基于CTOD試驗的一種套管韌性分析

白松，王雙來，杜志杰

基于CTOD試驗的一種套管韌性分析

白松1，王雙來2，杜志杰2

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安710065；2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，陜西西安710065）

以Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管為研究對象，采用三點彎曲試驗測得套管裂紋試樣的裂紋尖端張開位移，分析了裂紋擴展阻力曲線及其特征值，確定了該套管的理論裂紋擴展條件。結果發現：該套管管體與接箍的試驗測得CTOD值都大于理論值，說明該套管的斷裂韌性滿足現場特定工況要求。

套管；裂紋尖端位移；裂紋擴展；斷裂韌性

近年來油井管在使用過程中發生斷裂引起井下事故時有發生，油井管管材的可靠性越來越受到重視。油井管材料選擇和質量控制的主要依據仍然是夏比沖擊試驗所得的夏比沖擊功值，然而在使用小規模夏比沖擊試驗時有很多局限，這些試驗不能再現實際構件的材料特性、尺寸效應、加載速率影響和裂紋尖銳程度，夏比沖擊功不足以確定臨界裂紋尺寸和制定缺陷的失穩條件。評價材料韌性的另一個方法是，確定不同溫度下的斷裂裂紋尖端張開位移δ（CTOD值），然而很少有人利用CTOD值評價油套管材料韌性［1-8］。

套管壁厚較小，不能滿足沖擊試驗要求，難以用線彈性斷裂力學參量K來準確地描述并獲得其斷裂韌性，只能用彈塑性斷裂力學參量J積分和CTOD值來描述并得到相應的斷裂韌性指標。本研究主要采用CTOD試驗來評價Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管的斷裂韌性。

1 試樣制備及試驗過程

CTOD特征值反映了材料抵抗裂紋擴展的能力，可稱為裂紋擴展阻力；裂紋擴展阻力與裂紋擴展量的關系曲線稱為裂紋擴展阻力曲線。采用CTOD特征值作為裂紋擴展的判定指標，以表征鋼材的斷裂韌度。

采用三點彎曲試樣，試樣尺寸為W=18 mm（寬度）、B=10 mm（厚度）、S=72 mm（跨距），試樣加工尺寸如圖1所示，其化學成分和力學性能見表1～2。在Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管管體上取7個試樣，接箍上取5個試樣，試驗溫度為20℃。管體試樣和接箍試樣的缺口都開在試樣中間部位，采用線切割加工裂縫，縫隙寬0.12 mm、深6 mm［9－11］。

圖1 試樣加工尺寸示意

表1 試樣的化學成分（質量分數）%

表2 試樣的力學性能

采用PLS－100電液伺服動靜試驗機在室溫下預制疲勞裂紋，預制過程按照GB/T 2358—1994《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗方法》進行，所有試樣均通過加載—卸載—再加載疲勞載荷的方法產生裂紋，開始階段疲勞載荷最大值Ffmax=8 000 N、Ffmin=800 N，最后階段疲勞載荷Ffmax=6 000 N、Ffmin=600 N，總循環20 000～26 000周次，預制裂紋疲勞長度為3 mm。

在MTS810試驗機上進行三點彎曲CTOD試驗，由于套管塑性較差，屈服強度按照Rp0.2=1 117 MPa（形變達到0.2%的彈性極限，用來表征屈服強度）進行計算，刀口厚度Z=0 mm。試驗速率為1 mm/min，試驗溫度為20℃［10］。

2 試驗結果與分析

2.1 裂紋擴展阻力曲線及其特征

（1）管體CTOD試驗。管體CTOD試驗結果見表3。管體的裂紋擴展阻力曲線方程為：

管體裂紋擴展阻力曲線如圖2所示。

（2）接箍CTOD試驗。接箍CTOD試驗結果見表4。接箍的裂紋擴展阻力曲線方程為：

表3 管體CTOD試驗結果

接箍裂紋擴展阻力曲線如圖3所示。

圖2 管體裂紋擴展阻力曲線

CTOD特征值是指裂紋擴展過程中不同階段的CTOD值，它表征了材料抵抗裂紋啟裂或擴展的能力，包括條件啟裂CTOD值δi、表觀啟裂CTOD值δ0.05、脆性啟裂CTOD值δc、脆性失穩CTOD值δu和最大載荷CTOD值δm。δi是指阻力曲線中裂紋擴展值Δα=0.2 mm所對應的CTOD值；δ0.05是指阻力曲線中裂紋擴展量Δα=0.05 mm所對應的CTOD值；δc是指穩定裂紋擴展量Δα∧0.2 mm的脆性失穩斷裂點所對應的CTOD值；δu是指穩定裂紋擴展量Δα∧0.2 mm的脆性失穩點所對應的CTOD值；δm是指最大載荷點所對應的CTOD值［12］。當試樣失穩斷裂，按照Δα在0.15～0.50 mm的數據點來確定δi。

