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抽油杆疲劳损伤界限的研究

作　者: 仇杰
导　师: 董世民
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 抽油杆剩余寿命疲劳损伤界限断裂力学疲劳实验有限元
分类号: TG115.57
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 247次
引　用: 2次
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内容摘要

抽油杆是抽油机井中重要的机械部件,由于其在使用过程中,长期承受交变载荷的作用,加之井内液体腐蚀、作业施工起下管柱以及使用年限等原因,造成抽油杆疲劳断裂,增加了作业施工井次,严重影响了抽油机井正常生产。为了科学合理地制定抽油杆的判废标准,以指导抽油杆的合理使用和控制抽油杆断裂事故,定量制定抽油杆不同类型缺陷的疲劳界限值是目前急待解决的问题。本文在研究抽油杆柱载荷与应力循环特性的基础上,通过理论与室内实验研究,建立抽油杆疲劳损伤界限值的制定方法,制定抽油杆使用年限的疲劳界限和不同类型缺陷的疲劳界限。建立抽油杆柱载荷与应力循环特性的仿真模型,开发相应的计算机仿真软件。仿真分析含水率、动液面2个油井参数与冲程长度、冲次、泵径3个抽汲参数对悬点最大载荷、最小载荷、杆柱顶端应力使用系数的影响。基于材料力学的基本理论,开展了抽油杆疲劳强度计算,并进行无损伤抽油杆疲劳界限的实验研究。基于断裂力学的基本理论,研究抽油杆杆体表面裂纹的应力强度因子,断裂准则、裂纹门槛值、裂纹扩展规律和抽油杆疲劳裂纹界限等内容,给出原始裂纹尺寸大于门槛尺寸的抽油杆剩余寿命的表达式,并编制临界裂纹尺寸、门槛裂纹尺寸、抽油杆剩余寿命的计算软件。开展了抽油杆疲劳裂纹界限值的实验研究,确定疲劳试件裂纹深度的临界尺寸。提出一种确定抽油杆损伤界限的疲劳强度的计算方法。采用有限元软件ANSYS计算有缺陷抽油杆最大等效应力,计算应力集中系数,并根据疲劳强度理论制定疲劳源的界限值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-22
  1.1 课题研究目的及意义  11-12
  1.2 抽油机井举升装备技术综述  12-14
    1.2.1 抽油机  12
    1.2.2 抽油泵  12-13
    1.2.3 抽油杆  13
    1.2.4 抽油机拖动与控制装置  13
    1.2.5 其它配套技术  13-14
  1.3 抽油杆疲劳损伤界限的国内外研究现状  14-20
    1.3.1 抽油杆柱动态与载荷计算方法研究的进展  14-18
    1.3.2 抽油杆疲劳损伤界限研究工作的进展  18-20
  1.4 本课题的研究内容  20-22
第2章抽油杆柱载荷与应力特征的仿真分析  22-47
  2.1 抽油杆柱轴向振动仿真的力学与数学模型  22-28
    2.1.1 抽油机悬点运动规律的仿真模型  24-26
    2.1.2 柱塞液体负荷时间函数的仿真模型  26-28
  2.2 抽油杆柱轴向振动仿真的数值仿真模型  28-34
    2.2.1 波动方程的差分形式  29-33
    2.2.2 边界条件及其差分形式  33-34
    2.2.3 初始条件  34
  2.3 悬点载荷的仿真模型  34-36
    2.3.1 泵阀水力阻力  34-35
    2.3.2 柱塞与泵筒之间的液体摩擦力  35
    2.3.3 盘根摩擦力  35-36
    2.3.4 悬点载荷  36
  2.4 杆柱危险截面应力与许用应力计算模型  36-38
    2.4.1 危险截面与循环应力  36-37
    2.4.2 疲劳强度计算方法  37-38
  2.5 抽油杆柱载荷与应力特征影响因素的仿真分析  38-46
    2.5.1 抽油杆柱动态仿真软件  38-40
    2.5.2 悬点载荷与杆柱顶端应力循环特征的仿真分析  40-46
  2.6 本章小结  46-47
第3章抽油杆使用年限疲劳界限的研究  47-55
  3.1 抽油杆疲劳强度的计算方法  47-50
    3.1.1 抽油杆柱的服役条件  47
    3.1.2 抽油杆柱的失效形式  47-48
    3.1.3 抽油杆柱的应力计算  48
    3.1.4 抽油杆柱的疲劳强度计算  48-50
  3.2 无损伤抽油杆疲劳界限的实验研究  50-54
    3.2.1 实验装置及试样制备  50-51
    3.2.2 实验过程及结果  51-52
    3.2.3 疲劳强度计算结果与实验结果对比分析  52-54
  3.3 本章小结  54-55
第4章抽油杆疲劳裂纹界限的研究  55-71
  4.1 抽油杆疲劳裂纹界限的断裂力学研究  55-68
    4.1.1 抽油杆表面裂纹应力强度因子  55-62
    4.1.2 抽油杆断裂准则  62
    4.1.3 裂纹门槛值  62-64
    4.1.4 裂纹扩展规律  64-67
    4.1.5 抽油杆疲劳裂纹界限的理论分析  67
    4.1.6 计算软件  67-68
  4.2 抽油杆疲劳裂纹界限值的实验研究  68-70
    4.2.1 试验装置及试样制备  68
    4.2.2 试验结果及讨论  68-70
  4.3 本章小结  70-71
第5章抽油杆损伤界限的疲劳强度计算方法  71-91
  5.1 考虑损伤缺陷的抽油杆疲劳强度计算方法  71-73
    5.1.1 疲劳试件切口应力集中系数的有限元分析  71-72
    5.1.2 抽油杆疲劳强度校核方法  72-73
  5.2 抽油杆裂纹界限值的疲劳强度计算  73-78
    5.2.1 疲劳试件裂纹应力集中系数的有限元分析  73-76
    5.2.2 抽油杆疲劳裂纹界限值  76-78
  5.3 抽油杆表面腐蚀斑痕界限值的疲劳强度计算  78-83
    5.3.1 抽油杆表面腐蚀斑痕应力集中系数的有限元分析  78-82
    5.3.2 抽油杆腐蚀斑痕界限值  82-83
  5.4 抽油杆弯曲角度界限值的疲劳强度计算  83-86
    5.4.1 抽油杆局部弯曲应力集中系数的有限元分析  83-85
    5.4.2 抽油杆弯曲角度界限值  85-86
  5.5 抽油杆磨损量界限值的疲劳强度计算  86-90
    5.5.1 偏磨抽油杆应力集中系数的有限元分析  86-89
    5.5.2 抽油杆偏磨深度界限值  89-90
  5.6 本章小结  90-91
结论  91-93
参考文献  93-97
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  97-98
致谢  98-99
作者简介  99

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