連續油管疲勞壽命分析方法研究

儀忠建，李 進，聶 偉，唐宏寶，賈容銳，楊繼現

渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司，河北 任丘

1.連續油管失效形式

連續油管在使用過程中，會受到物理破壞、化學腐蝕等不同形式的損傷，按照連續油管的損傷方式[1][2]，其失效形式可分為3種類型：① 物理破壞損傷。連續油管作業工程中，受到擠壓、扭轉、彎曲、拉伸等力學破壞。在周期性的力學破壞下連續油管產生疲勞損傷，會在一定程度上減少連續油管的使用壽命。② 化學腐蝕損傷。連續油管作業常常在腐蝕性介質環境中，在高溫高壓的條件下，會增加設備的腐蝕速率。③ 人為因素損傷。主要指裝備制造安裝失誤、作業中操作不當等人為因素造成的連續油管損傷行為。

基于連續油管的受損程度、受損形式各不相同[3]，可將其分為以下3種類型：① 變形失效。變形失效是指連續油管作業過程中產生的塑性變形失效。變形失效的主要表現形式為油管鼓脹和截面扁平等。連續油管的塑性變形可能會使油管產生塑性疲勞損傷。② 表面損傷失效。有表面腐蝕損傷與表面接觸損傷2種失效形式。表現形式有局部穿孔、壓痕、摩痕以及凹陷等[4]。③ 斷裂失效。斷裂失效是連續油管最為普遍的失效形式，包括過載斷裂、應力斷裂和疲勞斷裂。

2.連續油管壽命預測方法

針對連續油管較為成熟的疲勞壽命預測理論有：Miner線性累積理論、應力及應變準則和3參數冪函數能量法?；诂F場應用與試驗數據基礎上的經驗公式法也較為常見。

1)基于Miner線性累積損傷理論的疲勞壽命預測方法

該預測方法主要適用于多軸高周疲勞問題，基于線性Miner疲勞法則，構建壽命預測模型，其計算關系式如下[5]：

式中：N是連續油管基于疲勞累積損傷理論下的計算壽命，次；NM為連續油管可靠度是0.5時所對應的壽命，次；σM為可靠度是0.5時對應的應力，MPa；σr、σg分別為卷筒與導向架彎曲導致的連續油管的等效應力，MPa。

2)以應變為參數的疲勞壽命預測模型

該預測模型一般應用于完整連續油管的低周疲勞壽命研究，主要是根據等效塑性應變原理進行計算，對于存在損傷的連續油管預測效果會降低。

基于等效應變理論[6]，在徑向應力與環向應力耦合作用下連續油管的等效塑性應變關系式為：

連續油管在徑向應力與環向應力耦合作用下的疲勞壽命計算公式為：

式中：εhp、εrp分別為連續油管在內壓p作用下的徑向應力與環向應力，MPa；α為材料的塑性指數，1；N為連續油管的計算壽命，次。

3)3參數冪函數能量法連續油管壽命預測模型

連續油管疲勞壽命預測中常常采用能量法，3參數冪函數能量法能夠兼顧考慮連續油管缺陷因素對疲勞壽命的影響(Manson-Coffins方程、冪指函數模型等能量法都忽略連續油管缺陷的影響)，結合3參數冪函數能夠綜合考慮內壓以及初始狀態對連續油管疲勞壽命的影響。

4)疲勞壽命經驗公式方法由于在一定程度上忽略了各種因素對壽命的影響，其預測效果具有一定的局限型，但對于環境工況等外部因素相似的連續油管作業，其預測依然具有實用價值，可與理論壽命計算方法進行對比驗證，為理論研究提供依據。

3.連續油管壽命預測方法發展趨勢

1)基于現有的疲勞壽命預測方法進行改進

基于現有的疲勞壽命預測方法進行改進主要從考慮因素多樣化、不確定參數精確化以及適用范圍全面化等角度進行深入研究。實際作業中，影響連續油管壽命的因素很多，影響程度也各不相同，且存在不同因素之間相互影響或組合作用的情況，多因素考慮意味著其壽命預測方法具有更加廣泛的適用性和更加準確的預測效果；不確定參數精確化應用在基礎預測模型建立完成后的修正過程。實際應用時，很難出現兩個完全相同的工作環境，參數的選取會影響預測效果，不確定參數精確化不是提高數值精度，而是結合參數的具體影響程度、參數選取的范圍來確定參數；適用范圍全面化需要脫離單個預測模型的局限性，能夠適用于盡可能多的情況(如對含缺陷連續油管的壽命預測等)。

2)基于計算機仿真技術進行分析

計算機應用能夠對具體的連續油管模型進行仿真分析，計算機仿真技術具有分析精確、計算全面的特點[7][8]。如何建立出能夠反映現場實際的連續油管分析模型是該技術的難點，目前主要是基于計算機的有限元分析建立壽命預測簡化模型[9]。

3)基于現代優化算法的進行預測模型建立

神經網絡、模擬退火算法、模糊算法等現代優化算法技術已經應用于連續油管的壽命預測中，最優化理論能夠大幅提升壽命預測效果。

4.結語

連續油管在高溫高壓、高腐蝕性的環境下工作，極易出現失效狀況。幾種常規的連續油管疲勞壽命分析模型可以在一定情況下預測連續油管的疲勞壽命，但這些預測方法往往不能夠滿足實際工作需求(如含缺陷連續油管的疲勞壽命預測等)。目前國內對于連續油管疲勞壽命的分析計算處于基于試驗法的數據積累階段，對于復雜狀況的壽命預測研究還亟待深入。