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交变应力和腐蚀交互作用下钻柱失效机理研究

盖伟涛  
【摘要】:目前关于钻柱失效机理的研究多从力学角度入手,研究钻柱的疲劳失效。然而现场调查表明,钻柱失效往往发生在很短的时间内,其寿命远远低于其疲劳寿命,这说明还存在影响钻柱寿命的其它因素。对现场钻柱解剖分析发现,钻柱的内外表面通常存在腐蚀痕迹,这也说明了腐蚀是造成钻柱失效的一个重要原因。钻柱在井下的工作状态是复杂的,常常是多种因素交织在一起的,在钻井过程中,钻柱在溶解了氧、硫化氢及各种盐类的钻井液中作复杂运动,不可避免的受到它们的腐蚀作用,同时还要受到弯曲、扭转等交变应力作用。因此本文认为交变应力和腐蚀的交互作用是造成钻柱失效最主要的原因。 通过研究在钻柱交变应力和腐蚀的交互作用下的机理发现,腐蚀疲劳裂纹源与钻杆内壁蚀坑对应,蚀坑萌生裂纹造成钻柱失效,钻柱腐蚀疲劳破坏过程归结为:新钻杆—蚀坑形成及裂纹萌生—裂纹扩展—刺穿和断裂。在此基础上建立了钻柱在交变应力和腐蚀交互作用下的理论模型。模型认为:裂纹起源于蚀坑,加载时,当合成应力超过临界断裂应力,裂纹向前扩展,产生裸露新鲜金属表面,发生腐蚀和表面溶解;卸载时,裂纹顶端仅因腐蚀发生位移,裂尖腐蚀迅速衰减,裂尖再钝化,裂纹腐蚀疲劳扩展不断重复这样一个过程。本模型从理论上解决了钻柱失效这一难题,对于在役钻柱的安全评估以及失效钻柱的事故分析具有实际的指导意义。


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