具有管钳咬痕油管的拉伸强度试验及数值模拟研究

窦益华,朱帅,李明飞

西安石油大学机械工程学院 （陕西 西安 710065）

在油气井生产过程中，存在由于管重、压力、管柱磨损等复杂因素作用下造成的油套管柱断裂、破口等事故，造成井内泄压，油气泄漏，井完整性被破坏，严重影响正常生产。另外，随着油田开发进入中后期，油气井腐蚀损坏也成为困扰石油开采的一大难题[1-2]。目前，一些学者针对上述问题进行了探索和分析，利用试验和理论知识分析了含有缺陷的管柱强度影响因素，很大程度上解决了现场遇到的问题[2-7]。但油管失效问题的原因复杂，失效事故仍然频频出现，因此还需对其失效原因进行更深层次的探索和试验模拟。为更好地了解油管在高温高压深井中发生以上常见事故的原因，需要对其进行模拟实际工况下的拉伸至断裂试验和数值分析[8-9]，以探索在确定工况下油管所能承受的极限强度。

1 油管破坏试验

1.1 试样基本情况及设计

为了使试验具有普遍性和可参考性，试验的试样取油气田常用的钢级P110S，规格Φ88.9 mm×6.45 mm，扣型为BGT2的油管。

试验流程为：对油管试样进行一次上扣试验，再进行拉伸直至失效，试验过程中采集轴向应力，试验结束后输出应变数据，得出结论。

1.2 试验项目

1.2.1 上扣试验

考虑下入油管会对油管进行连接上扣，为了使试样尽可能符合实际情况，结合工况，给Φ 88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2试样进行1次上扣，油管上扣的具体条件见表1。

表1 油管上扣试验条件

1.2.2 极限载荷试验

上扣试验完成后，对油管两端进行焊接封堵、冷却，采用600T复合加载试验系统在室温下进行油管拉伸至失效试验，自动采集应变。具体条件和要求如下：

1）试样编号：Φ88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2。

2）应变采集要求：试样应变片粘贴位置要求如图1所示，类型为常温单轴向应变片；每个截面圆周方向均布4个应变片，环向间隔角度为90°，共3个截面12片；3组应变片轴向方向在一条直线上。距离母扣A端350 mm处为位置1，距离母扣A端15～20 mm处为位置2，距离母扣B端15～20 mm处为位置3。

图1 应变片粘贴位置要求

3）试验步骤：逐渐增大拉伸载荷，直至失效。

Φ88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2试样现场实况如图2和图3所示，包括试样拉伸前管体的上扣连接、堵头、装载以及试样拉伸至失效等图。

图2 试样拉伸前管体

图3 试样拉伸至失效

1.3 Φ88.9 mm×6.45 mmP110S BGT2油管拉伸至失效结果分析

油管拉伸至失效试验完全结束后，进行现场拉断位置的测量，结果为Φ88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2油管拉断位置在距离近接箍A端头160 mm处，油管失效。

油管拉伸至失效试验完全结束后，系统导出油管受轴向力拉伸时的轴向载荷变化数据和图像，导出试样应变数据。为方便计算和分析，对数据进行取点处理，利用材料力学相关知识对数据进行计算转化，得到各点对应位置的应力数据，并对其进行整理分析。Φ88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2油管拉伸至失效数据取样见表2。

表2 油管数据取样

根据数据统计结果，对Φ88.9mm×6.45 mmP110S BGT2油管拉伸至失效数据进行趋势分析。图4为油管拉伸至失效载荷-时间图，它体现了油管从开始进行拉伸直至失效的轴向载荷变化趋势，为了防止由于加载速率过快导致试验结果不准确的情况，在拉力为1 000 kN和1 300 kN时恒力加载了100 s和50 s左右使其受力稳定。图5为油管拉伸至失效应力-应变图，可以从趋势中看出，3组贴应变片的位置应变情况非常接近，说明油管质量对其失效的影响非常小，拉断处可认为是管体的任意位置。

