本發(fā)明屬于石油天然氣鉆井用鉆桿
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種鉆桿剩余壽命的預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
：鉆桿是石油天然氣鉆井的主要工具，在服役過程中承受復(fù)雜的交變載荷作用，極易發(fā)生疲勞失效。為了控制鉆桿疲勞失效事故的發(fā)生，目前廣泛應(yīng)用的預(yù)防措施主要包括三種，一種是對鉆桿定期進(jìn)行無損檢測，將存在超標(biāo)缺陷的鉆桿去除，從而避免鉆桿失效事故的發(fā)生；第二種是基于含缺陷鉆桿剩余疲勞壽命的預(yù)測，這種預(yù)測方法的原理主要是假設(shè)鉆桿表面或內(nèi)部存在一定尺寸的缺陷，通過將缺陷理想化處理，依據(jù)缺陷的擴(kuò)展速度計(jì)算鉆桿的剩余疲勞壽命。以上兩種方法雖然在控制鉆桿疲勞失效方面發(fā)揮了重要作用，但其只能針對已經(jīng)形成可視化缺陷的鉆桿發(fā)揮作用，而鉆桿的疲勞損傷是一種隱形損傷，在裂紋形成前的疲勞過程中沒有常規(guī)檢測手段可以檢測到的缺陷出現(xiàn)，而該階段的疲勞壽命卻占據(jù)了鉆桿疲勞壽命的大部分，該階段的疲勞壽命是前述的兩種方法所無法確定和預(yù)測的。目前使用的第三種預(yù)測鉆桿疲勞壽命的方法是通過計(jì)算鉆桿薄弱部位的應(yīng)力載荷，利用應(yīng)力載荷與材料疲勞壽命之間的S-N曲線關(guān)系計(jì)算該應(yīng)力水平下的鉆桿疲勞壽命，這種方法最大的不足就是沒有考慮鉆桿疲勞壽命自身的離散性，從而使得預(yù)測的結(jié)果與實(shí)際相差巨大。為了科學(xué)預(yù)測在役鉆桿的剩余服役壽命，迫切需要建立一種新的可以預(yù)測鉆桿剩余服役壽命的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種鉆桿剩余壽命的預(yù)測方法，主要借助于軸向載荷疲勞壽命測試裝置，依據(jù)鉆桿服役過程中的工況特點(diǎn)，測試鉆桿在交變載荷作用下的疲勞壽命，通過一系列計(jì)算分析，預(yù)測鉆桿的剩余服役壽命，通過預(yù)測在役鉆桿的剩余服役壽命，從而避免鉆桿失效事故的發(fā)生，保障油氣鉆井作業(yè)過程的安全。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種鉆桿剩余壽命的預(yù)測方法，包括以下步驟：1)試樣數(shù)量的確定首先確定鉆桿剩余服役壽命預(yù)測的置信度和誤差，計(jì)算不同變異系數(shù)條件下需要的試樣數(shù)量最小值m；2)試樣設(shè)計(jì)及制備從同批次鉆桿中選擇服役條件最為惡劣的1～2根鉆桿，從鉆桿管端內(nèi)加厚過渡錐面消失部位向管體端延伸500mm范圍內(nèi)取樣，并加工成具有圓形橫截面的試樣；3)試驗(yàn)載荷計(jì)算依據(jù)實(shí)際工況，計(jì)算鉆桿在服役過程中承載的工作載荷；4)試驗(yàn)加載步驟a.基于步驟3)計(jì)算得到的工作載荷，采用步驟2)中的試樣測試鉆桿的疲勞壽命；b.重復(fù)步驟a完成n件試樣的疲勞壽命測試，n的數(shù)值不小于7；c.先計(jì)算n件試樣疲勞壽命測試結(jié)果的對數(shù)平均值及變異系數(shù)，如果變異系數(shù)小于m等于n時(shí)對應(yīng)的變異系數(shù)，則停止試驗(yàn)，如果變異系數(shù)大于m等于n時(shí)對應(yīng)的變異系數(shù)，則繼續(xù)增加試樣數(shù)量，繼續(xù)試驗(yàn)至試樣疲勞壽命的變異系數(shù)滿足變異系數(shù)小于m等于n時(shí)對應(yīng)的變異系數(shù)為止；5)計(jì)算n件試樣疲勞壽命對數(shù)值平均值的概率密度函數(shù)，利用概率密度函數(shù)積分，獲得該載荷條件下所需可靠度下的疲勞壽命。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，置信度為95％，誤差為5％。