S135钻杆在有机盐钻井液中的缺口疲劳行为研究

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石油钻杆是石油、天然气开采和地质勘探开发中的重要构件,疲劳失效是钻杆失效的重要形式。随着油气的勘探开发逐渐向着深井、超深井等复杂环境迈进,由应力与环境耦合造成的疲劳失效事故频繁发生。钻杆在工作过程中承受着交变应力、缺口、腐蚀介质和温度等复杂因素的影响。在这些多因素组成的复杂环境中,材料疲劳的敏感性,断裂强度和疲劳机理较单一因素环境往往有很大的差异,而且在多因素组成的复杂环境中,钻杆更容易发生失效。因此,测试和评价高强度钻杆钢在交变应力、缺口、腐蚀介质和温度组成的复杂环境中的疲劳性能及腐蚀疲劳敏感性,弄清楚多因素复杂环境中高强度钻杆钢疲劳裂纹萌生与扩展的机制,对高强度钻杆在复杂环境中的安全疲劳寿命评估具有重要意义。本文以S135钻杆材料为研究对象,在钻杆螺纹接上纵向取样,设计了光滑和缺口两种试样,研究S135在不同温度下有机盐钻井液环境中的缺口疲劳行为。本文主要研究内容如下:(1)基于S135疲劳试验,对5种疲劳概率分布模型(正态分布、对数正态分布、Weibull-2/3分布和指数分布)和3种S-N模型(Basqiun S-N模型、指数S-N模型和三参数幂函数S-N模型)进行两步优选及适用性评价,选择出了适合不同环境的S-N模型进行数据处理。(2)针对钻杆螺纹接头的应力集中现象,根据接头螺纹缺口几何形状和螺纹应力集中系数Kt的分布,设计了 S135光滑和缺口两种试样,在空气中进行疲劳试验,研究了Kt对S135疲劳性能以及缺口根部半径R对疲劳缺口敏感系数q的影响,并结合扫描电镜(SEM)对断口形貌进行观察,揭示了空气中缺口疲劳裂纹萌生与扩展的机理,为高强度钻杆接头优化设计提供了一定的参考和理论指导。(3)针对钻杆工作的环境,设计了在交变应力、腐蚀介质(有机盐钻井液)、缺口和温度构成的复杂环境中多因素耦合条件下的疲劳试验,研究了缺口应力集中、腐蚀介质、温度和交变应力对S135疲劳寿命的影响规律和多因素之间对疲劳失效的作用关系,并使用SEM对复杂环境中多因素耦合条件下S135疲劳断口形貌进行观察,对疲劳裂纹萌生与扩展机理进行了深入地分析。本文建立了应力与环境耦合条件下旋转弯曲疲劳的测试方法,揭示了复杂环境中耦合多因素对高强度钻杆钢S135疲劳断裂的作用关系及疲劳失效机理。
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