CN111324985B - 一种含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命的评价方法，属于管柱寿命安全评价领域。本发明通过外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的筛选确认、检测刮痕缺陷的形状几何参数、计算含外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的连续管疲劳寿命；并对含外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的连续管进行三级评价的步骤，弥补了目前含槽形缺陷连续管疲劳寿命评估的不足，节约成本、增加经济效益，降低了连续管使用风险，具有重大的生产实践意义。

Description

一种含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命的评价方法

技术领域

本发明涉及一种含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命的评价方法，属于管柱寿命安全评价领域。

背景技术

连续管（CT）是由若干段钢带焊接而成的无接头管材，缠绕在较大直径滚筒上便于运输和作业。与传统钻完井方式相比，连续管使用过程不需另立井架和上卸扣，极大缩短了作业周期、减轻了劳动强度和降低了开采成本，其费用可节约25%~40%。连续管技术已经成为石油天然气勘探开发领域中一项日益完善的新技术，因连续管作业装备应用范围广，使用方便，而被誉为“万能作业装备”。

连续管在一次起、下作业过程就要经受6次弯-直交替变形，当变形远远超过材料的弹性极限时，会迫使其进入塑性状态，因此连续管的疲劳属于典型的低周疲劳范畴。连续管运输和作业过程中，常会不可避免地出现机械损伤，损伤缺陷形式有槽形刮痕、球形刮痕、球形压痕等，其中槽形刮痕缺陷是主要缺陷形式之一。目前没有完善的方法评价含槽形刮痕缺陷的剩余寿命，通常在现场使用过程中，若出现刮痕缺陷直接报废整盘连续管，这样导致含槽形缺陷的连续管不能继续发挥剩余疲劳寿命，不仅提高使用成本，也增加了作业风险。因此急需一种评价方法，以弥补目前对含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命评估的不足，从而正确使用含缺陷连续管，降低使用分险。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能对含槽形刮痕缺陷连续管进行准确疲劳寿命安全评价，从而正确使用含缺陷连续管，降低使用分险的含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命评价方法。

本发明的技术方案是：

一种含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命的评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）、首先在服役连续管上筛选确认外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷；

2）、检测外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的形状几何参数；外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的缺陷参数包括有缺陷轴向角度β、缺陷深度a、缺陷长度c、缺陷宽度b、刮痕四周倒钝圆角R、缺陷的环向分布和缺陷环向分布个数，冰利用缺陷检测设备测量外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的上述参数；

3）、优选外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的敏感缺陷参数；基于正交试验法在缺陷轴向角度β、缺陷深度a、缺陷长度c、缺陷宽度b、刮痕四周倒钝圆角R、缺陷的环向分布和缺陷环向分布个数中的敏感参数中，得出敏感参数依次为缺陷深度a、缺陷宽度b、缺陷轴向角度β、缺陷长度c；

4）、在考虑槽形缺陷敏感参数的基础上，理论计算含外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的连续管疲劳寿命；

5）、对含外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的连续管进行三级评价；即，对含槽形刮痕缺陷连续管进行三级评价。与同工况完整连续管相比，疲劳寿命降低50%的直接报废，对疲劳寿命降低20%~50%的精细评价，对疲劳寿命降低小于20%的粗略评价；

步骤4）所述的含外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的连续管疲劳寿命计算方法如下：

当连续管内外表面有外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷时，在连续管疲劳寿命模型建立时，考虑外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷对疲劳寿命的影响；基于厚壁圆筒理论得到在内压作用下连续管的径向应力、环向应力和轴向应力：

式中：为连续管外半径，mm；为内半径，mm；为内压，MPa；r为任意半径，mm。

根据应力分析和 von Mises准则，首先产生屈服的临界点总是连续管的内表面，此时 ；

 根据Remberg-Osgood弹塑性应力-应变关系，弯曲作用产生的总应变为弹性应变和塑性应变之和：

式中： D为连续管外直径，mm；为弯曲半径，mm； E为弹性模量，MPa；为屈服极限，MPa；

弯曲产生的轴向力是产生塑性应变的主要原因，内压和弯曲作用下轴向应力为：

由应力与塑性应变的Holomon关系可得弯曲产生的轴向应力、内压弯曲耦合载荷下的环向应变、轴向应变和径向应变：

式中：为环向应变；为轴向应变；为径向应变；为循环应***化系数，MPa；为循环应***化指数；

在连续管塑性变形过程中，采用体积不变假设，耦合载荷下等效塑性应变为：

采用Brown-Miller疲劳寿命理论模型，应变-寿命公式为：

 ，最大剪应变:

