【正文】 多軸彈塑性應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，根據(jù)等效應(yīng)變幅和單軸應(yīng)力狀態(tài)下得到的低周疲勞 S 一 N 曲線就可以估算壽命。通過(guò)利用修正的 Goodman 方程或基于特定材料數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式，可將等效單軸平均應(yīng)力循環(huán)次數(shù)轉(zhuǎn)換成等效完全滯后循環(huán)次數(shù)。Avakov 等人對(duì)內(nèi)壓為 0 不同壓力水平下的三種材料(QT 一 70， SYMAX 一 80 和 SYMAX~100)的連續(xù)油管進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，研究認(rèn)為:由壓力引起的靜剪切應(yīng)力分量對(duì)疲勞壽命的影響是非線性的，因此傳統(tǒng)的失效理論已經(jīng)不適合于描述或估計(jì)連續(xù)油管的壽命。他們提出了基于以等效應(yīng)變作為主應(yīng)變的失效準(zhǔn)則，建立了連續(xù)油管的壽命預(yù)測(cè)模型。在該模型中，連續(xù)油管材料的疲勞強(qiáng)度以低周疲勞下的應(yīng)變一壽命曲線表征，疲勞壽命分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布，變差系數(shù)取 ，累積損傷用 Miner 準(zhǔn)則和等效應(yīng)變來(lái)描述。該方法在經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定上缺乏理論根據(jù)，預(yù)測(cè)壽命與實(shí)驗(yàn)值差別較大。Wu通過(guò)綜合分析各影響因素，采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方法對(duì)連續(xù)油管的工作壽命進(jìn)行了估計(jì)。對(duì)連續(xù)油管的實(shí)際工作壽命，必須在理論估計(jì)壽命的基礎(chǔ)上乘上一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)主要包括:工作腐蝕系數(shù)，連續(xù)油管的屈服強(qiáng)度補(bǔ)償系數(shù)，壽命估計(jì)可靠性系數(shù)，應(yīng)力集中系數(shù)。該方法雖然比較適合于實(shí)際工程應(yīng)用，但經(jīng)驗(yàn)系數(shù)過(guò)多，所以預(yù)測(cè)壽命值與實(shí)際壽命之間仍存在較大的誤差 。??19 連續(xù)油管危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力分析(1)彎曲拉應(yīng)力連續(xù)油管在工作當(dāng)中，由于循環(huán)彎曲和內(nèi)部液體壓力的作用，將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和膨脹應(yīng)力。由于連續(xù)油管內(nèi)部液體壓力產(chǎn)生的應(yīng)力沿連續(xù)油管圓周方向是基本相同的，而彎曲應(yīng)力則隨離中性軸距離的大小而變化，因此連續(xù)油管的最危險(xiǎn)點(diǎn)必處在遠(yuǎn)離中性軸的連續(xù)油管內(nèi)外表面上。力學(xué)分析證明，離彎曲支撐點(diǎn)最遠(yuǎn)的連續(xù)油管的外表面點(diǎn)為最危險(xiǎn)點(diǎn)，在該點(diǎn)上因在卷筒和導(dǎo)向拱上彎曲引起的連續(xù)油管的彎曲拉應(yīng)力分別為: oardED??? (3 一 1)2oagR (3 一 2)式中: ar?一連續(xù)油管在卷筒上彎曲引起的彎曲拉應(yīng)力，MPa。g一連續(xù)油管在導(dǎo)向拱上彎曲引起的彎曲拉應(yīng)力，MPa。od一連續(xù)油管的外徑，mm。E 一彈性模量，MPa。D 一卷筒直徑，mm。R 一導(dǎo)向拱半徑，mm。(2)徑向應(yīng)力與周向應(yīng)力由內(nèi)部壓力引起的徑向應(yīng)力為 0，周向應(yīng)力為: (3 一 3)2iodp????式中: ?一周向應(yīng)力，MPaid一連續(xù)油管的內(nèi)徑，mm。p一連續(xù)油管的內(nèi)壓，MPa。d。意義同上。(3)等效應(yīng)力根據(jù)國(guó)外在連續(xù)油管方面的研究結(jié)果及國(guó)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在連續(xù)油管的材料和規(guī)格一定的情況下，低周疲勞壽命受內(nèi)部壓力的影響最為顯著，其次才是彎曲應(yīng)力的作用。而對(duì)于某一連續(xù)油管來(lái)說(shuō)，一般其卷筒直徑和導(dǎo)向拱彎曲半徑是固定不變的，即該連續(xù)油管在工作過(guò)程中所承受的彎曲應(yīng)力可看作是一不變量，雖然在壓力變化時(shí)連續(xù)油管的‘應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，但在等效應(yīng)力公式中可以將彎曲應(yīng)力作為一常數(shù)項(xiàng)來(lái)處理 。