高低頻率對鋼制抽油桿條件疲勞強度的影響及其確定方法

王桂全

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院（黑龍江大慶163453）

高低頻率對鋼制抽油桿條件疲勞強度的影響及其確定方法

王桂全

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院（黑龍江大慶163453）

疲勞試驗頻率對疲勞性能的影響一直存在著爭議。通過不同的試驗頻率和應(yīng)力對鋼制抽油桿的疲勞性能進行試驗，并對數(shù)據(jù)分析研究，得出鋼制抽油桿疲勞壽命低于1.1×106次時，疲勞試驗頻率的大小對其疲勞壽命沒有明顯差異的結(jié)論。針對近些年大多數(shù)抽油桿的疲勞壽命不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求，研究了疲勞試驗方法——升降法，利用該方法進行大量疲勞試驗，修訂標(biāo)準(zhǔn)中的條件疲勞強度σ0.1，為以后抽油桿國家標(biāo)準(zhǔn)的編寫提供了數(shù)據(jù)支撐。

抽油桿；疲勞試驗；條件疲勞強度

鋼制抽油桿的疲勞強度是通過疲勞試驗得到的性能指標(biāo)，也是鋼制抽油疲勞性能的一個重要參數(shù)[1-2]。通常認(rèn)為常溫、無腐蝕介質(zhì)情況下，提高試驗頻率可使標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣疲勞極限增加，但影響不大[3]。也有人認(rèn)為，抽油桿實物疲勞試驗，高頻疲勞試驗得到的疲勞壽命高于低頻疲勞試驗的疲勞壽命。而目前鋼制抽油桿疲勞檢測依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定試驗頻率的具體數(shù)值，所以有必要研究試驗頻率的大小對鋼制抽油桿疲勞壽命的影響。同時，針對近些年大多數(shù)鋼制抽油桿的疲勞壽命不符合抽油桿標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求，將利用新的疲勞試驗方法—升降法，重新確定鋼制抽油桿的條件疲勞強度。

1 試驗設(shè)備、試樣及試驗參數(shù)

1.1 試驗設(shè)備

采用美國進口MTS液壓伺服疲勞試驗機，試驗機頻率范圍1～50Hz，最大試驗力500kN。

1.2 試樣

將試樣制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，等級為D級、直徑19 mm，長度為250 mm，有效長度為80 mm，有效直徑為12 mm，有效面積為113.04 mm2，如圖1所示。

1.3 試驗參數(shù)

本次試驗分別在5Hz和50Hz 2種試驗頻率下對鋼制抽油桿試樣進行疲勞試驗。由于疲勞試驗數(shù)據(jù)分散性較大，抽油桿試樣在各試驗頻率下分別做5次試驗，以滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析要求。

圖1 抽油桿疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)試樣

根據(jù)疲勞試驗的基本規(guī)律，試驗應(yīng)力選擇過低，則疲勞壽命過長，通常疲勞試驗將疲勞壽命控制在4.5×104～3.0×106次范圍內(nèi)。因此，參考抽油桿疲勞檢測的標(biāo)準(zhǔn)，抽油桿疲勞試驗應(yīng)力取406 MPa、450 MPa和490 MPa，見表1。

根據(jù)JB/TQ 530-87《K級、D級抽油桿及其接箍質(zhì)量分級》中規(guī)定載荷比為0.1。為此，本次試驗載荷比取0.1，拉-拉載荷，波形為正弦波。

表1 疲勞試驗應(yīng)力統(tǒng)計表

2 試驗數(shù)據(jù)、處理及結(jié)論

2.1 試驗數(shù)據(jù)

設(shè)定好疲勞試驗機，在5Hz和50Hz 2種試驗頻率、406 MPa、450 MPa和490 MPa 3種試驗應(yīng)力下分別進行試驗，試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

2.2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)論

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4883推薦的Gruhbs和Dixon方法[4]對試驗數(shù)據(jù)進行可疑數(shù)據(jù)取舍分析表明。顯著水平為0.01和0.05時，所有試驗數(shù)據(jù)均有效，不應(yīng)舍去。所以，通過表2中的試驗數(shù)據(jù)計算可知：

1）試驗應(yīng)力為406MPa時，試驗頻率5Hz和 50Hz得到的疲勞壽命相對誤差為6.01%。

2）試驗應(yīng)力為450MPa時，試驗頻率5Hz和50Hz得到的疲勞壽命相對誤差為1.91%。

3）試驗應(yīng)力為490MPa時，試驗頻率5Hz和50Hz得到的疲勞壽命相對誤差為2.87%。

3種試驗應(yīng)力下的疲勞壽命平均相對誤差為3.59%。可以看出，在試驗頻率5Hz和50Hz，不同試驗應(yīng)力下的得到的疲勞壽命相對誤差都很低。所以，鋼制抽油桿疲勞壽命低于1.1×106次時，不同疲勞試驗頻率下其疲勞壽命的大小沒有明顯差異。

表2 抽油桿實物疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3 抽油桿條件疲勞強度的確定

從近些年D級、H型抽油桿疲勞試驗的結(jié)果來看，約有一半以上的抽油桿疲勞壽命不符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能指標(biāo)。其中，的確有一些抽油桿生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量不合格，但是不合格產(chǎn)品的數(shù)量這么大，也說明標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的疲勞性能指標(biāo)條件疲勞強度σ0.1值可能偏高。這就需要重新編制新的試驗方法，修訂標(biāo)準(zhǔn)中的條件疲勞強度σ0.1值。