最大剪应变平面的正应变:

为考虑除敏感参数外其他参数对连续管疲劳寿命的影响，引入了修正系数：

式中： c ₀ 为凹坑缺陷的深度； N _f 为连续管的疲劳弯曲次数；

引入修正系数后的最大剪应变和最大剪应变平面的正应变：

最终的含缺陷连续管疲劳寿命计算模型为：

本发明的有益效果在于

与现有技术相比较，本发明通过外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的筛选确认、检测刮痕缺陷的形状几何参数、计算含外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的连续管疲劳寿命；并对含外壁槽形刮痕缺陷和内壁槽形刮痕缺陷的连续管进行三级评价；由此弥补了目前含槽形缺陷连续管疲劳寿命评估的不足，节约成本、增加经济效益，降低了连续管使用风险，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命评价方法的流程图；

图2为槽形刮痕缺陷三维半剖示意图；

图3为槽形刮痕缺陷俯视示意图；

图4为连续管弯曲变形示意图；

图5为连续管横截面受力示意图；

图中：1.连续管，2.外壁槽形刮痕缺陷，3.内壁槽形刮痕缺陷。

具体实施方式：

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图5，本发明提供的含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命的评价方法，包括以下步骤：

第一步，在服役连续管1筛选确认外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3；

第二步，检测外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3的形状几何参数；

第三步，优选外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3的敏感缺陷参数；

第四步，理论计算含外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3的连续管1疲劳寿命；

第五步，对含外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3的连续管1进行三级评价；

在第二步中，外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3的缺陷参数有缺陷轴向角度β、缺陷深度a、缺陷长度c、缺陷宽度b、刮痕四周倒钝圆角R、缺陷的环向分布和缺陷环向分布个数，利用缺陷检测设备测量外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3的上述参数；

在第三步中，基于正交试验法在缺陷轴向角度β、缺陷深度a、缺陷长度c、缺陷宽度b、刮痕四周倒钝圆角R、缺陷的环向分布和缺陷环向分布个数中的敏感参数中，得出敏感参数依次为缺陷深度a、缺陷宽度b、缺陷轴向角度β、缺陷长度c；

在第四步中，在考虑槽形缺陷敏感参数的基础上，计算含槽形缺陷连续管1疲劳寿命方法如下：

当连续管1内外表面有外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3时，在连续管1疲劳寿命模型建立时考虑了外壁槽形刮痕缺陷2和内壁槽形刮痕缺陷3对疲劳寿命的影响。基于厚壁圆筒理论得到在内压作用下连续管1的径向应力、环向应力和轴向应力：

式中：为连续管1外半径，mm；为内半径，mm；为内压，MPa；r为任意半径，mm。

根据应力分析和von Mises准则，首先产生屈服的临界点总是连续管1的内表面，此时 ；

根据Remberg-Osgood弹塑性应力-应变关系，弯曲作用产生的总应变为弹性应变和塑性应变之和：

式中： D为连续管1外直径，mm；为弯曲半径，mm； E为弹性模量，MPa； 为屈服极限，MPa。

弯曲产生的轴向力是产生塑性应变的主要原因，内压和弯曲作用下轴向应力为：

由应力与塑性应变的Holomon关系可得弯曲产生的轴向应力、内压弯曲耦合载荷下的环向应变、轴向应变和径向应变：

式中：为环向应变；为轴向应变；为径向应变；为循环应***化系数，MPa；为循环应***化指数。

在连续管1塑性变形过程中，采用体积不变假设，耦合载荷下等效塑性应变为：

采用Brown-Miller疲劳寿命理论模型，应变-寿命公式为：

为考虑除敏感参数外其他参数对连续管疲劳寿命的影响，引入了修正系数：

式中：为凹坑缺陷的深度；为连续管的疲劳弯曲次数。

引入修正系数后的最大剪应变和最大剪应变平面的正应变：

在第五步中，对含槽形刮痕缺陷连续管1进行三级评价。与同工况完整连续管1相比，疲劳寿命降低50%的直接报废，对疲劳寿命降低20%~50%的精细评价，对疲劳寿命降低小于20%的粗略评价。

