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关于全尺寸钻杆疲劳和小规模样品疲劳特点的技术

《国际杂志》疲劳26（2004）575–584

G.F.Miscowa,∗,P.E.V.deMirandaa,T.A.Nettob,J.C.R.Pla´cidoc

aLaborato´riodeHidrogeˆnio,COPPE/UFRJ,P.O.Box68505,ZipCode21941-972,RiodeJaneiro,RJ,Brazil

bLaborato´riodeTecnologiaSubmarina,COPPE/UFRJ,FederalUniversityofRiodeJaneiro,RiodeJaneiro,Brazil

cPetrobras,Cenpes/TDEP/TEP,RiodeJaneiro,Brazil

摘要

钻杆疲劳损伤的发生在低周反复加载条件下由于,比如,油井弯曲部分的旋转由裂纹萌生和扩展引起的失效是这些管道结构的完整性一个最高的风险。

通常,失效总是发生在工具连接过度区。

一个疲劳装置是为了测试在循环旋转弯曲应力和恒张力作用下的全尺寸钻杆。

此外,基本疲劳机理可以通过实验室小型试验样品加以研究。

在这个实验中,利用微分干涉对比（DIC）执行现场实时监测和简单分析，这些测试仪器是光电机械疲劳测试仪器。

用疲劳断口的扫描电镜观察了样品。

从规模小测试得到钻杆APIS—135级钢的fatigue-life曲线。

全尺寸钻杆的测试结果和预期及验证实验程序是一致的。

1引言

疲劳是钻杆失效的主要原因，为了更好地理解失效的机制通过对大多数常用钻杆的测试以获得失效底线是有必要的。

钻杆跟踪是一个很大的挑战。

Petrobras1正在尝试的一种方法是用电子芯片放在工具的连接处,这将使轨道追踪过程容易多了。

因为一种钻杆的历史数据是很难得到的，因此，确定被用于不同条件下钻杆的剩余寿命用来估测他们是否可以继续用在其他的钻进条件是很有必要的。

这促使一个全面的COPPE/UFRJ疲劳模拟器的产生,它的主要特点阐述在这篇论文中。

这种模拟器正在用于新钻杆和酒钻杆的疲劳测试，旨在评估在钻井施工中的典型累积损伤。

虽然疲劳机制还没有完全理解,但是研究裂纹的萌生和扩展机理也在继续。

一个opto-mechanic疲劳系统也被设计和组装，目的是为了分析由于疲劳损伤累积塑性变形表面上的小规模样本,从全尺寸加工钻杆APIS-135级钢与0.127米（5）和9.5×10外径3m（3/8in）壁厚。

这项工作在COPPE和UFRJ的下正在进行。

2全尺寸疲劳模拟器

该模拟器的设计是用来执行在结合钻杆弯曲和轴向拉伸载荷做用下的疲劳试验,。

而部分焊接管道受到不断弯曲荷载作用下,纤维应力在各纵梁旋转是多样的周期性的试样。

除了弯曲疲劳载荷、平均轴向张力也适用于试样。

该装置的主要特征如下。

试件的最大长度:

6米（包括连接端口）;

最大外径的标本:

3.24×10^4米（12.75寸）;

最大弯矩:

大约有600KN。

米（5.3×106lb.in）;

最大轴向张力:

2000KN（4.5×10^5lbf）;

测试频率5-15HZ

设计测试是基于旋转弯曲试验方法Wo’ehler所构思的对核种传输在循环荷载作用下钢铁和其它金属合金的影响。

通常,旋转弯曲疲劳试验进行在光滑的小直径圆柱形试样上,但是他们也曾经用于钻杆试样直径1.14×104米（4.5）,和3.24×104米（12.75）直径钢管的焊接接头。

