基于ANSYS/LS-DYNA的V150油套管热矫直残余应力

基于有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立V150油套管热矫直的三维有限元模型,研究矫直后环向和轴向残余应力的分布规律,并利用X线衍射法测最了矫直管内表面环向残余应力.结果表明:环向和轴向残余应力呈螺旋状分布,螺旋接触带与管体轴向成58°的夹角,与矫直辊倾角互余,相邻的2个螺旋接触带之间的距离约为350 mm,基本等于矫直管的螺距(349 mm);环向残余应力具有外拉内压规律,轴向残余应力外表面以拉应力为主,内表面拉压应力并存,压应力极大值出现在壁厚中部;矫直管内表面环向残余应力的实测值为-189～-489MPa,模拟数值为-130～-480MPa,两者吻合良好,表明建立的矫直模型是可靠的.     

不同截面类型钢管膨胀混凝土组合柱受力性能对比试验研究

为研究不同截面类型钢管膨胀混凝土组合柱的膨胀机理以及力学性能,采用试验研究的方法进行了单向限制膨胀混凝土的膨胀性能试验,圆形截面组合柱、方形截面组合柱、矩形截面组合柱养护期膨胀自应力以及轴压极限承载力试验,轴压试验中还采用了声发射检测技术进行辅助测试.试验结果表明:截面类型的差异并不影响钢管膨胀混凝土组合柱的膨胀模式以及轴压破坏趋势,但由于约束效应的不同,截面形式不同的试件在自应力与轴压承载力上会存在差异;声发射特征参数能很好地表征钢管膨胀混凝土组合柱轴压破坏的受力特征以及变化规律,声发射检测技术可应用于钢管内部核心混凝土损伤的评判以及轴压破坏阶段的预测.     

双相不锈钢管道焊接残余应力参数的数值模拟

焊接残余应力一直为人们所关注，其大小和分布与焊接热源、接头形式和材料性能等多种因素有关，作者利用热弹塑性理论为基础的有限元数值模拟技术，对SAF2205双相不锈铜管道接头环焊缝残余应力进行有限元数值模拟，得到了管道内外表面残余应力的分布规律，即，在管道的焊缝及近缝区，内表面轴向残余应力是拉伸应力，外表面轴向残余应力是压缩应力，而内外表面环向残余应力都是拉应力；研究了不同的焊接线能量、管内径与壁厚比值R1／d和多层焊对焊接残余应力的影响，结果表明，残余应力受焊接能量变化的影响不大，外表面残余应力和内表面轴向残余应力部随着壁厚增大而增大，多层焊的残余应力有不同程度降低。     

焊接π形截面残余应力试验及分布模型

为研究焰切边焊接π形截面钢构件残余应力分布形式及大小,采用分割法对5个不同尺寸的Q345Bπ形截面构件进行试验研究.通过测得的截面各板件残余应力,分析了板件宽厚比对残余应力分布的影响及各板件残余应力的自平衡性.研究结果表明:π形截面构件翼缘、腹板残余压应力与板件宽厚比有直接关系;焊缝附近残余拉应力与板件厚度有关,与板件宽厚比相关性不明显;π形截面3块板件的残余应力分别满足自平衡性.提出了适用于不同尺寸的π形截面构件残余应力分布模型及计算公式,可为π形截面构件的进一步研究与应用提供参考依据.     

膨胀管膨胀参数优化和膨胀模拟

为了使膨胀管的膨胀过程顺利进行,研究了膨胀锥锥角、膨胀锥与膨胀管之间的摩擦因数等参数对壁厚减薄量、轴向长度收缩量和膨胀力的影响,并优化了膨胀参数.在参数优化的基础上,利用ANSYS有限元分析软件对X52膨胀管的实际膨胀过程进行了模拟,结果表明:膨胀管膨胀后壁厚变薄,轴向长度收缩;轴向和环向的残余应力较大,其他方向的残余应力较小;膨胀力随着膨胀过程的进行呈现一定的变化规律.通过试验结果和模拟结果的比较,验证了模拟的合理性.     

石油膨胀套管的力学性能及膨胀后的残余应力

针对选用的X52石油膨胀套管,通过不同的热处理工艺进一步改善其膨胀性能,研究了膨胀加工前后材料性能的变化规律.对于经扩径膨胀率达20%的管材,使用应力释放法测量了膨胀前后内外壁及焊缝熔合区、热影响区的轴向和环向残余应力.结果表明:经扩径膨胀后,管外壁的轴向和环向残余应力均为残余压应力,焊缝熔合区和热影响区的残余应力由拉应力向压应力转化,其中轴向残余应力变化幅度较大;管内壁膨胀后轴向与环向的残余应力均为残余拉应力.另外,对于不同膨胀率下力学性能与残余应力之间的关系中呈现的异常现象也进行了分析.     