图4 Φ88.9 mm×6.45 mmP110S BGT2油管拉伸至失效载荷-时间图

图5 Φ88.9 mm×6.45 mmP110S BGT2油管拉伸至失效应力-应变图

2 管钳咬痕对管柱力学性能影响试验

2.1 试样基本情况

为了使试验具有普遍性和可参考性，试验的试样取油气田上常用的钢级为P110S，规格为Φ88.9 mm×6.45 mm，扣型为BGT2的油管。

2.2 试验项目

2.2.1 管钳咬痕模拟试验

油管在实际下放过程中，由于操作原因，无法避免对油管造成咬痕伤害，破坏油管的完整度，为了使试验更加符合实际，对Φ88.9mm×6.45 mm P110S BGT2油管进行咬痕模拟试验。

Φ88.9mm×6.45 mm P110S BGT2油管咬痕数据见表3。

2.2.2 极限载荷试验

对油管两端进行焊接封堵、冷却，采用600T复合加载试验系统在室温下进行油管拉伸至失效试验，自动采集应变。应变采集要求如下：

1）应变片粘贴位置如图6和图7所示，类型为常温单轴向应变片；每个截面圆周方向均布3个应变片，环向间距为120°，共3个截面9片；3组应变片轴向方向在一条直线上。图6中贴应变片处依次为位置1、2、3。

2）应变片粘贴前，测量贴应变片位置的外径、壁厚参数。

表3 油管咬痕数据

图6 应变片粘贴轴向位置要求

图7 应变片粘贴圆周方向位置要求

试验步骤：逐渐增大拉伸载荷，直至失效。

Φ88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2试样现场实况如图8和图9所示，包括试样拉伸前管体的管钳咬痕、管体表面腐蚀以及试样拉伸至失效等图。

2.3 Φ88.9 mm×6.45 mmP110S BGT2油管拉伸至失效曲线

油管拉伸至失效试验完全结束后，进行现场拉断位置的测量，结果为Φ88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2油管拉断位置在1位置与2位置之间,距离1位置190 mm处，油管失效。油管拉伸至失效试验完全结束后，系统导出油管受轴向力拉伸时的轴向载荷变化数据和图像，导出试样应变数据。为方便计算和分析，对数据进行取点处理，利用材料力学相关知识对数据进行计算转化，得到各点对应位置的应力数据，并对其进行整理分析。Φ88.9 mm×6.45 mm P110S BGT2油管拉伸至失效数据取样见表4。

图8 试样拉伸前管体

图9 试样拉伸至失效

根据上述数据统计结果，对Φ88.9 mm×6.45mmP110S BGT2油管拉伸至失效数据进行趋势分析，发现油管从开始进行拉伸直至失效的轴向载荷变化趋势，为了防止由于加载速率过快导致试验结果不准确的情况，中间在拉力为1 000 kN和1 300 kN时恒力分别加载了50 s左右使其受力稳定。图10为油管拉伸至失效应力-应变图。可以从趋势中看出，位置1和位置3的应变情况非常接近，位置2的应变较其他两组位置偏大，且油管拉断位置距离位置2最近，说明管钳咬痕对管柱力学性能影响较大。拉断位置附近表面腐蚀情况较其他两组位置严重，说明在管钳咬痕等量条件下，表面腐蚀情况对管柱力学性能有一定的影响。

表4 油管数据取样

3 有限元分析

3.1 对比管钳咬痕影响管柱力学性能试验的有限元分析

针对外径88.9 mm，壁厚6.45 mm套管，考虑管钳咬痕对管柱力学性能影响，利用ANSYS workbench有限元软件建立了具有管钳咬痕的油管力学网格模型，油管材料弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3，材料类型选择solide45，模型几何长度取（大于油管外径10倍）1 m，咬痕尺寸长4.35 mm，宽2.25 mm，深1.016 mm，上下间隔2.25 mm，三列周向间隔120°，共10×3个咬痕。模型一端固定，一端施加1 380 kN的轴向载荷。建立的具有管钳咬痕油管模型和网格划分如图11所示。