鑒于危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力僅與彎曲應(yīng)力和由內(nèi)部壓力引??20起的周向應(yīng)力有關(guān)，又由于連續(xù)油管工作過(guò)程中的彎曲一般為塑性彎曲，因此連續(xù)油管的等效應(yīng)力公式可定義如下:a)卷筒上彎曲的連續(xù)油管的等效應(yīng)力公式可表示為:ra????? (3 一 4)式中: r一卷筒上彎曲的連續(xù)油管的等效應(yīng)力，MPa。a, ?意義同上。?, 一由實(shí)驗(yàn)確定的權(quán)系數(shù)和指數(shù)，一般取: =, =。? ??b)導(dǎo)向拱上彎曲的連續(xù)油管的等效應(yīng)力公式可表示為: (3 一 5)ga?????式中: 一導(dǎo)向拱上彎曲的連續(xù)油管的等效應(yīng)力，MPa。g, , , 意義同上。a??? 連續(xù)油管疲勞壽命預(yù)測(cè)模型設(shè)連續(xù)油管在卷筒上的等效應(yīng)力水平 的單獨(dú)作用下的總循環(huán)壽命為 。在導(dǎo)r?1N向拱上等效應(yīng)力水平 的單獨(dú)作用下的總循環(huán)壽命為 。根據(jù)疲勞強(qiáng)度理論有下g?2N列關(guān)系: (3 一 6)221rgMN???式中: 一連續(xù)油管的中位壽命。M一連續(xù)油管的中位壽命對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。?連續(xù)油管在經(jīng)過(guò)卷筒和導(dǎo)向拱一次后，連續(xù)油管將經(jīng)受 1 次 作用和 2 次 作r?g用，由此造成的損傷，根據(jù) Miner 線性累積損傷理論得: (3 一 7)12//N?設(shè)連續(xù)油管在 和 的共同作用下經(jīng)過(guò) N 次行程而疲勞失效，則根據(jù)線性累積r?g損傷理論，失效時(shí)的總損傷為 l，則有: (3 一 8)12(//)??即: (3 一 9)12///N從式(3 一 6)分別解得 和 后代入上式，得到連續(xù)油管的壽命: (3 一 10)2Mrg????材料轉(zhuǎn)換后的預(yù)測(cè)壽命為 :N? (3 一 11)22wiMrgb???????????式中: 一基準(zhǔn)材料最終拉伸強(qiáng)度。wi?一其他材料的最終拉伸強(qiáng)度。b其它符號(hào)意義同上。從式(3 一 11)可以看出，要求疲勞壽命，必須求得 和 。2MN??2wib?????? (3 一 12)2210lnMEN??????????? (3 一 13)22l10nwi ibb?????????????以上兩式中: 一斷面收縮率，由實(shí)驗(yàn)得到，對(duì) QT 一 700 連續(xù)油管材料，實(shí)驗(yàn)?表明斷面收縮率為 53%。一拉伸強(qiáng)度為 的材料的斷面收縮率。i wi?一拉伸強(qiáng)度為 的材料的斷面收縮率，基準(zhǔn)材料斷面收縮bb率。說(shuō)明:在用式(4 一 11)計(jì)算連續(xù)油管的疲勞壽命時(shí)，如果僅計(jì)算一種材料(不比較抗拉伸強(qiáng)度)， ，即 。1wib??21wib??????? 分析與討論根據(jù)該模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)連續(xù)油管疲勞壽命的相關(guān)計(jì)算.。取 Newman 和Brown 等人獲得的連續(xù)油管的部分疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,該數(shù)據(jù)是在Schlumberger Dowell 公司 1993 年研制的連續(xù)油管標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)裝置上獲得的。對(duì)比情況如表 31 及圖 31。表 31 中的第 5 列數(shù)據(jù)為實(shí)尺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第 6 列數(shù)據(jù)為用連續(xù)油管標(biāo)準(zhǔn)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)。第 7 列數(shù)據(jù)為現(xiàn)文建立的壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。