偏梯形套管螺纹接头多轴疲劳寿命研究

【摘要】：套管钻井技术的出现是石油工业的一场变革，已经展现出了强劲的发展势头，正日益引起国内外石油工程界的普遍关注。然而对套管螺纹连接性能提出了更高的要求，其中螺纹接头的疲劳问题是尚未解决的难点和关键所在。因此系统而深入地研究常用套管螺纹接头的疲劳失效问题具有很重大的工程意义。本文针对用于套管钻井技术的偏梯形套管螺纹接头的应力应变场特征，建立几何相似的缺口多轴疲劳试件。在此基础上，对缺口件的应力应变状态进行了弹塑性有限元分析和计算，并利用此分析结果对缺口件进行寿命预测。 首先采用J55管道材料，制备了静力拉伸试件，测试了材料的基本力学性能，得到了屈服应力，拉伸强度等力学量。 然后利用弹塑性有限元法对偏梯形套管螺纹接头在各种受载下的应力应变场进行了详细计算和分析，确定了应力应变的最大分布位置，得出其疲劳问题是高应力应变，低应力应变幅的高周疲劳。针对多轴比例加载的情况，利用弹塑性有限元法对缺口件在拉—扭复杂加载下的应力应变场进行了计算和分析，得到了缺口件的应力集中系数。 再用缺口件代替实际的螺纹接头在MTS858试验机上进行了一系列拉—扭多轴疲劳试验。对缺口疲劳试样的多轴疲劳宏观断口进行了观察，研究了多轴裂纹萌生和扩展规律。 最后结合有限元计算的结果，应用工程上常用的几个多轴缺口件的寿命预测模型对试件进行寿命预测，并将试验结果与利用这些模型取得的预测结果进行了误差分析，结果表明在多轴比例加载下这些模型有较好的预测能力。