圆钢管混凝土短柱的火灾后剩余承载力研究

在提出火灾全过程各阶段中钢管和核心混凝土应力-应变关系模型的基础上,采用有限元软件ABAQUS中的热-应力耦合分析模块计算了ISO-834标准火灾全过程作用后圆钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形关系曲线,计算结果和试验结果基本吻合.对火灾全过程中圆钢管混凝土轴压短柱的荷载-变形关系、钢管和核心混凝土的截面应力分布以及两者之间的相互作用进行了分析,探讨了升温时间、初始荷载、截面含钢率、钢材强度、混凝土强度、防火保护层厚度和截面尺寸等参数对圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的影响规律,最终提出了圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的简化计算公式.     

不锈钢焊接箱形截面残余应力试验与分布模型

通过焊接加工奥氏体型S30408和双相型S22253两种材料牌号的8个不锈钢箱形截面试件,利用线切割将试件截面完全分割成条带,采用Whittemore手持应变仪量测各条带上释放的残余应变,从而测得试件截面上的残余应力大小与分布形态.试验结果表明,试件截面内残余拉应力峰值一般低于材料的名义屈服强度,奥氏体型S30408和双相型S22253两种不锈钢试件分别达到其名义屈服强度的80%和60%;而组成板件残余压应力的峰值随板件宽厚比的增大而降低.根据整理得出的残余应力量测结果,基于原有普通钢材焊接箱形截面的残余应力分布模型,提出了能够准确预测不锈钢焊接箱形截面残余应力分布的简化模型.测得的残余应力数据和提出的简化分布模型适用于不锈钢结构构件稳定性的相关研究.     

高强度Q460钢焊接截面高温作用后残余应力

为了得到高温作用对高强度Q460钢焊接截面残余应力的影响,采用电炉对高强度Q460钢焊接H形和箱形截面构件进行升温后自然降温.采用切条法测试构件降温后残余应力的分布作为对比,测试了未升温试件的残余应力.试验得到了高温后焊接H形和箱形截面残余应力数值和不同温度后残余应力降低系数.采用有限元软件ANSYS分析了残余应力的降低对高温下Q460钢柱承载力的影响.研究表明:高温作用对焊接残余应力影响较大,升温温度越高,残余应力降低越大.残余应力的降低对高温下Q460钢柱的承载力产生明显影响,与不考虑残余应力变化相比,钢柱的承载力设计值可提高10%左右.     

预应力硬态切削的残余应力及表面形态

理论分析和实践表明,已加工表面上合适的残余压应力分布能提高机器零部件的表面质量和接触疲劳寿命.文中针对轴承套圈外滚道表面的残余应力问题,采用预应力硬态切削方法,来主动控制轴承零件加工表面的残余应力状态,提高轴承零件的疲劳寿命.通过切削实验对比,分析了硬态干式切削、预应力硬态切削和磨削三种方法加工轴承套圈得到的加工表面残余应力和加工表面硬度,并对轴承套圈的加工表面形貌和状态进行了研究.结果表明,预应力硬态切削方法可以在轴承套圈加工表面获得合适的残余压应力状态和良好的表面质量.     

深水环空圈闭压力的破裂盘泄压控制模型

井筒高温流体在生产过程中,向密闭环空传热引起的环空圈闭压力上升现象是深水油气开采面临的主要问题之一。为了保障井筒安全,结合深水油气井的生产实际,基于拟稳态传热以及耦合压力体积的环空压力计算方法,建立了多环空圈闭压力预测模型。根据破裂盘工作原理,建立了由内向外和由外向内的破裂盘打开阀值确定方法。以西非某井为例,对生产过程中井筒温度和环空压力进行预测。套管强度校核结果表明,正常生产过程中,表层套管和技术套管存在胀破风险;在生产套管的环空泄压或者掏空后,生产套管存在挤毁风险。采用破裂盘技术后,各层套管均满足校核的要求。因此,破裂盘技术可有效实现套管的保护,对深水油气资源安全开采具有重要意义。     

轴向压力对螺旋屈曲管柱强度安全性影响分析

为校核螺旋屈曲管柱的强度安全性,基于弹簧理论与第四强度理论,推导出螺旋屈曲状态下管柱内、外侧相当应力的计算公式,并以油田常用规格油套管为例,探讨了轴向压力对管柱内、外侧最大相当应力的影响。算例结果表明,螺旋屈曲管柱内侧最大相当应力恒大于外侧;管柱内、外侧最大相当应力随轴向压力的增大而增大。轴向压力由200KN增大至800KN时,管柱内、外侧最大相当应力分别增大170%和413.8%。研究弥补了传统管柱力学分析的不足,提供了螺旋屈曲管柱安全性研究新方法,同时也可为现场安全施工提供参考。     