表 31　模型驗(yàn)證與結(jié)果對(duì)比油管直徑D/mm壁厚t/mm彎曲半徑R/mm內(nèi)　壓p/MPa實(shí)尺試驗(yàn)循環(huán)數(shù) Nr/次標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)循環(huán)數(shù) Ns/次預(yù)測(cè)循環(huán)數(shù)Np/次誤　差/% 1 219 597 522 669 * 1 219 525 517 474 * 1 219 423 333 355 * 1 219 212 190 1 219 123 128 117 * 1 219 362 367 1 219 262 295 1 219 216 212 1 219 170 146 1 219 99 99 1 219 49 55 1 219 311 342 1 219 235 219 *號(hào)的為全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差,其余為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壽命預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差。01002003004005006007008001 2 3 4 5 6油管壽命標(biāo) 準(zhǔn) 測(cè) 的 連 續(xù) 油 管 壽 命 預(yù) 測(cè) 的 連 續(xù) 油 管 壽 命（a）油管直徑為 0501001502002503003504001 2 3 4 5 6 7油管壽命標(biāo) 準(zhǔn) 測(cè) 的 連 續(xù) 油 管 壽 命 預(yù) 測(cè) 的 連 續(xù) 油 管 壽 命(b) 油管直徑為 圖 31 預(yù)測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)的連續(xù)油管壽命的關(guān)系　　 從上述圖表結(jié)果可以看出,現(xiàn)文建立的壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算壽命值與實(shí)驗(yàn)值基本接近。說(shuō)明本模型是基本正確的。但仍有部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差較大,一方面是因?yàn)檫B續(xù)油管的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性大造成的。另一方面是因?yàn)橛绊戇B續(xù)油管疲勞壽命的因素很多,實(shí)驗(yàn)本身誤差也可能較大。05101520253035400 100 200 300 400連 續(xù) 油 管 循 環(huán) 數(shù) （ Np/次 ）油管內(nèi)壓（P/MPa）系 列 1圖 32 連續(xù)油管壓力—壽命預(yù)測(cè)曲線根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了連續(xù)油管的內(nèi)部壓力與疲勞壽命之間的預(yù)測(cè)關(guān)系曲線如圖 32 所示。連續(xù)油管循環(huán)次數(shù)隨著內(nèi)壓的增大而急劇降低，內(nèi)壓越大，周向應(yīng)力和單軸交變應(yīng)力越大，致使連續(xù)油管失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)降低。說(shuō)明連續(xù)油管的疲勞壽命受內(nèi)部壓力的影響較顯著，因此，實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)盡量控制連續(xù)油管的內(nèi)壓。 由綜上所述可得出如下結(jié)論(1)利用連續(xù)油管的等效應(yīng)力將復(fù)雜應(yīng)力轉(zhuǎn)化為等效的單向拉伸應(yīng)力,即將多軸低周疲勞問(wèn)題簡(jiǎn)化為單軸低周疲勞問(wèn)題。(2)在應(yīng)用前人研究成果的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)理論研究,把連續(xù)油管低周疲勞的應(yīng)變壽命關(guān)系轉(zhuǎn)化為應(yīng)力壽命關(guān)系,應(yīng)用疲勞累積損傷理論與轉(zhuǎn)換,將不同材料的壽命問(wèn)題轉(zhuǎn)換為同一材料的壽命問(wèn)題。(3)建立了連續(xù)油管的壽命預(yù)測(cè)模型,得到了預(yù)測(cè)連續(xù)油管工作壽命的半經(jīng)驗(yàn)公式,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基本正確。 影響連續(xù)管疲勞壽命因素分析連續(xù)油管在一次起下管柱過(guò)程中，有 3 個(gè)地方彎曲，3 個(gè)地方不彎曲。（1）從滾筒上下來(lái)不彎曲；（2）在導(dǎo)軌上彎曲（入井時(shí)） ；（3）離開(kāi)導(dǎo)軌不彎曲（入井時(shí)） ；（4）從井中起出時(shí)，在導(dǎo)軌上彎曲；（5）離開(kāi)導(dǎo)軌不彎曲（從井中起出） ；（6）在滾筒上彎曲。上述 6 步過(guò)程中，有 4 步與導(dǎo)軌彎曲有關(guān)，2 步與滾筒彎曲有關(guān)。因此在一般情況下，連續(xù)油管的疲勞損壞主要發(fā)生在導(dǎo)軌處，而不是發(fā)生在滾筒上。近年來(lái)工程應(yīng)用人員做了很多關(guān)于影響連續(xù)管工作壽命因素的試驗(yàn)分析,各參數(shù)對(duì)管壽命的影響程度可能有誤差,但各個(gè)參數(shù)總的影響態(tài)勢(shì)是一致的。