Оцінка залишкового ресурсу бурильних труб за складного напруженого стану

Abstract

The object of research is the operation of drill pipes in a complex stress state. One of the most problematic places in this case is the process of fatigue, that is, the gradual accumulation of damage to the material of drill pipe under the influence of time-varying stresses. This leads to accidents, the elimination of which is accompanied by significant material and temporary losses.Based on the conducted critical analysis of scientific developments on this issue, it is noted that the use of kinetic diagrams of fatigue failure allows us to experimentally establish empirical parameters of fatigue of the material of drill pipe by laboratory research of small samples. And also to take into account the influence of the front shape of semi-elliptic and annular fatigue cracks on the residual resource. In addition, it is concluded that methods requiring additional attention, taking into account the combined effect on the kinetics of fatigue damage of normal and shear stresses.Therefore, in the course of the research, the positions of fracture mechanics were used. In particular, a feature of the proposed approach is the use in the formula for determining the stress intensity factor before the front of a semi-elliptical fatigue crack in the cross section of a tubular structure of equivalent stress, taking into account both the normal and shear component. This same stress, determined in accordance with the fourth theory of strength, is also used to calculate the critical crack depth.In order to assess the obtained results, a comparative calculation is made of the number of cycles of load change required to increase the depth of the specified crack from the initial to the critical value, not taking into account the value of the shear stress. It is established that the latter, with other unchanged conditions, can reduce the life of the drill pipe by up to two times.Thanks to the proposed method, it is possible to construct graphical dependencies of the fatigue life of drill pipes, taking into account the magnitude of the torque, other things being the same.Объектом исследования данной работы является эксплуатация бурильных труб в условиях сложного напряженного состояния. Одним из самых проблемных мест в данном случае являются процессы усталости, то есть постепенное накопление повреждения материала бурильных труб под воздействием переменных во времени напряжений. Это приводит к авариям, ликвидация которых сопровождается значительными материальными и временными потерями.На основе проведенного критического анализа научных наработок по данной проблеме отмечено, что использование кинетических диаграмм усталостного разрушения позволяет экспериментально устанавливать эмпирические параметры усталости материала бурильных труб путем лабораторного исследования небольших образцов. А также учитывать влияние формы фронта полуэллиптических и кольцевых усталостных трещин на остаточный ресурс. Кроме того, сделан вывод о том, что требуют дополнительного внимания методы, учитывающие совместное влияние на кинетику усталостного повреждения нормальных и касательных напряжений.Следовательно, в ходе исследований использованы положения механики разрушения. В частности, особенностью предложенного подхода является применение в формуле для определения коэффициента интенсивности напряжений перед фронтом полуэллиптической усталостной трещины в поперечном сечении трубной конструкции эквивалентного напряжения, учитывающего как нормальную, так и касательную составляющую. Это же напряжение, определенное в соответствии с четвертой теорией прочности, использовано и для расчета критической глубины трещины.С целью оценки полученных результатов проведен сравнительный расчет количества циклов изменения нагрузки, необходимого для увеличения глубины указанной трещины от начального до критического значения, не учитывая и с учетом величины касательного напряжения. Установлено, что последнее, при прочих неизменных условиях, может уменьшать ресурс бурильной трубы до двух раз.Благодаря предложенному методу обеспечивается возможность построения графических зависимостей усталостной долговечности бурильных труб, учитывая величины крутящего момента при прочих неизменных факторах.Об’єктом дослідження даної роботи є експлуатація бурильних труб в умовах складного напруженого стану. Одним із найбільш проблемних місць в даному випадку є процеси втоми, тобто поступове накопичення пошкодження матеріалу бурильних труб під впливом змінних у часі напружень. Це призводить до аварій, ліквідація яких супроводжується значними матеріальними та часовими втратами.На основі проведеного критичного аналізу наукових напрацювань за даною проблемою зазначено, що використання кінетичних діаграм втомного руйнування дозволяє експериментально встановлювати емпіричні параметри втоми матеріалу бурильних труб шляхом лабораторного дослідження невеликих зразків. А також враховувати вплив форми фронту напівеліптичних і кільцевих втомних тріщин на залишковий ресурс. Крім того, зроблено висновок про те, що потребують додаткової уваги методи, які враховують спільний вплив на кінетику втомного пошкодження нормальних і дотичних напружень.Відтак, в ході досліджень використано положення механіки руйнування. Зокрема, особливістю запропонованого підходу є застосування в формулі для визначення коефіцієнту інтенсивності напружень перед фронтом напівеліптичної втомної тріщини в поперечному перерізі трубної конструкції еквівалентного напруження, що враховує як нормальну, так і дотичну складову. Це ж напруження, визначене згідно із четвертою теорією міцності, використано і для розрахунку критичної глибини тріщини.З метою оцінки отриманих результатів, проведений порівняльний розрахунок кількості циклів зміни навантаження, необхідної для збільшення глибини вказаної тріщини від початкового до критичного значення, не враховуючи і з врахуванням величини дотичного напруження. Встановлено, що останнє, при інших незмінних умовах, може зменшувати ресурс бурильної труби до двох разів.Завдяки запропонованому методу забезпечується можливість побудови графічних залежностей втомної довговічності бурильних труб, враховуючи величини крутного моменту при інших незмінних факторах