下面举一个对含槽形刮痕缺陷连续管寿命安全评价的具体实施例：

对正在气田服务(通井作业)的一盘50.8mm连续管进行了检测。该盘连续管强度为QT900，壁厚3.96mm，此前进行过多次钻塞作业，现有长度5210.86m，检测长度为4633. 25m。检测在连续管外壁面有两处含槽形刮痕缺陷，较大的含槽形刮痕缺陷深度为1mm。

利用有限元计算评估6个缺陷参数对连续管疲劳寿命的影响，如表1所示，在6个缺陷参数中，得出缺陷深度、缺陷宽度、缺陷角度和缺陷长度对连续管的疲劳寿命影响比较显著，在这4个参数中，缺陷深度下降幅度最大，且下降幅度为92%。环向分布和轴向分布下降幅度均小于30%，所以在后面计算评估中不考虑环向分布和轴向分布这2个缺陷参数；

如表2和图2-3所示，采用正交试验法的原理，选取槽形缺陷沿外圆面深度a、凹坑沿轴向角度β、凹坑长度c和凹坑宽度b四个参数，每个参数取四个水平。对选取的四参数四水平进行了L₁₆（4⁴）正交试验设计，共得到了16组试验。表中不同参数下的 K _i 表示为在特定水平 i下的计算结果之和，为在特定水平 i下的平均值，即为；表中极差 R为特定参数中，最大平均值与最小平均值之差，即。

 四个缺陷参数的极差 R如表2所示，四个缺陷参数对连续管疲劳寿命影响的主次关系为：凹坑深度>凹坑宽度>凹坑角度>凹坑长度。缺陷深度的极差为120.25，其它三个缺陷参数的极差值均小于50，即缺陷深度是影响连续管疲劳寿命的主控参数。

表2 正交试验表

根据前面有限元计算结果，基于保守算法，在进行含缺陷连续管力学分析和疲劳寿命预测时，凹坑缺陷角度选用90°。图4为一小段含凹坑缺陷连续油管的变形示意图，图5为其截面示意图。 M为连续管受到的弯矩，截面 P ₁为连续管受到的外压， P ₂为连续管受到的内压， r ₁为连续管内半径， r ₂为连续管外半径， c _i 和 c ₀ 为连续管内缺陷和外缺陷的厚度， θ为凹坑缺陷在连续管横截面所对应的圆心角。

通过前面的有限元计算和正交实验可知，槽形缺陷深度是影响连续管疲劳寿命最敏感的参数。当连续管内外表面有槽形缺陷时，在连续管疲劳寿命模型建立时考虑了槽形缺陷对疲劳寿命的影响。基于厚壁圆筒理论得到在内压作用下连续管的径向应力、环向应力 和轴向应力：

式中： 为连续管外半径，mm；为内半径，mm； 为内压，MPa；r为任意半径，mm。

根据应力分析和von Mises准则，首先产生屈服的临界点总是连续管的内表面，此时；

根据Remberg-Osgood弹塑性应力-应变关系，弯曲作用产生的总应变为弹性应变 和塑性应变 之和：

式中： D为连续管外直径，mm；为弯曲半径，mm； E为弹性模量，MPa；为屈服极限，MPa。

弯曲产生的轴向力是产生塑性应变的主要原因，内压和弯曲作用下轴向应力为：

由应力与塑性应变的Holomon关系可得弯曲产生的轴向应力、内压弯曲耦合载荷下的环向应变、轴向应变和径向应变：

式中：为环向应变；为轴向应变；为径向应变；为循环应***化系数，MPa；为循环应***化指数。

在连续管塑性变形过程中，采用体积不变假设，耦合载荷下等效塑性应变为：

采用Brown-Miller疲劳寿命理论模型，应变-寿命公式为：

，最大剪应变:

最大剪应变平面的正应变:

一方面在理论计算时，基于保守算法只计算了连续管槽形缺陷处的疲劳寿命，另一方面在计算时选用最低屈服强度（工程实践中的连续管屈服强度要高于最小值），所以连续管槽形缺陷处疲劳寿命预测值与实验值相比偏小，为使得理论模型计算结果更为准确，根据实验值与理论计算结果对比回归得出了修正系数。