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，試樣兩端為圓柱，圓柱之間為與圓柱同軸設(shè)置的表面呈弧形的結(jié)構(gòu)，表面呈弧形的結(jié)構(gòu)的縱截面的弧形的曲率半徑R不小于40mm，表面呈弧形的結(jié)構(gòu)的橫截面的直徑最小為3.98～4.02mm；圓柱的直徑為10mm。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，圓柱的端部加工有30°的倒角，并且圓柱表面加工有螺紋。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，弧形表面的粗糙度為0.2。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，工作載荷包括拉應(yīng)力載荷和交變應(yīng)力載荷。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，概率密度函數(shù)f(x)為其中，x為對數(shù)平均值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：本發(fā)明借助于軸向載荷疲勞壽命測試，依據(jù)鉆桿服役過程中的工況特點(diǎn)，測試鉆桿在工作載荷作用下的疲勞壽命，通過一系列計(jì)算分析，預(yù)測鉆桿的剩余服役壽命，通過預(yù)測在役鉆桿的剩余服役壽命，從而避免鉆桿失效事故的發(fā)生，保障油氣鉆井作業(yè)過程的安全。本發(fā)明中的n的數(shù)值不小于7，能夠保證預(yù)測結(jié)果的可靠性。本發(fā)明充分考慮了鉆桿疲勞壽命自身的離散性，通過采用同一載荷條件下完成大量試樣的方法，大幅度提高鉆桿疲勞壽命值的覆蓋范圍，較為準(zhǔn)確地預(yù)測了鉆桿的剩余壽命，有效避免了鉆桿失效事故的發(fā)生。附圖說明圖1為疲勞試樣結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為第一圓柱，2為表面呈弧形的結(jié)構(gòu)，3為第二圓柱。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明主要用于石油天然氣鉆井用鉆桿剩余壽命的預(yù)測，主要借助于軸向載荷疲勞壽命測試裝置，依據(jù)鉆桿服役過程中的工況特點(diǎn)，測試鉆桿在交變載荷作用下的疲勞壽命，通過一系列計(jì)算分析，預(yù)測鉆桿的剩余服役壽命。本發(fā)明具體包括以下步驟：1)試樣數(shù)量的確定首先確定鉆桿剩余服役壽命預(yù)測的置信度和誤差，計(jì)算不同變異系數(shù)條件下需要的試樣數(shù)量最小值m；2)試樣設(shè)計(jì)及制備從同批次鉆桿中選擇服役條件最為惡劣的1～2根鉆桿，從鉆桿管端內(nèi)加厚過渡錐面消失部位向管體端延伸500mm范圍內(nèi)取樣，并加工成具有圓形橫截面的試樣，如圖1所示；試樣的結(jié)構(gòu)為：試樣一端為第一圓柱1，另一端為第二圓柱3，第一圓柱1與第二圓柱3之間為與第一圓柱1同軸設(shè)置的表面呈弧形的結(jié)構(gòu)2，表面呈弧形的結(jié)構(gòu)2的縱截面的弧形的曲率半徑R不小于40mm，表面呈弧形的結(jié)構(gòu)的橫截面的直徑最小為3.98～4.02mm；圓柱的直徑為10mm。圓柱的端部加工有30°的倒角，并且圓柱表面加工有螺紋，規(guī)格為M10×1，便于安裝；弧形表面的粗糙度為0.2。3)試驗(yàn)載荷計(jì)算依據(jù)實(shí)際工況，計(jì)算鉆桿在服役過程中承載的工作載荷，鉆桿承受的工作載荷包括拉應(yīng)力載荷和交變應(yīng)力載荷；4)試驗(yàn)加載步驟a.基于步驟3)計(jì)算得到的拉應(yīng)力載荷和交變應(yīng)力載荷，采用步驟2)中的試樣測試鉆桿的疲勞壽命；b.重復(fù)步驟a完成n件試樣的疲勞壽命測試，n的數(shù)值不小于7；n的數(shù)值不小于7，以保證預(yù)測結(jié)果的可靠性；c.