进行二次开发,利用APDL语言编写了用户子程序,根据抽油杆易断裂部位的特点,分别建立了抽油杆镦粗段及螺纹连接段疲劳损伤三维模型,确定了合理的边界条件,模拟不同初始应力和不同初始损伤情况下的抽油杆疲劳损伤情况,确定抽油杆疲劳损伤循环次数。分析不同初始条件对抽油杆疲劳循环次数的影响,为抽油杆的寿命预测提供了一种新的理论。


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