式中： c ₀ 为凹坑缺陷的深度； N _f 为连续管的疲劳弯曲次数。

修正后的最大剪应变和最大剪应变平面的正应变：

修正后的疲劳寿命模型为：

不同缺陷深度下模型计算结果如表3所示：

表3 不同缺陷深度下模型计算结果

在第五步中，对含槽形刮痕缺陷连续管1进行三级评价。与同工况完整连续管1相比，疲劳寿命降低50%的直接报废，对疲劳寿命降低20%~50%的精细评价，对疲劳寿命降低小于20%的粗略评价。

表4 不同缺陷深度下评价等级

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种含槽形刮痕缺陷连续管疲劳寿命的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、在服役连续管(1)筛选确认外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)；

2)、检测外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)的形状几何参数；外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)的缺陷参数为：缺陷轴向角度β、缺陷深度a、缺陷长度c、缺陷宽度b、刮痕四周倒钝圆角R、缺陷的环向分布和缺陷环向分布个数，利用缺陷检测设备测量外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)的上述参数；

3)、优选外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)的敏感缺陷参数；基于正交试验法在缺陷轴向角度β、缺陷深度a、缺陷长度c、缺陷宽度b、刮痕四周倒钝圆角R、缺陷的环向分布和缺陷环向分布个数中的敏感参数中，得出敏感参数依次为缺陷深度a、缺陷宽度b、缺陷轴向角度β、缺陷长度c；

4)、参考槽形缺陷敏感参数的基础上，理论计算含外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)的连续管(1)疲劳寿命；

5)、对含外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)的连续管(1)进行三级评价；即，对含槽形刮痕缺陷连续管进行三级评价；与同工况完整连续管相比，疲劳寿命降低50％的直接报废，对疲劳寿命降低20％～50％的精细评价，对疲劳寿命降低小于20％的粗略评价；步骤4)所述的含外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)的连续管(1)疲劳寿命计算方法如下：

当连续管(1)内外表面有外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)时，在连续管(1)疲劳寿命模型建立时，考虑外壁槽形刮痕缺陷(2)和内壁槽形刮痕缺陷(3)对疲劳寿命的影响，基于厚壁圆筒理论得到在内压作用下连续管(1)的径向应力σ_r、环向应力σ_t和轴向应力σ_z：

式中：r₁为连续管(1)外半径，mm；r₂为内半径，mm；P₂为内压，MPa；r为任意半径，mm；c_i和c₀为连续管内缺陷和外缺陷的厚度；

根据应力分析和von Mises准则，首先产生屈服的临界点总是连续管(1)的内表面，此时

r＝r₁+c_i；

根据Remberg-osgood弹塑性应力-应变关系，弯曲作用产生的总应变ε为弹性应变ε_e和塑性应变ε_p之和：

式中：D为连续管(1)外直径，mm；R′为弯曲半径，mm；E为弹性模量，MPa；σ_s为屈服极限，MPa；

弯曲产生的轴向力是产生塑性应变的主要原因，内压和弯曲作用下轴向应力σ_a为：

σ_a＝σ_z+σ_p

由应力与塑性应变的Holomon关系可得弯曲产生的轴向应力σ_p、内压弯曲耦合载荷下的环向应变、轴向应变和径向应变：

σ_p＝K′(ε_p)^n′

式中：ε_t为环向应变；ε_a为轴向应变；ε_r为径向应变；K′为循环应***化系数，MPa；n′为循环应***化指数；

在连续管(1)塑性变形过程中，采用体积不变假设，耦合载荷下等效塑性应变ε₀为：

采用Brown-Miller疲劳寿命理论模型，应变-寿命公式为：

ε_a＞ε_r＞ε_t，最大剪应变:

Δγ_max＝ε_a-ε_t

最大剪应变平面的正应变:

Δε_n＝(ε_t+ε_a)/2

为考虑除敏感参数外其他参数对连续管疲劳寿命的影响，引入了修正系数

式中：c₀为凹坑缺陷的深度；N_f为连续管的疲劳弯曲次数；

引入修正系数后的最大剪应变和最大剪应变平面的正应变：

最终的含缺陷连续管(1)疲劳寿命计算模型为：

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