随着常规油气开采难度增加,压裂技术广泛应用于油气增产和非常规油气的开采作业中,压裂泵作为压裂技术的硬件支撑,直接决定了压裂技术的成败。泵头体作为压裂泵的核心部件,相贯线处的开裂失效已经成为了其最主要的失效形式,严重降低了压裂泵的使用寿命。因此,本文选取泵头体的主要失效结构相贯内腔结构为研究对象,基于线弹性断裂力学理论对相贯内腔的裂尖断裂参数,裂尖应力场和疲劳裂纹扩展进行研究,获得其疲劳裂纹扩展规律和寿命预测方法,可为泵头体的结构设计和寿命预测提供相关的理论支撑。本文首先对无缺陷的相贯内腔结构,采用理论方法和数值分析方法,研究了其在内压作用下的应力分布规律。研究结果表明,应力最大值总在相贯线处的中点处,裂纹最易在此处萌生。通过对比最大周向应力的理论值和数值解,建立了相贯内腔结构最大周向应力的计算公式。在无缺陷相贯内腔分析模型的基础上,基于Python语言开发了相贯内腔裂纹分析的插件程序。根据相贯内腔的结构特征和裂纹特征,选取了厚径比Y,内径比Q,裂纹长度a,裂纹面短长轴比b/a共4个主要参数,得到了各参数对裂尖应力强度因子K_I的影响规律。研究结果表明,K_I沿着裂纹前缘的分布规律主要受内径比Q和裂纹短长轴比（b/a）的影响,其中裂纹短长轴比（b/a）的影响更为显著。裂纹前缘K_I的最大值一般位于两个内腔表面,当b/a=1时,K_I的最大值(K_Imax)位于内径较小的侧孔表面;当b/a≠1时,K_Imax位于短轴所在的内腔表面。K_I沿着裂纹前缘的值与Y成反比,与Q和a成正比。当裂纹面为椭圆裂纹面时,b/a增加,裂纹前缘短轴处的K_I值变化不大,长轴处的K_I值显著增加。通过重新定义名义应力σ₀,建立了含裂纹相贯内腔裂尖应力场与无缺陷相贯内腔应力分布之间的关系。对于常规的工程结构而言,其开裂失效往往从K_Imax所在位置开始,因此本文进一步对K_Imax进行了研究。通过正交试验设计及方差分析得到了不同参数对K_Imax影响的显著性。研究结果表明,厚径比Y,内径比Q,裂纹长度μ（a）对K_Imax的影响均是高度显著,但是椭圆裂纹形状参数（b/a）对K_Imax的影响不显著,各因素影响的主次顺序为:Y>Q>μ>（b/a）。在方差分析的基础上,进行了K_Imax关于因素Y,Q,μ的全试验216组计算,建立了K_Imax的计算公式。对于任何裂纹问题,结构参数和裂纹参数对其裂纹扩展过程和断裂条件的影响,本质上都是这些参数对裂尖应力场的影响。本文采用理论分析和数值分析方法,对相贯内腔结构的裂尖应力场进行了研究。通过对比相贯内腔裂尖应力场的理论模型和数值分析结果表明,对于泵头体这类复杂内腔,应力高阶项t₁₁和t₃₃对裂尖应力场的影响不能忽略,但是张开应力高阶项对张开应力σ₂₂的影响并不明显。在此基础上,基于临界应力模型,建立了相贯内腔结构的临界断裂条件。基于GB/T21143-2007和GB/T6398-2000,采用标准CT试样,测得了泵头体材料30CrNi2MoVA的相关疲劳裂纹扩展参数。基于单侧容限系数,获得了不同可靠度p和不同置信度γ下,材料的p-γ-J-Δa曲线和p-γ-da/dN-ΔK。并在此基础上,获得了材料在给定可靠度p和置信度γ下的断裂韧度K_IC,疲劳裂纹扩展速率参数C和m。通过测定不同应力比R下材料的疲劳裂纹扩展速率曲线和门槛值,分别建立了da/dN,ΔK_th与应力比R之间的关系。根据试验测得的相关疲劳裂纹扩展参数,采用子模型法和网格重构法计算了相贯内腔和泵头体的疲劳裂纹扩展a-N曲线。研究结果表明,相贯线处的裂纹主要为I型裂纹。裂纹扩展过程中,两内腔表面附近的裂纹扩展快,中间区域扩展慢,裂纹面的形状会向着三角形变化。试验过程中的随机因素对疲劳寿命的预测结果影响很大,且应力比越大,随机因素的影响越显著。不论初始裂纹面是椭圆还是圆形,在疲劳裂纹扩展过程中,二者最终都会扩展为一个相似的裂纹面形状。在相贯内腔研究结果的基础上,建立了5ZB2800型压裂泵头体的三维有限元分模型,分析泵头体内腔的应力分布规律和疲劳裂纹扩展过程。研究结果表明,泵头体和相贯内腔相贯线处的裂纹面在扩展过程中具有类似的变化规律,但是泵头体的裂尖应力强度因子变化规律更复杂。在泵头体相贯内腔的高应力区,应力强度因子随着裂纹长度的增加而增加;在低应力区,应力强度因子随着裂纹长度的增加逐渐降低。但是,在泵头体内腔的台阶处,由于结构的不连续性,应力强度因子会出现波动。在上述研究基础上,基于裂尖最大应力强度因子K_Imax的计算公式和材料的疲劳裂纹扩展参数,建立了相贯内腔和泵头体的疲劳裂纹扩展a-N曲线的计算公式,但是该公式更适用于裂纹长度小于有效壁厚一半的情况。本文基于线弹性断裂力学理论,研究了泵头体类相贯内腔结构的裂尖断裂参数,裂尖应力场和疲劳裂纹扩展规律,得出了相贯内腔的结构参数和裂纹面参数对裂尖断裂参数的影响规律,建立了裂尖最大应力强度因子的计算公式。根据标准试验测得了泵头体材料30CrNi2MoVA的疲劳裂纹扩展参数,为此类材料的裂纹扩展研究和疲劳寿命预测奠定了基础。根据Paris公式建立了相贯内腔的疲劳裂纹扩展a-N曲线的计算公式,并将其应用于泵头体的疲劳裂纹扩展研究中。