含Cl-服役环境中油井管的腐蚀疲劳寿命评估与可靠性研究

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油井管材料在实际服役工况下会受到腐蚀介质和交变载荷的共同作用,两者的交互作用会加速损伤,降低油井管的抗疲劳性能,影响其服役寿命。因此,研究油井管材料的腐蚀疲劳行为并对其寿命进行可靠性分析具有重要的工程实际意义。本文旨在重点研究交变载荷与腐蚀环境交互作用下的油井管材料的寿命预测及寿命可靠性分析,以实验分析为基础,结合现有疲劳寿命预测模型,建立一套适用于油井管材料腐蚀疲劳可靠性研究方法,为油井管安全服役提供理论和数据支持。
  以油田中常用的C110钢为研究对象,通过开展不同应力水平、Cl-浓度及加载频率下的腐蚀疲劳试验。C110钢的腐蚀疲劳试验采用试验法和解析法,利用统计学和概率论知识对C110钢进行腐蚀疲劳寿命评估及可靠性分析,主要得到以下结论:
  (1)在不同腐蚀环境下,分析C110钢的腐蚀疲劳循环特征,结果表明在三种腐蚀环境下C110钢均呈现初始循环硬化后循环软化的特征,并且C110钢的循环硬化/循环软化特征与Cl-浓度密切相关,Cl-浓度越低,C110材料在循环加载初期的循环硬化现象越显著,随着Cl-浓度的增大,材料在循环后期的循环软化速率越快。
  (2)分析应力幅、Cl-浓度及加载频率对C110钢腐蚀疲劳寿命的影响。分析得出:在给定的应力比下,随着应力水平的降低,C110钢的腐蚀疲劳寿命显著增大,且C110钢的腐蚀疲劳寿命下降幅度逐渐减小,腐蚀疲劳寿命曲线趋于平缓;在频率一定的条件下,C110钢的腐蚀疲劳寿命总体趋势是随着Cl-浓度的增大而减小,且腐蚀疲劳寿命的降幅随Cl-浓度的升高呈先增大后减缓的趋势;在不同浓度的盐溶液中,C110钢的腐蚀疲劳寿命随着加载频率的增大均呈现上升趋势,且增幅不断增大;对比分析Cl-浓度和载荷循环频率对C110钢的腐蚀疲劳寿命的影响可得,腐蚀损伤与疲劳损伤间是存在一定的竞争关系。
  (3)对C110钢的腐蚀疲劳寿命进行正态性分布检验可得,腐蚀疲劳寿命服从对数正态分布。对成组法得到的腐蚀疲劳中值寿命进行拟合,获得中值应力寿命表达式。采用Basquin模型和Weibull三参数模型两种疲劳寿命预测模型对C110钢的腐蚀疲劳寿命进行拟合,对比分析可得Basquin模型拟合精度更高,更适用于描述C110钢的腐蚀疲劳S-N曲线。
  (4)采用Basquin模型进一步得到C110钢在不同加载应力下具有95%置信水平和不同可靠度的P-S-N曲线。
  
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