先計(jì)算n件試樣疲勞壽命測試結(jié)果的對數(shù)平均值及變異系數(shù)，如果變異系數(shù)小于m等于n時(shí)對應(yīng)的變異系數(shù)，則停止試驗(yàn)，如果變異系數(shù)大于m等于n時(shí)對應(yīng)的變異系數(shù)，則繼續(xù)增加試樣數(shù)量，繼續(xù)試驗(yàn)至所有試樣疲勞壽命的變異系數(shù)滿足要求，即變異系數(shù)小于m等于n時(shí)對應(yīng)的變異系數(shù)時(shí)，停止試驗(yàn)；d.記錄試驗(yàn)過程，包括載荷、載荷變化和疲勞壽命。5)計(jì)算n件試樣疲勞壽命對數(shù)值平均值的概率密度函數(shù)，利用概率密度函數(shù)積分計(jì)算，獲得該載荷條件下所需可靠度下的疲勞壽命。實(shí)施例11)確定鉆桿服役壽命預(yù)測的置信度為95％，誤差為5％，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過公式或者查表可以計(jì)算變異系數(shù)與最少試樣數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系如表1；2)制備鉆桿疲勞試樣，如圖1所示；3)計(jì)算鉆桿在服役過程中承受的交變應(yīng)力為620MPa，拉應(yīng)力為0MPa，依據(jù)試樣尺寸計(jì)算疲勞試驗(yàn)時(shí)的交變應(yīng)力載荷為7791N；4)完成10件試樣的壽命測試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，變異系數(shù)為0.0289，依據(jù)表1至少需4件試樣，試樣數(shù)量為10滿足表1要求；5)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算鉆桿剩余壽命對數(shù)平均值概率密度函數(shù)為其中，x為對數(shù)平均值，利用概率密度函數(shù)進(jìn)行積分可以分別計(jì)算獲得典型可靠度的鉆桿剩余壽命如表3所示。表1變異系數(shù)與試樣數(shù)量變異系數(shù)最少試樣數(shù)量m小于0.054170.0541～0.059880.0598～0.065090.0650～0.069910表2鉆桿的對數(shù)疲勞壽命表3典型可靠度下的剩余壽命可靠度剩余壽命50％20663390％13131099％9076199.9％69279實(shí)施例21)鉆桿服役壽命預(yù)測的置信度為95％，誤差為5％，計(jì)算變異系數(shù)與最少試樣數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系如表1；2)制備鉆桿疲勞試樣，如圖1；3)鉆桿在服役過程中承受的交變應(yīng)力取580MPa，拉應(yīng)力取0MPa，依據(jù)試樣尺寸計(jì)算疲勞試驗(yàn)時(shí)的交變應(yīng)力載荷為7288N；4)完成12件疲勞試樣的壽命測試，測試結(jié)果如表4所示，變異系數(shù)為0.0387，依據(jù)表1至少需5件試樣，試樣數(shù)量為12滿足表1要求；5)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算鉆桿剩余壽命概率密度函數(shù)為典型可靠度的鉆桿剩余壽命如表5所示。表4鉆桿的對數(shù)疲勞壽命試樣123456789101112對數(shù)疲勞壽命5.375.465.475.535.575.605.695.725.735.765.926.01表5典型可靠度下的鉆桿疲勞壽命本發(fā)明提供的一種預(yù)測鉆桿剩余壽命的方法，主要包括疲勞試驗(yàn)和理論計(jì)算兩個(gè)過程。從同批次鉆桿中選擇服役條件最為惡劣的1～2根鉆桿，從鉆桿管體靠近加厚結(jié)構(gòu)部位取樣，加工成圓棒試樣，試樣數(shù)量不小于7，依據(jù)鉆桿在服役過程中承載的工作載荷進(jìn)行疲勞壽命測試。試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算n件試樣疲勞壽命對數(shù)值的概率密度函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得該載荷條件下所需可靠度下的疲勞壽命。當(dāng)前第1頁1 2 3