基于直徑參數的連續油管低周疲勞壽命研究*

唐國平，段慶全，余 晗，鮮林云，李博鋒

(1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008)

基于直徑參數的連續油管低周疲勞壽命研究*

唐國平1，段慶全1，余 晗2,3，鮮林云2,3，李博鋒2,3

(1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008)

為了明確連續油管在彎曲和內壓條件下的低周疲勞壽命與直徑參數的關系，使用連續油管全尺寸疲勞試驗機，在34.47MPa內壓、彎模半徑2 286mm下對國產高強度CT90連續油管進行了疲勞壽命試驗。試驗結果表明，高強度大直徑國產CT90連續油管失效時管徑脹大率可達15.2％；研究了連續油管失效位置分布規律，揭示了連續油管直徑隨循環次數增加的脹大規律，并建立了一個基于直徑參數的疲勞壽命預測模型，可以較好地計算連續油管工作壽命，為預判連續油管的疲勞損傷程度及斷裂失效位置提供理論指導。

連續油管；直徑；疲勞；全尺寸疲勞試驗

連續油管(coiled tubing，CT)因其靈活快捷、安全可靠、作業高效等優點[1-2]，已被廣泛應用于鉆井、完井、測井、修井作業以及增產作業等領域，在油氣勘探與開發中有著其他技術不可及的優勢，是一項有著巨大潛力和光明前景的實用性新技術[3-5]。在某些特殊領域作業中，連續油管的使用已接近其性能極限[6]。如在深井、超深井和大位移水平井等，較低強度連續油管(如CT70、CT80)已無法完全滿足其作業要求[7-8]。因此，采用高強度連續油管(如CT90)是提高連續油管技術應用安全可靠性的有效途徑。本研究針對寶雞石油鋼管有限責任公司研制開發的高強度大直徑CT90連續油管，分析其管徑脹大極限對連續油管使用壽命的影響。

目前，國內外關于連續油管直徑極限模型的研究較少，Tipton基于多次試驗指出，在內壓與彎曲的作用下，連續油管管徑脹大的測量值近似線性增長[9-10]。鐘守炎等基于彈塑性理論推導出連續油管三向應力的數學表達式，通過試驗數據再結合Table Curve 3D軟件建立了連續油管直徑增長的預測模型[11-12]。李曉秋等結合仿真軟件與室內試驗，建立了連續油管最大直徑增長與循環次數的指數模型，但屬于小直徑連續油管[13]。筆者基于連續油管疲勞試驗機，模擬連續油管在鵝頸或導向拱處所受循環彎曲和內壓的作用，在經歷彎曲、矯直循環過程中測量不同循環次數下連續油管的管徑。因此，在現有條件下采用國內第一臺連續油管疲勞試驗機，在內壓為34.47MPa、行程為300mm純彎曲循環疲勞作用下，測出管徑隨循環次數變化的規律，擬合得到管徑脹大與循環次數的變化關系式，進而確定管徑脹大極限的數學模型，為準確預判管體失效位置及更好地預測高強度連續油管工作壽命提供一定的指導。

1 試驗材料與裝置

1.1 試驗材料

試驗所用管材為國產高強度CT90連續油管，其全尺寸試樣規格為Φ60.3mm×5.2mm，長度為1 524mm，并通過拉伸試驗測定試樣的力學性能。拉伸試驗采用ZIWCK 1200拉伸試驗機，按照國標GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行整管試驗，得出國產CT90連續油管的屈服強度為645MPa，抗拉強度為745MPa，伸長率為25.4％，屈強比為0.87，均優于API RP 5C7[14]標準要求。其斷面收縮率達57.9％，表明國產高強度CT90連續油管具有良好的強塑性。

1.2 試驗裝置

疲勞試驗采用PLW-100彎曲疲勞試驗機，主要針對連續油管在彎曲處產生大應變低周疲勞循環過程，模擬連續油管在給定彎曲半徑下受彎曲和內壓共同作用時的循環次數。圖1為該疲勞試驗機的主體部分，主要由液壓桿、V形輥輪、撓曲模板、矯直模板、固定桿及增壓缸6部分組成。彎曲疲勞試驗機的主要參數見表1。

圖1 連續油管彎曲疲勞模擬試驗機實物照片

表1 連續油管彎曲疲勞試驗機主要技術參數

2 方案設計

試驗所選彎曲疲勞試驗機的具體參數為：彎模半徑2 286mm，矯直模板長65cm，試驗壓力34.47MPa，行程300mm，循環一周時間35 s。將連續油管下端用螺栓固定在固定桿上，下端加裝密封圈并連接好進水管，樣管上端不應超出試驗機頂部。完全排除管內空氣后，緊固密封樣管上端，打開增壓缸把壓力升至試驗值。調節傳感器位置后，試樣在V形輥輪和液壓桿的牽引下，繞恒定曲率半徑的撓曲模板彎曲，而后被矯直模板矯直，總行程600mm。連續油管彎曲疲勞試樣管徑測量示意如圖2所示。每循環10個周期后泄壓，并按照圖2測量點依次測量管徑。