一个典型的小型旋转弯曲测试设定图1显示的是。

模拟疲劳荷载作用下,中部地区的标本（长度等于L）受到恒定弯矩。

这是完成简单的两端支撑标本,运用横向荷载大小相等的两个点（高于）,除了每端等间隔（在图1d之间的距离,是最后的支持和“点”在载荷）。

结果是,任何特定材料在这个地区将纤维经验,在静态配置、纵向弯曲应力σb,在该区域纵向中性轴的拉应力和另一面的压缩性。

图1.典型的小型疲劳试验的设置

作为试样转动,σx轮流在高度紧张和低10-锡。

σm平均应力是由轴向力被应用到标本,而应力控制是通过弯曲载荷。

它包括一个钢结构框架横向荷载两个组件配置液压执行机构,一个液压张紧致动器,两端支撑组件提供的轴向和径向轴承、两个水压泵,一个驱动机制,以旋转的标本（电机、正时皮带,滑轮）、各式各样的仪器（负荷的细胞、LVDT、压力传感器等）和计算机数据采集与闭环控制系统。

尽管容量的实验设置、试件的试验介绍了独特的相关问题测试技术,原则是类似规模小——旋转弯曲试验。

管道安装标本形成波束。

焊接连接在中心的横梁,这是在两端简支。

应用在横向载荷等间隔2分结束后的两个相同的横向荷载支撑框架组件。

这种结构是由ASTMA-36各式各样的钢质梁和板加入采用手动和自动埋arc-welding过程。

目的采用重箱梁,共同构成一个炉箅的焊接。

焊接而成的圆柱形摇篮中心地区的格子作为液压执行机构支持的一端,支持大会结束后的进口一侧。

280×280×8×10103m（11×11×0.4英寸）板在弯道和焊接

一个视图的装置示意图如图。

图2,全尺寸仪器

相对径向位置的中心之间的两个支点的精确度是,±1×10^3米（0.04寸）。

主要结构和自动化,雕刻的图3中,设计了基于有限元计算分析利用商业软件ABAQUS执行（6.3版）为优化各种结构组成的装置,设计荷载考虑。

数据是通过后天的桌上型电脑配备一个a/D和D/a转换器卡（16结束单人赛或8微分模拟输入通道和2模拟输出channels-RT系列设备）和一个定制的数据采集和控制技术的应用开发利用实时图形编程环境数据-品德（包括整流器芯片和软件来自国家仪器公司））。

图3全尺寸疲劳测试仪器

该软件可以访问数字信号输出从仪器通过A/D通道和控制实验变量通过D/A输出。

这个应用程序,运行的RT系列设备。

即使主计算机系统崩溃的情况下也会继续运行。

该系统是用来获得信号（4-20毫安）从试验中使用的测量仪器,如:

