油田吊環力學與疲勞性能分析

張艷秋

（勝利油田技術檢測中心，山東東營 257000）

0 引言

油田吊具作為石油鉆井系統中的重要組成部分，主要包括游車大鉤、吊環、吊卡等組件。其中，吊環是用于懸持吊具以及對鉆柱和套管柱實施提升或移動的專用工具，其應用范圍十分廣泛。但是，在使用過程中，吊環可能會承受超過額定載荷數倍的反復拉壓作用，并且經常需要拆卸，所以極易磨損或損傷[1]。因此，為了保證其在作業中的穩定性和連續性，有必要對吊環結構的安全性能開展研究與分析。

研究表明，油田吊具的破壞形式主要是疲勞破壞，具體表現為材料表面在荷載作用下一處或多處開始生成局部永久性損傷，并且逐漸累計直至最終斷裂[2]。在現場使用中發現，極端工況下（低溫）油田吊具的失效現象時有發生。但是，目前的研究主要集中于常溫條件，而忽視了極端工況條件下的高溫或低溫環境對材料或設備力學及疲勞性能的影響。

針對上述問題，利用有限元模擬方法開展油田吊具（以吊環為例）在極端工況條件下的力學與疲勞性能的相關研究。首先，基于組合Basquin 和Coffin-Manson 方法構建有限元計算模型，隨后，構建吊環的三維模型，分析在不同載荷作用下吊環模型表面的應力分布與力學性能變化，并以此為基礎探究高溫和低溫工況對油田吊具力學性能和疲勞性能的影響規律。

1 數值方法與模型

1.1 疲勞壽命預測方法

將傳統的Basquin 和Coffin-Manson 兩種方法相結合，構建了組合Basquin 和Coffin-Manson 方法，如式（1）所示：

式中，ε 為總應變幅值，E 為楊氏模量。在低周疲勞測試時，材料表面的局部應力將超過屈服應力，從而產生塑性區和彈性區，因此，研究設計的計算模型同時考慮彈性應變和塑性應變，理論上能夠更加準確地描述低周循環的應變疲勞過程。

1.2 有限元模型

研究中吊環結構采用的材料是20SiMn2MoV 合金結構鋼，構建三維幾何模型（圖1a））。其中，吊環結構的內半徑與外半徑分別為50 mm 和100 mm。將吊環上方的固定桿邊界設置為固定約束，將吊環內壁部分區域設置為受力面，并在此施加垂直于受力面方向的邊界載荷。

圖1 吊環結構的三維幾何模型及其網格劃分

隨后，將構建的三維吊環模型導入到COMSOL Multiphysics軟件中以進行仿真模擬，在自由三角形網格的基礎上，采用極細化的網格單元對整個計算域結構進行自動網格劃分（圖1b））。

在開展模擬研究前，首先選用圓棒國標試樣進行疲勞試驗與有限元模擬的對比研究。其中圓棒試樣的直徑為5 mm，疲勞實驗采用MTS 拉力試驗機，測試采用應變幅控制，此外，在有限元模擬中構建了與圓棒試樣尺寸相同的三維模型，模擬條件與實驗基本保持相同。

循環載荷過程中，圓棒中心區域所受應力更小，在試樣兩端靠近固定桿的凸起結構附近，應力出現了明顯的峰值帶，因此證明試樣在循環載荷作用下更容易在圓棒兩端的附近區域產生斷裂。同時，在疲勞實驗與有限元模擬中圓棒試樣斷裂時的循環周期次數對比見表1，結果表明，研究所設計的有限元模擬方法非常適用于低周循環的應變疲勞條件。

表1 圓棒試驗的循環周期次數對比

2 分析與討論

2.1 恒定載荷作用

基于吊環結構的三維模型，首先研究在常規條件下施加恒定載荷對吊環表面力學性能的影響規律。其中，恒定載荷僅作用于受力面區域，其數值范圍是0～20 t，方向豎直向下。在不同恒定載荷條件下，吊環結構表面的應力分布圖像如圖2 所示，可以看到吊環結構在外側與固定桿的連接處、內壁頂部、內壁兩側和內壁底部的4 個區域存在明顯的應力集中區域，應力在此出現更高的峰值。隨著恒定載荷的升高，吊環的應力集中區域面積逐漸增大，在實際作業過程中，這些位置是更易發生疲勞和損傷、最終造成器件失效的安全隱患區域。