概括起來(lái)，影響連續(xù)油管疲勞壽命的主要因素有以下幾點(diǎn)：（1）連續(xù)油管內(nèi)壓；（2）連續(xù)油管直徑；（3）連續(xù)油管壁厚；（4）屈服強(qiáng)度；（5）卷筒和導(dǎo)向架尺寸；（6）工作條件 (腐蝕影響)；（7）對(duì)焊節(jié)點(diǎn) (應(yīng)力集中)。其中,連續(xù)管的內(nèi)部壓力和在導(dǎo)向架與卷筒上的彎曲是導(dǎo)致連續(xù)管破壞的主要原因,而軸向載荷對(duì)連續(xù)管的壽命影響不大。a)　內(nèi)壓　連續(xù)管內(nèi)壓的增大相應(yīng)地將引起環(huán)向應(yīng)力的增大,導(dǎo)致連續(xù)管具有較短的工作壽命。但是當(dāng)管內(nèi)工作壓力低到某一數(shù)值時(shí),連續(xù)管具有較高的工作壽命。b)　連續(xù)管直徑　分析試驗(yàn)表明,壁厚不變,增大連續(xù)管的直徑,連續(xù)管循環(huán)次數(shù)減少。c)　連續(xù)管壁厚　在連續(xù)管外徑相同的條件下,增加壁厚,循環(huán)次數(shù)增多,但增加的幅度較小,對(duì)于提高連續(xù)管工作壽命實(shí)際意義不大。d)　屈服強(qiáng)度　管材屈服強(qiáng)度越大,連續(xù)管工作壽命越長(zhǎng)。e)　卷筒和導(dǎo)向架　連續(xù)管起出和下入井時(shí),經(jīng)過(guò)卷筒和導(dǎo)向架時(shí),此時(shí)卷繞半徑都要超過(guò)彈性限度發(fā)生塑性變形。隨著卷繞半徑的增加,連續(xù)管循環(huán)次數(shù)增加。但是當(dāng)卷繞半徑增大到一定值后,再增大對(duì)提高連續(xù)管的使用壽命沒(méi)有任何意義。f)　工作條件的影響(腐蝕)　井筒工作環(huán)境中經(jīng)常伴有腐蝕性流體,比如,酸性物質(zhì)和硫化氫,這些物質(zhì)將對(duì)連續(xù)管造成非常嚴(yán)重的損壞,降低連續(xù)管的工作壽命。g)　對(duì)焊節(jié)點(diǎn)的影響(應(yīng)力集中)　連續(xù)管焊點(diǎn)在工作過(guò)程中將會(huì)造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象,導(dǎo)致連續(xù)管工作壽命的降低 提高連續(xù)油管使用壽命方法連續(xù)油管的失效主要是內(nèi)壓作用下的彎曲疲勞所致。連續(xù)油管每起下一次總共包含 6 個(gè)彎曲動(dòng)作，下入井內(nèi)時(shí)，連續(xù)油管由注入頭牽引拉離滾筒，滾筒液壓馬達(dá)施加一定的反向拉力將連續(xù)油管拉直。當(dāng)進(jìn)入導(dǎo)向架時(shí)，連續(xù)油管沿導(dǎo)向架的彎曲半徑發(fā)生彎曲。通過(guò)導(dǎo)向架后進(jìn)入牽引鏈條總成，連續(xù)油管重新被拉直。起出井口時(shí)，產(chǎn)生上述 3 個(gè)反向彎曲動(dòng)作。針對(duì)上述形變所產(chǎn)生的屈服，井口段管串負(fù)載最大，以及局部高壓等情況，采取合理、有效的控制措施，對(duì)提高連續(xù)油管使用壽命，削減連續(xù)油管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義 。??21,3(l)軟件跟蹤疲勞壽命 軟件跟蹤系統(tǒng)將作業(yè)參數(shù)輸入給電腦，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下入深度、下入速度、運(yùn)行方向、質(zhì)量、井口壓力和泵壓、管柱內(nèi)壓等參數(shù)，然后軟件通過(guò)一系列計(jì)算對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定管段上產(chǎn)生的疲勞值。作者編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)軟件除能進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算外，還能進(jìn)行軸向載荷分析、工作特性分析、摩阻壓降計(jì)算、疲勞壽命敏感性分析等。(2)截?cái)喾ㄟB續(xù)油管操作人員可選擇任何一種截?cái)喾▉?lái)控制連續(xù)油管的疲勞。第一種方法是標(biāo)準(zhǔn)“延英尺”(累計(jì)運(yùn)行英尺數(shù))法。操作人員可以用這種方法跟蹤測(cè)定工作管柱在一個(gè)方向上的累計(jì)運(yùn)行英尺數(shù)，并在達(dá)到預(yù)先設(shè)置的極限時(shí)更換工作管柱。 “延英尺”法因在許多方面有缺陷，目前已不通用。例如，在很淺的井中過(guò)度循環(huán)連續(xù)油管可能反饋出錯(cuò)誤信息一一管柱運(yùn)行狀況良好，而實(shí)際上管柱可能已經(jīng)快要斷裂。相反，在深井中作業(yè)的管柱可能延英尺所示值超過(guò)實(shí)際值，從而可能提前報(bào)廢管柱。目前由于已經(jīng)有疲勞跟蹤軟件，因此“延英尺”法過(guò)時(shí)。另一種更有效