表4 接箍CTOD試驗結果

圖3 接箍裂紋擴展阻力曲線

在20℃下Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管管體和接箍的CTOD特征值包括條件啟裂CTOD值δi、表觀啟裂CTOD值δ0.05和最大載荷CTOD值δm。其中，Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管管體的條件起裂CTOD值δi=0.088 mm，表觀起裂CTOD值δ0.05=0.061 mm，最大載荷CTOD值δm=0.105 mm；接箍的條件起裂CTOD值δi= 0.082 mm，表觀起裂CTOD值δ0.05=0.060 mm，最大載荷CTOD值δm=0.116 mm。

2.2 試樣形貌特征

CTOD試樣在試驗前的宏觀形貌如圖4所示，CTOD試樣在試驗后的宏觀形貌如圖5所示，從管體、接箍試樣斷口能明顯看到機械加工缺口、預制疲勞裂紋前緣、標記的裂紋擴展區前緣及斷口面的分界線。

圖4 CTOD試樣在試驗前的宏觀形貌

圖5 CTOD試樣在試驗后的宏觀形貌

3 套管斷裂韌性理論分析

根據GB/T 21143—2007《金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》，假設Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管主要承受拉應力，忽略彎曲應力和殘余應力；假定存在橫向裂紋型缺陷，裂紋的深度按5%刻槽確定，擴展類型為張開型。套管壁厚e=13.06 mm，因此假定裂紋深度t=0.653 mm，裂紋深度t與裂紋長度l的比值為1∶6。

3.1 最小裂紋參數確定

表面缺陷的實際尺寸和參數a的關系如圖6所示［13］。根據Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管裂紋參數（t/l=0.167，t/e=0.05），a為試樣縫隙深度。可從圖3所示中查出a/e=0.05，從而計算出a= 0.65 mm。

3.2 最小CTOD值的確定

Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管的最小CTOD值按公式（3）計算：

圖6 表面缺陷的實際尺寸和參數a的關系

式中σy——屈服強度，1 117 MPa；

C——參數［14］；

E——彈性模量，GPa，取207。

從文獻［14］可以查出，計算Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管的最小CTOD值時C為0.17。

由公式（3）可計算出Φ339.7 mm×13.06 mm規格TP140V套管的δ=0.020 4 mm。

由于裂紋尖端塑性區域的存在，裂紋面上鄰近裂紋尖端的兩側將發生相對位移。將CTOD值作為衡量因裂紋存在而產生的位移間斷的強弱程度。以CTOD作為起始擴展的判據［15］，臨界條件是：

比較發現，在20℃溫度條件下，Φ339.7 mm× 13.06 mm規格TP140V套管的管體與接箍起裂CTOD值都大于理論計算值（0.020 4 mm），滿足工況使用要求。

4 結論

（1）在考慮套管承受拉伸應力的情況下，如果套管表面裂紋型缺陷不大于5%刻槽確定的裂紋深度0.65 mm，理論計算的最小裂紋尖端張開位移CTOD值為0.020 4 mm。管體和接箍20℃的起裂CTOD值都大于理論計算0.020 4 mm，不會發生脆性斷裂。

（2）考慮套管在井下服役期間，不同井段環境溫度不同，因此在以后以裂紋尖端位移值評價套管斷裂韌度時，還應在不同溫度條件下進行CTOD值的分析。

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Analysis of Toughness of a Certain Type of Casing Based on CTOD test

BAI Song1，WANG Shuanglai2，DU Zhijie2
（1.Mechanical Engineering College，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China；2.Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

Taking theΦ339.7 mm×13.06 mm TP140V casing as a study object，the crack tip opening displacement of the casing crack specimen is measured by the three point bending test.Analyzed are the crack propagation resistance curve and its characteristic values，and so determined are the theoretical conditions for crack propagation of the casing.It is found that the CTOD values of both the casing body and the coupling measured in the test are higher than the theoretical values，which indicates that the fracture toughness of the casing can meet the specific field working condition.

casing；crack tip opening displacement（CTOD）；crack propagation；fracture toughness

TG113.25+4

B

1001-2311（2016）05-0064-04

2016-03-16；修定日期：2016-03-21）

白松（1991-），男，在讀碩士研究生，研究方向是油井管特殊螺紋接頭性能評價與開發。