圖2 吊環結構表面的應力分布

隨后，計算吊環不同應力集中區域內所承受的平均應力。隨著施加載荷的增大，不同區域所受平均應力均逐漸升高。與其他區域相比，吊環內壁兩側區域在不同載荷作用下所受應力始終保持最高值，同時，該區域的平均應力變化曲線斜率最高，證明該區域對吊環載荷變化更為敏感，載荷的增大對該區域的應力分布影響更加劇烈。例如，當施加20 t載荷時，吊環內壁兩側區域所受應力比其他區域的平均應力數值提高54%。因此，在承載一定重量后，吊環內壁兩側區域的力學性能最不穩定，可能成為吊環結構最顯著的安全隱患位置。

2.2 循環載荷作用

通過一系列有限元模擬探究循環載荷對吊環表面疲勞性能的影響規律，并利用失效循環次數來表征吊環的疲勞壽命。其中，疲勞壽命是指該設備能夠持續使用的最長時間，而失效循環次數表示為該設備受到循環載荷的作用而達到疲勞極限時的最大周期數，因此二者可以相互對應。當循環載荷幅值為12 t 時，在循環載荷的作用下，吊環的主要疲勞位置呈區域性聚集，并主要分布在外側與固定桿的連接處、內壁頂部、內壁兩側和內壁底部等區域，而這些位置與恒定載荷作用下的應力集中點區域保持高度地一致，因此證明應力集中問題是影響油田吊具疲勞性能的重要因素之一。

在此基礎上，計算在不同循環載荷的作用下，吊環結構整體的疲勞壽命變化曲線，研究表明，吊環結構的失效循環次數隨循環載荷幅值的增大而逐漸降低。研究結果證明，在實際作業過程中，當承受載荷大于12 t 后，該類吊環的使用壽命將會下降90%左右。

2.3 極端工況條件

研究中的極端工況條件考慮高溫和低溫兩種情況，具體溫度分別設置為40 ℃與-20 ℃，其他模擬條件與之前的研究保持相同。高溫條件對吊環結構的影響較微弱，其疲勞區域分布與常溫條件基本保持一致，但是低溫條件對吊環結構的疲勞壽命存在顯著的消極影響。具體表現為，在低溫條件下，盡管吊環結構的主要疲勞區域仍然集中于應力集中點附近，但是不同位置的疲勞面積明顯增大，并由區域塊狀分布延伸至帶狀分布。因此，當吊環長期暴露于低溫工作環境中，材料表面對應力的變化將更加敏感，不同區域表面更易受到磨損，并造成疲勞和損傷，發生脆性斷裂的傾向將顯著加大。

低溫工況條件下，吊環結構表面不同區域的失效循環次數與平均應力呈反比關系，所受平均應力越高，該區域的疲勞壽命越低，因此證明材料表面的應力分布是影響油田吊具疲勞壽命的重要因素之一。與高溫條件相比，吊環結構在低溫環境中的力學性能顯著下降，隨著循環載荷幅值的增大，低溫條件下的失效循環次數曲線下降幅度更加顯著。在不同循環載荷的作用下，吊環在低溫下的疲勞壽命比高溫條件下平均降低28.5%。因此，基于上述研究可以得出結論，在低溫作業環境中，有必要適當地增加吊環的更換頻率，以保證油田吊具設備的安全、穩定運行。

3 結束語

基于有限元模擬方法圍繞吊環在實際工況中的力學性能和疲勞性能開展相關研究。首先，通過Basquin 方程與Coffin-Manson 方程相結合，研究構建組合Basquin 和Coffin-Manson數值計算框架，并利用圓棒國標試樣的疲勞試驗與有限元模擬得到的失效循環次數進行對比，證明該方法在模擬低周循環的應變疲勞過程方面的準確性。模擬結果表明，在恒定載荷的作用下，吊環結構在外側與固定桿的連接處、內壁頂部、內壁兩側和內壁底部的4 個區域會出現明顯的應力集中區域，并且隨著施加載荷的增大，這些區域所受平均應力均會逐漸升高。此外，在循環載荷的作用下，吊環整體的失效循環次數隨循環載荷幅值的增大而逐漸降低。并且，吊環表面會出現平均失效循環次數更低的疲勞區域，這些區域與應力集中區域基本一致，因此證明應力集中問題是影響油田吊具疲勞性能的重要因素之一。最終，探究極端工況條件對吊環安全性能的影響規律，研究發現，低溫條件對吊環結構的疲勞壽命存在顯著的消極影響，使得吊環不同位置的疲勞面積明顯增加。此外，吊環結構形態也會對疲勞性能造成影響，與其他位置相比，吊環內壁兩側區域受力更加不穩定，因此疲勞壽命最低。