膨胀管技术中膨胀芯头锥角设计

膨胀套管技术是20世纪90年代才兴起的一门节约井眼直径的钻井技术,在我国还处于理论探索阶段。用ADINA软件中的弹塑性有限元接触问题建立了可膨胀管膨胀过程的力学模型,通过对膨胀芯头锥角α的不同取值,在相同工况下对N-80钢级材料的244.5 mm(95/8″)套管膨胀至298.4 mm(113/4″)的膨胀过程进行详细的计算机模拟分析,并且在定性和定量地比较套管膨胀后的等效应力、接触压力、残余应力、膨胀芯头所需的推动力以及套管轴向收缩量的基础上,得出了膨胀芯头的锥角α取值为12.3°时更有利于膨胀套管的膨胀,为膨胀芯头的结构设计提出了依据。     

残余应力对石油套管承载能力的影响分析

在套管的生产过程中产生的残余应力将降低套管的屈服极限,进而降低了套管的承载能力.长期以来,这个问题一直没有引起人们的充分重视而加以克服.为此,根据弹性力学理论,建立了套管的力学模型,通过有限元分析和计算,得到了存在残余应力的情况下套管的承载能力.计算分析表明,残余应力在很大程度上影响着套管的承载能力,因此,为了提高套管的承载能力,应尽量降低管体的残余应力.     

套管抗挤强度分析及计算

为提高套管挤毁压力预测精度,应用统计方法对213根套管全尺寸挤毁试验数据进行了方差分析,研究了外径不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响。分析结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要因素,不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响呈随机性分布。利用有限元方法对外径不圆度、壁厚不均度和残余应力的不同位置组合进行了模拟分析。结果表明,数值相同的外径不圆度、壁厚不均度及平均残余应力组合不同时,套管的挤毁压力相差很大。最后提出了一个套管抗挤强度计算公式,计算简单,精度可满足工程要求。     

大位移井下套管受力分析和计算

通过分析套管柱在下入过程中的受力 ,导出了套管柱在大位移井中的三维力学模型 .该模型综合考虑了井斜角和方位角的变化、套管柱内外密度的不同、内外泥浆的压力以及套管自身的几何参数、物理参数等因素的影响 .通过对模型的求解 ,可以得到不同井眼类型、泥浆密度、悬浮长度以及不同下套管方案下的套管受力 ,为大位移井下套管作业提供了力学参考 .该模型所开发的软件可用于大位移井下套管摩阻预测和下套管方式的选择 .用该软件对两实例加以验证 ,预测结果与实测结果吻合较好 .     

一种新的残余应力测试方法研究

本文把重建方法于残余应力的测试,具有无损和确定零部件表面及内部的热致残余应力大小和分布的特点。     

逆解法求封隔器胶筒与石油套管内壁挤压应力

由于胶筒位于套管内部，周围有油和水，工作环境极复杂，无法用直接测量或数值法得到挤压应力。作者利用电测法测出套管外壁应变，再结合有限元法，由测得的应变反算出封隔器胶筒与套管之间的挤压应力。结果表明，成功地为研究胶筒封隔器的工作状态提供了有效方法，并可为优化设计提供有价值的数据。     

体积压裂套管剪切变形载荷分析及强度设计

页岩气开发过程中井筒穿越天然裂缝/断层,体积压裂时天然裂缝/断层容易被激活,导致套管剪切变形,套管内径缩小,井下工具无法下入。目前对套管剪切变形条件下的受力分析较少,现有研究主要采用套管Mises应力屈服准则判断套管失效,该准则对于套管大剪切变形问题已不适用。为探究天然裂缝/断层滑移导致的套管剪切变形问题,建立套管-水泥环-地层组合体有限元模型,对位移载荷作用下的套管力学行为进行研究。分析了各因素对套管受力及缩径量的影响,并提出套管缩径量与应力相结合的套管外载设计方法。研究结果表明:套管剪应力及Mises应力随地层滑移量增大而增大,在10 mm滑移量作用下,套管Mises应力已超过屈服强度,建议采用剪切载荷进行强度校核;套管缩径量主要集中在距离滑移面1 m范围内,套管局部区域出现膨胀现象;考虑套管变形量的载荷设计可以有效防止体积压裂过程中套管变形导致压裂工具无法下入的问题。     

计算膨胀管膨胀力的新方程

膨胀管技术的关键在于膨胀管的选材、螺纹联接以及膨胀机构;膨胀力是设计、验算膨胀工具强度的重要依据。在考虑钢材的性能,井眼中的管柱空间形状、膨胀工艺、膨胀芯头的锥角以及膨胀芯头与套管内壁的润滑状况等因素对膨胀力影响的基础上,结合管柱塑性性能和塑性变形理论,采用主应力法得出了计算膨胀力的解析方程,并进行了实验模拟。实验数据和理论计算结果吻合较好,证明该膨胀力计算公式是可靠的,可以应用到工程中解决实际问题。