Довговічність трубних колон за складного напружено-деформованого стану

Abstract

Метою статті є розроблення методу прогнозування довговічності трубних колон, враховуючи як нормальні, так і дотичні напруження в їх поперечному перерізі. Для розв’язання поставлених задач застосовували методи кінетичної теорії втоми та методи теорії міцності. В результаті досліджень отримано трипараметричне рівняння кривої втоми, одним із аргументів якого є приведена до симетричного циклу навантажування величина еквівалентного напруження асиметричного циклу, що враховує як нормальну, так і дотичну компоненту внутрішніх зусиль у небезпечному перерізі. Розрахунки свідчать, що зростання величини дотичних напружень у поперечному перерізі трубної колони при незмінному рівні нормальних, призводить до суттєвого зменшення довговічності. Так, для бурильних труб умовним діаметром 114 мм за величини нормального напруження 60 МПа втомна довговічність зменшується до дев’яти разів при зростанні дотичного напруження від 0 до 60 МПа. Обчислення, проведені для інших елементів бурильної колони, свідчать, що ця відмінність може сягати двадцяти п’яти разів. Результати розрахунків також засвідчили, що вплив дотичних напружень на втомну довговічність менш відчутний на вищому рівні нормальних напружень. Так, при рівні нормального напруження 135 МПа у вже згаданому типорозмірі бурильних труб за того ж діапазону зміни дотичного напруження спостерігається зменшення довговічності до трьох разів.

Целью статьи является разработка метода прогнозирования долговечности трубных колонн с учетом как нормальных, так и касательных напряжений в их поперечном сечении. Для решения поставленных задач использовались методы кинетической теории усталости и методы теории прочности. В результате исследований полученo трехпараметрическое уравнения кривой усталости, одним из аргументов которого является приведенная к симметричному циклу нагрузки величина эквивалентного напряжения асимметричного цикла, которая учитывает как нормальную, так и касательную компоненту внутренних усилий в опасном сечении. Расчеты показали, что рост величины касательных напряжений в поперечном сечении трубной колонны при неизменном уровне нормальных, приводит к существенному уменьшению долговечности. Например, для бурильных труб условным диаметром 114 мм при величине нормального напряжения 60 МПа уста- лостная долговечность уменьшается до девяти раз при росте касательного напряжения от 0 до 60 МПа. Вычисления, проведенные для других элементов бурильной колонны, показали, что разница может достигать двадцати пяти раз. Результаты расчетов также показали, что влияние касательных напряжений на усталостную долговечность менее ощутимо на высшем уровне нормальных напряжений. Так, при уровне нормального напряжения 135 МПа в уже упомянутом типоразмере бурильных труб с тем же диапазоном изменения касательного напряжения наблюдается уменьшение долговечности до трех раз.

The purpose of the article is to develop the method of predicting the pipe strings longevity, taking into account both normal and shear stresses in their cross section. To solve these objectives the methods of kinetic fatigue theory and theory of strength have been applied. In the process of research the three-parameter equality of fatigue curve has been obtained, one parameter of which is a value of the asymmetric cycle equivalent stress resulted in the reversed stress cycle. This value takes into account both normal and shear stress component of internal forces in dangerous section. The calculations have shown that the value increase of shear stresses in the pipe string cross section under the unchangeable level of normal stresses leads to the substantial decrease of longevity. For example, for pipe strings with 114 m in diameter under the normal stress of 60 MPa, the fatigue life is reduced to 9 times under the growth of shear stress from 0 to 60 MPa. The calculations, conducted for other elements of a pipe string have shown that the difference can reach as high as 25 times. The calculations results have also shown that the influence of shear stresses on the fatigue longevity is not so tangible at higher level of normal stresses. Under the level of normal stress of 135 MPa in the abovementioned standard size of drill strings with the same range of the shear stress change, there is the reduction of longevity to 3 times.