確定條件疲勞輕強度的疲勞試驗新方法——升降法。利用升降法，可以比較準(zhǔn)確地測定抽油桿條件疲勞強度。現(xiàn)說明如下：試驗從高于條件疲勞強度的應(yīng)力水平開始，然后逐級降低，如圖2所示。在應(yīng)力S0作用下，試驗第1根試件。該試件在未達到指定壽命N＝106次之前發(fā)生了破壞，于是，第2根試件就在低一級的應(yīng)力S1下進行試驗.一直試到第4根試件時，因該試件在S3作用下經(jīng)106次循環(huán)沒有破壞，故依次進行的第5根試件就在高一級的應(yīng)力S2下進行試驗。照此辦理，凡前一根試件不到106次循環(huán)破壞，則隨后的一次試驗就要在低一級的應(yīng)力下進行；凡前一根試件越出，則隨后的一次試驗就要在高一級的應(yīng)力下進行。直至完成全部試驗為止。各級應(yīng)力之差△S叫做“應(yīng)力增量”，在整個過程中，應(yīng)力增量保持不變。

圖2 升降圖

升降圖表示的是16個試件的試驗結(jié)果。處理試驗結(jié)果時，在第一對出現(xiàn)相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)均舍棄。如圖2中的點3和點4是第一對出現(xiàn)的相反結(jié)果，因此數(shù)據(jù)點1和點2均舍棄。而第一次出現(xiàn)的相反結(jié)果點3和點4的應(yīng)力平均值（S2+S3）/2，就是常規(guī)試驗法給出的條件疲勞強度值。同樣，第二次出現(xiàn)相反結(jié)果點5和點6的應(yīng)力平均值，也相當(dāng)于常規(guī)試驗法給出的條件疲勞強度。如此，我們把所有鄰近出現(xiàn)相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點都配成對：7和8，10和11，12和13，15和16。最后，對于不能直接配對的數(shù)據(jù)點9和點14，也可以湊成一對。總計共有7個對子。由這7對應(yīng)力求得的7個條件疲勞強度的平均值，即可作為條件疲勞強度的精確值Sr。

化簡后得到：

由（1）式可以看出，括號內(nèi)各級應(yīng)力前的系數(shù)，恰好代表在各級應(yīng)力下試驗進行的次數(shù)。如圖2所示，在應(yīng)力S1下只進行了一次試驗（數(shù)據(jù)點2被舍棄），在應(yīng)力S2下進行5次試驗，……。如以Vi表示第i級應(yīng)力Si下進行的試驗次數(shù)，n表示試驗的總次數(shù)，m表示應(yīng)力水平的級數(shù)，則條件疲勞強度Sr的一般表達式可寫成：

式（2）表明：Sr是以試驗次數(shù)為權(quán)的加權(quán)應(yīng)力平均值。

升降法試驗最好在4級應(yīng)力水平下進行。當(dāng)完成了第6和第7根試件的試驗后，就可以按式（2）開始計算Sr值，并陸續(xù)計算出第8、9、10……各試件試驗后的Sr值。當(dāng)這些Sr值變化越來越小，趨于穩(wěn)定時，試驗即可停止。將完成最后一根試件試驗所計算出的Sr值，作為欲求的條件疲勞強度。在一般情況下，大約需要10余根試件。如果預(yù)先有測定的SN曲線的數(shù)據(jù)，則對于升降圖中的較高級應(yīng)力S0，S1，S2，即可利用這些數(shù)據(jù)，而不必再做試驗。這樣，所需的試件和時間還可以少一些。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）鋼制抽油桿疲勞壽命低于1.1×106次時，即置信概率低于97%時，不同疲勞試驗頻率下其疲勞壽命的大小沒有明顯差異；在其它條件相同的情況下，疲勞試驗應(yīng)力越低，疲勞壽命的分散程度也越大。

2）利用升降法對抽油桿進行疲勞試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，確定了不同等級抽油桿的條件疲勞強度，以此修訂抽油桿標(biāo)準(zhǔn)中的條件疲勞強度σ0.1值，同時為以后抽油桿國家標(biāo)準(zhǔn)的編寫提供了技術(shù)要求和數(shù)據(jù)支撐。

[1]國家能源局.抽油桿:SY/T 5029-2013[S].北京：石油工業(yè)出版社,2014.

[2]國家能源局.空心抽油桿：SY/T 5550-2012[S].北京：石油工業(yè)出版社,2012.

[3]機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊(單行本)疲勞強度設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

[4]漆德瑤.理化分析數(shù)據(jù)處理手冊[M].北京：中國計量出版社,1990.

[5]李海梅，宋剛，劉永志.金屬材料疲勞極限的估算[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2002,23(4):26-29.

The effect of fatigue test frequency on fatigue performance has been controversial.The fatigue life of steel sucker rod was test?ed under different test frequency and stress,and the test data were analyzed and researched.It is shown that when the fatigue life of steel sucker rod is lower than 1.1×106times,the test frequency has no obvious influence on it.In recent years,most of the sucker rod fatigue life does not meet the requirements of the relevant standards.In view of this present situation，a fatigue test method—the lifting and low?ering method is proposed,a lot of fatigue test are finished by using the method,and the condition fatigue strength σ0.1in the standards are revised based on the test data,which can provide data support for the preparation of the national standards related to sucker rod.

sucker rod;fatigue test;condition fatigue strength

路萍

2016-01-21

王桂全（1983-），男，工程師，主要從事采油工程產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗和科研工作。