多工况条件下连续油管强度安全性及疲劳寿命分析

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在下入、起出、冲砂等工况中,连续油管将受到外壁摩擦、内壁冲砂作用,其剩余强度和疲劳寿命受很大影响。一旦连续油管失效,将会给其安全、高效作业带来严峻挑战,酿成不可挽回的损失。为准确预测连续油管在服役期间的剩余强度和疲劳寿命,本文从以下三个方面展开研究:首先,借鉴钻井时钻杆-套管之间的“磨损-效率”模型,研究下入、起出作业时连续油管外壁的磨损程度,利用Workbench分析磨损率、外径、壁厚等敏感性因素对连续油管剩余强度影响规律及敏感性强弱,应用弹性力学理论分析连续油管剩余强度理论算法,对比三种磨损模型在相同条件下的剩余强度,从而得到相对接近连续油管实际磨损的剩余强度计算方法,并预测连续油管磨损情况。接着,利用Fluent分析连续油管在反冲砂工况中,质量流量、砂粒粒径、含砂比等因素对冲砂速率的影响规律,通过分析冲砂速率与壁厚损失之间的关系,进而研究上述因素对连续油管冲砂磨损剩余强度的影响。最后,依据Manson-Coffin模型、Miner法则及中性层假设,建立含磨损、冲砂、疲劳损伤的连续油管疲劳服役寿命两大判据,开展疲劳性能试验,得到CT110连续油管的疲劳寿命模型参数,并进行某服役日志下连续油管疲劳寿命及剩余强度算例分析。研究表明:连续油管剩余强度随磨损率和外径的增大而非线性减小,随壁厚的增大而非线性增大;影响因素对连续油管剩余强度的敏感性排序为:磨损率>壁厚>外径;磨损率小于15%时,偏心圆筒磨损可以较好地代替月牙形磨损;磨损率大于15%时,均匀磨损可以较好地代替月牙形磨损;磨损率不同,井下磨损连续油管最先遭到破坏的部位亦不同。总体而言,砂粒质量流量、粒径、含砂比增大时,冲砂速率和壁厚损失均随之增大,而剩余强度随之降低;各敏感因素对连续油管冲砂速率、内壁平均壁厚损失及剩余强度的影响依次为:砂粒粒径>含砂比>砂粒质量流量。在某服役日志下,所试验CT110连续油管的理论起下作业次数为11;作业次数越多,连续油管寿命越短,截面极限载荷越小。研究可为连续油管在实际服役过程中的剩余强度和疲劳寿命监测提供技术指导。
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