负荷细胞和3LVDT（液压执行器）;压力传感器（泵）;光学设备（循环数的检测和through-crack）。

实验的建立需要外加载荷（包括紧张和弯曲载荷）以一种预定的方式变化,然后在实验过程中保持恒定。

这是通过闭环控制系统实现,控制变量的使用信号来自传感器。

图4显示的功能框图代表一个一般的闭环（或反馈控制系统。

该传感器（在这种情况下传感器）是测量装置,它决定了控制变量的实际价值和记录（通过A/D通道）,这个信息来控制器（这里是一个虚拟仪器技术开发的RT0）。

该控制器比实际值所需的价值的变量,然后计算控制输出信号发送（通过D/A通道）到致动器。

图4,。

循环控制系统

在裂纹开始破裂后、随着荷载的反复加载裂缝可以发展成大尺寸的破裂。

在某个有限长度、裂纹可以成为至关重要的，因为在此处不稳定的断裂可能会发生。

在轴向和弯曲疲劳试验相结合情况下或者在较大压力变化范围内试验的话，不稳定的裂纹扩展是特别有可能的。

因为样本储存有教高的能量水平,因此测试时的突然断裂可能是非常危险的,这一点必须避免。

鉴于此,本机器的数据采集与控制系统是设计用来在第一次发现发生厚度裂纹时中断疲劳测试。

这种功能的实现主要是因为实验装置上面的几种自动制动程序。

作为主要的保障,样本内部用空气施压约200kPa（30psi）。

因为压力损失可能表明存在材料开裂、内部压力是被一个接到数据采集和控制系统的压力传感器不断监测的。

如果突然有压降发生,实验装置自动关机，是为了更深入地检查泄漏所在。

同时,如果挠度的执行机构增加超过10%的初始值系统会自动关闭,因为它可能表明疲劳损伤造成的大规模的减小试样的刚度。

最后,如果发动机电流超过最初安全超载增值的10%装置将自动制动。

被用于全尺寸实验装置的疲劳试样所用的试验钻杆是用APIS-135级,名义外径为0.127米（5寸）的钻杆制成的。

每个管道被分成两段,即每个部分分别包含了接头处的公扣和母扣如图（图5）。

这两部分随后在35MN.m（25820lbf.ft）的扭矩下被连接到一块,遵循API对G型（thread41/2IF）[5]工具连接的标准。

最后试件的总长度是5.6米,包括两个过渡区域的渐变。

在实验之前,样本的过渡区的几何尺寸是被精确地确定的。

厚度和直径测量了4个点每间隔90°在公扣和母扣连接处的三十六个截面上。

此外,影像学的过渡区被应用于所有的样本,目的是确保没有最初的断裂。

图5钻杆连接处

3小试样

疲劳破坏,它是在含有拉力的反复循环应力荷载作用下产生的,主要是表面塑性应变累积合成滑移带。

存在的入侵和挤压在持续滑移带的弹性应力循环下发生疲劳裂纹。

裂纹成核最终发展成决定性的疲劳破坏现象约占表面光滑试样疲劳损伤的90%。

这凸显了疲劳裂纹萌生的研究的重要性,为正确评价疲劳发生的材料或组件，这些推动了一个新的实验室仪器用来对原位光学表面裂纹疲劳扩展的试验分析。

光学系统（图6）包括：

（a）30Hz的疲劳试验机器

（1），产生固定的交变应力（R=-1）；

（b）冶金光学显微镜

（2）,配备微分干涉对比（DIC）和CCD相机

（c）与疲劳试验机同步的帧扑捉器（3），并与光学位置传感器相连

（d）高性能单片机（4）与视频捕获和图像分析软件

（e）视频打印机系统与20英寸的显示器和热印表机通过染料升（5）

图6光学疲劳试验分析系统

表面分析用来进行监测外观表面滑移带。

一旦DIC提高深度空间分歧,色彩对比利用功能,任何表面的变化将会被DIC观察盗。

入侵将推出不同的颜色比挤压。

这种方式,过早地发现滑带和更好的解决外部观测与直接视野的观测。

这使得更容易决定哪一个裂缝,在某些地方发起的损伤产生更严重,并与材料表面显微结构相关。

如下是DIC的详细解释【7】

1光源本身的电磁波和电场向所有的方向震荡

2通过槽偏振镜,被吸收的光,不包括那些成分对准偏光方向,传送出去;

3一束偏振光通过被改良的由双折射材料做成的Wo¨llaston双棱镜

4当到达双棱镜的上半部分，一束光束被分成两部分，呈交叉关系，以两个不同的速度传播

5通过目标镜头之后两烛光变成并行

6在到达样本,这些光束沿不同的路径传播的时候还可以起到表面精确测量的功能

7当成象的时候，图像是倒转的，因此当光束从双棱镜的上半部分透射出他们就重新重合了，但是可能有相位差。

8通过分析,该相位差引起了色彩对比。

图7DIC示意图表示

如前面提到的,是由双折射材料制造成的。

Wo¨llaston双棱镜通常由石英或方解石制成。

一般地,任何资料,没有一个立方结构或保持一个立方对称而形成可采用双折射。

这个术语的含义是当光束通过时这些材料具有双折射功能。

采用双折射材料的一个重要的物理性质是其光轴方向。

光轴方向是一个光不会双折射的方向。

如果入射光的角度是90°定位的光轴,双折射发生,但是光分裂可以忽略不计。

在任何情况下,这两个人之间的双折射后会导致与光束发散。

一束平行光轴振动,被称为普通的波,而另一个振动垂直于主光轴方向的非凡的波。

在方解石晶体之间的区别正常的和特殊的光束折射指数为0.009

在DIC中,双棱镜是由两个相同的楔子、胶结连同其光轴互相垂直的,这时上半部分产生光轴角α显微镜光轴。

这个配置,可以在上半部分光束的双棱镜和发散角低于显微镜分辨率,使一个三维显微组织的出现。

改良的Wo¨llaston细节如图8

图8改良的Wo¨llaston双棱镜