試驗中布置測點時，以彎模底部為原點，每間隔5cm設置一個測點，共14個，并以逆時針方向標注A、B、C、D 4個方位點，其中AC平面為彎面(管體受拉伸或壓縮作用)；BD平面為中面(管體類似于中性面)。依據疲勞試驗機的工作原理，檢測區域范圍為距彎模底部35～50cm，在該檢測區域每間隔5cm設置1個測量點，如圖3所示。圖中測量點依次記為測點1、測點2、測點3及測點4，每個測點每次測量重復3次，取平均值記錄，直至管內壓力卸載、管體斷裂。由于在內壓和彎曲循環載荷作用下，連續油管中面管徑比彎面管徑增長要大[13]，因此，筆者只研究中面直徑變化值隨循環次數變化的規律。

圖2 連續油管彎曲疲勞試樣管徑測量示意圖

圖3 直徑漲大測量區域

3 結果與分析

由上述試驗可知，疲勞裂口距離撓曲模板底部距離44cm，斷裂處中面管徑、彎面管徑分別為69.36mm和65.80mm，管徑脹大率分別為15.0％和9.1％。其斷裂位置在所設定的檢測區域內且與位于45cm處測量點的位置基本吻合。試驗結果見表2。

表2 CT90連續油管彎曲疲勞試驗結果

3.1 管體脹大極限位置分布規律分析

連續油管在壓力和彎曲循環作用下，管體出現表面波紋，如圖4所示。試樣彎面(AC面)的斷裂處兩端約2倍直徑范圍內的管體表面產生了明顯波紋。在試驗前期，管體幾乎沒有出現波紋，隨著循環的進行，特別到管子疲勞壽命的晚期，波紋會有代表性地出現，此時出現波紋的位置是管體失效的危險區域。

圖4 管體疲勞失效位置

在彎曲期間并有內壓的情況下，連續油管管徑脹大的現象十分顯著，原始與斷裂后各點管徑如圖5所示。從圖5可以看出，檢測區域的管徑出現明顯的脹大現象，且在測點3的中面管徑脹大率最大，高達15.2％。由此可見，此區域是連續油管易引起機械損傷的危險區域，也是易發生疲勞斷裂的敏感區域。

圖5 管體原始與斷裂后各點管徑

試驗表明，在34.47MPa壓力下，連續油管管體脹大極限位置處的中面管徑脹大，彎面出現表面波紋。因此，在實際工作中推薦對連續油管進行有規律的檢查，一旦發現管徑脹大到原標準直徑的6％[11-14]或發現波紋應將其移除。

3.2 直徑漲大與循環次數變化規律分析

圖6是試樣在檢測區域4個測量點處管徑隨循環次數變化的規律分布圖。從圖6可以看出，隨著循環次數的增加，檢測區域的管徑均有明顯的膨脹，在160次之前管徑幾乎為線性增長，在最后幾次循環時管徑急劇增大，管體瞬間被破壞。

圖6 在4個測量點處管徑隨循環次數變化的規律

從圖6可知，檢測區域4個測量點的管徑均隨循環次數的增加而脹大；測點3、測點4的脹大率高于測點1和測點2。不同循環次數下直徑漲大規律擬合曲線如圖7所示。 從圖7可以看出，連續油管直徑極限與循環次數呈拋物線分布。

圖7 不同循環次數下直徑脹大規律擬合關系圖

由管徑脹大模型可以得出管壓為34.47MPa、外徑為60.3mm的CT90連續油管管徑脹大率與疲勞壽命的量化關系，以便在工程中通過實測管徑來預測連續油管的疲勞壽命，為連續油管作業現場能夠量化疲勞失效預測提供了理論依據。

4 結 論

(1)實測高強度大直徑國產CT90連續油管管徑脹大率為15.2％，較好的強塑性增加了該連續油管的應用。

(2)管徑脹大趨勢可以用來預判連續油管疲勞斷裂的失效位置，建立的管徑脹大模型可以更好地為預測連續油管的工作壽命提供理論支持。

(3)連續油管井下作業條件惡劣，根據管徑脹大規律為工程現場對連續油管判廢提供參考。

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Study of the Low-cycle Fatigue Life of the Coiled Tubing Based on Diameter Parameter

TANG Guoping1，DUAN Qingquan1，YU Han2,3，XIAN Linyun2,3，Li Bofeng2,3
(1.College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 102249，China；2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

In order to identify the relationship of coiled tubing(CT) low-cycle fatigue life and diameter parameter under bending and internal pressure loads.In this paper,based on the full-scale fatigue testing machine,under internal pressure of 34.47MPa and radius of the stamper with 2 286mm on domestic high strength CT90 fatigue life test was carried out.The results showed that the large diameter high strength domestic CT90 expands when diameter CT failure rate is 15.2％.In this paper,it analyzed CT failure location distribution and find out the diameter CT the number of cycles increased and swell of the rules.A reasonable fatigue life prediction model was established based on diameter parameter,can better calculate CT fatigue life,and pre-judgment of the CT fatigue damage and fracture failure location to provide theoretical guidance.

coiled tubing;diameter;fatigue;full-scale fatigue experiment

TG113.255

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.002

國家重大科技專項項目“36—煤層氣鉆井工程技術及裝備研制(二期)”(項目號2011ZX05036)。

唐國平(1992—)，男，在讀碩士，主要從事油氣生產裝備失效分析與完整性管理等研究工作。

2016-03-30

李紅麗