图10 Φ88.9 mm×6.45 mmP110S BGT2油管拉伸至失效应力-应变图

图11 具有管钳咬痕油管模型

对建立的有限元模型分别计算其应力和应变，显示其整体应力云图和应变云图，显示其应力最大位置和最小位置，显示应变最大位置和最小位置，如图12和图13所示。

由以上有限元结果可以看出，应变和应力最大位置均在咬痕的长边上，说明管体被拉伸，在咬痕处轴向变形最大；最小位置均在咬痕的短边上，说明咬痕处的环向变化小于其他位置，更加能体现出应力主要集中在咬痕的长边上。

根据管钳咬痕对管柱力学性能的影响试验得到的失效处应变，利用应力应变公式得到其失效处局部应力为986.76 MPa，P110S油管名义应力为758 MPa，其应力集中系数为1.3。与有限元分析得到的失效应力1 007.5 MPa进行对比，由于有限元建模考虑的油管质量均质且理想化，而实际油管存在质量不均匀且含有腐蚀等缺陷，故有限元得到的结果略大于试验结果，误差为2.1%，在允许的误差范围内。

图12 油管应力云图

图13 油管应变云图

3.2 不同管钳咬痕参数影响管柱力学性能试验的有限元分析

为了探索不同咬痕参数对管柱力学性能的影响，对管柱咬痕参数进行修改后的有限元分析。建立咬痕尺寸长5 mm，宽2.25 mm，上下间隔2.25 mm，深1.016 mm，三列周向间隔120°，共10×3个咬痕；建立咬痕尺寸长4.35 mm，宽2.5 mm，上下间隔2.25 mm，深1.016 mm，三列周向间隔120°，共10×3个咬痕；建立咬痕尺寸长4.35 mm，宽2.25 mm，上下间隔2.25 mm，深1.3 mm，三列周向间隔120°，共10×3个咬痕。模型一端固定，一端施加1 380 kN的轴向载荷。得到的应力云图如图14～图16所示。

图14 咬痕长度对管柱力学性能影响应力云图

图15 咬痕宽度对管柱力学性能影响应力云图

图16 咬痕深度对管柱力学性能影响应力云图

由以上有限元结果可以看出，只改变咬痕长度后最大应力为952.32 MPa，其最大应力值比原始咬痕最大应力值降低了5.48%；只改变咬痕宽度后最大应力为979.64 MPa，其最大应力值比原始咬痕最大应力值降低了2.77%；只改变咬痕深度后最大应力为985.29 MPa，其最大应力值比原始咬痕最大应力值降低了2.2%。由此可见，改变咬痕长度对管柱力学性能影响最大，咬痕长度越长，油管抗拉强度越低，油管越容易发生失效。

4 结论

1）以钢级为P110S，规格为Φ88.9 mm×6.45 mm的油管为例，介绍了未受破坏的油管拉伸至失效和有管钳咬痕油管拉伸至失效的试验。对比两种不同情况对油管强度影响的大小，其中未受破坏的油管不同位置的应变大小相近，结果表明失效位置可发生在油管任意位置；有管钳咬痕油管失效发生在近咬痕的位置处，受管钳破坏的油管强度在其破坏处影响最大，其应力集中系数为1.3。

2）对受管钳咬痕油管进行有限元数值模拟，结果说明在咬痕处发生应力集中现象，变形量最大值也发生在油管咬痕位置。咬痕长度变化后失效位置应力值降低程度最大，咬痕宽度变化影响次之，咬痕深度变化影响最小。故咬痕长度越长，油管抗拉强度越低，油管越容易发生失效。为寻找油管在井下发生破坏的原因提供了思路和方法，对井完整性保护具有重要的意义。