摘要 為考查D級空心抽油桿不同摩擦焊接工藝性能的可靠性,采用電測試驗應力法測試抽油桿焊接接頭的應力集中系數β。在靜拉伸條件下進行應變測試，測得抽油桿焊接接頭平均應力集中系數為1.0915,各應力集中系數分散性較小,說明摩擦焊接工藝穩(wěn)定可靠。在MTS—810材料試驗機上做了抽油桿短桿接頭的疲勞試驗，采用數理統(tǒng)計方法統(tǒng)計分析D級空心抽油桿疲勞性能，獲得D級桿的P-S-N曲線和疲勞極限圖,求得存活率P=99.9%及對應壽命N=107時抽油桿的*應力水平為244.37MPa。統(tǒng)計結果表明，按有關工藝制造的D級空心抽油桿疲勞強度滿足使用要求。
主題詞 空心抽油桿 性能 疲勞試驗
Fatigue test of grade D sucker rod
Fang Jun
(University of Petroleum, Dongying City, Shandong Province),
Yan Xiangzhen, Sun Nengfu, et al.
Fatigue test of grade D sucker rod. CPM, 1999, 27(9): 16～18
In order to examine the reliability of different friction welding technologies for grade D hollow sucker rod, the stress concentration coefficients of sucker rod welding joints are tested with the electrometrical test method. Strain test made under static tension shows that, the stress concentration coefficients of the rod welding joints vary in a fairly narrow range, and the mean value is 1.0915, this means the friction welding technology is stable and reliable. Fatigue test of sucker rod substitutes is made on Model MTS—810 material test machine. The fatigue property of grade D hollow rod is analyzed by using the mathematical statistics method, and the P-S-N curve and fatigue limit diagram are obtained. The calculation shows that the maximum stress of sucker rod is 244.37MPa when the livability is 99.9% and the corresponding life is 107. The statistics result proves the fatigue strength of grade D hollow rod manufactured with relevant technologies satisfying operation requirements.
Subject Concept Terms hollow sucker rod property fatigue test
使用空心抽油桿能進行電加熱或注蒸汽加熱，有效地降低井液的粘稠性，并具有熔蠟和防止結蠟的效果,從而大大提高抽油桿在稠油生產中的疲勞壽命。在空心抽油桿的研制中，接頭位置摩擦焊縫的工藝可靠性是控制空心抽油桿質量的關鍵技術。為考查空心抽油桿的制造工藝水平，對由35CrMo鋼制造的D級摩擦焊接空心抽油桿，經過優(yōu)化篩選確定出A、B、C三種工藝參數，加工成短桿試件。試件分A、B、C三類,分別代表三種優(yōu)選出的不同摩擦焊接工藝。抽油桿規(guī)格為35mm×5.5mm，按照有關標準進行疲勞試驗，并測試摩擦焊接接頭的應力集中系數，對焊接工藝的可靠性進行研究。
應力集中系數測試與P-S-N曲線
1.抽油桿焊接接頭的應力集中系數β測試
為考查抽油桿不同摩擦焊接的工藝性能,測試了焊接接頭的應力集中系數β。分別在焊縫位置與桿體上沿軸向粘貼1mm×1mm電阻應變片,采用YD—80應變儀，在靜拉伸條件下進行應變測試,焊接接頭的應力集中系數β如表1所示。測得這批抽油桿焊接接頭平均應力集中系數為1.0915,且各試件的應力集中系數分散性較小,說明焊接工藝穩(wěn)定可靠。
表1 抽油桿焊接接頭應力集中系數β
| 試件號 | 接頭應力集中系數 | 平均值 |
| A1 | 1.0945 | 1.0954 |
| A2 | 1.0963 | |
| B1 | 1.0993 | 1.1038 |
| B2 | 1.1083 | |
| C1 | 1.0746 | |
| C2 | 1.0878 | 1.0807 |
| C3 | 1.0796 | |
| 總平均 | 1.0915 |
| 2.空心抽油桿的P-S-N曲線 (1)疲勞試驗 常規(guī)機械性能檢驗說明3種焊接工藝均滿足要求。由于抽油桿在工作時承受交變載荷作用，為了檢驗空心抽油桿的抗疲勞性能，對其進行了疲勞試驗。本次試驗在MTS—810材料試驗機上進行。共有16根短桿試件，試件包括焊縫、接頭和接箍，試件總長度800mm，加載水平分為三級，試驗頻率為16Hz,*試驗應力分別取371、391和411MPa，取應力比r=0.3。疲勞試驗數據見表2。 表2 35CrMo鋼空心抽油桿疲勞試驗數據 |
| 試件 編號 |
*應力 (MPa) |
最小應力 (MPa) |
循環(huán)壽命 Ni(×106) |
斷裂 位置 |
| A1 | 371 | 123.7 | ＞1.1 | |
| A2 | 0.701 | 焊縫 | ||
| B1 | 0.892 | 焊縫 | ||
| B2 | 0.318 | 焊縫 | ||
| C1 | ＞1.1 | |||
| C2 | 0.782 | 母材 | ||
| C3 | 0.548 | 焊縫 | ||
| A-3 | 391 | 130.3 | 0.285 | 焊縫 |
| A-4 | 0.185 | 焊縫 | ||
| B-3 | 0.362 | 焊縫 | ||
| B-4 | 0.301 | 焊縫 | ||
| C-4 | 0.470 | 焊縫 | ||
| A-5 | 411 | 137.0 | 0.140 | 焊縫 |
| B-5 | 0.103 | 焊縫 | ||
| C-5 | 0.147 | 焊縫 | ||
| C-6 | 0.095 | 焊縫 |
| (2)參數估計 分布參數是根據樣本的試驗數據進行估計的，假設空心抽油桿在各級應力水平下的疲勞壽命按對數正態(tài)分布［1，2］。首先把各級應力水平下的疲勞壽命Ni取對數Xi,并依大小順序排列，即 由0＜N1≤N2≤…≤Nn 取 Xi=lgNi 得 -∞＜X1≤X2≤…≤Xn 對數疲勞壽命的均值和標準差S分別按式（1）和式（2）計算 對數平均壽命 (1) 標準差 (2) (3)指定存活率P下的疲勞壽命 式(1)求得的對數疲勞壽命均值是指在存活率P=50%的對數疲勞壽命。采用最小二乘法，對存活率P=50%時的疲勞壽命進行直線擬合，設直線方程為［1,2］ lgN=a+blgS (3) 式中 (4)
(5) 若要計算任意指定存活率P的疲勞壽命，可利用式(6) (6) 式中 ——對應任一存活率P的對數安全疲勞壽命； uP——正態(tài)偏量。 (7) 式中 (8)
(9) 相關系數 (10)
(11)
(12)
(13) 式中 Si——各級疲勞試驗的*應力水平； 表3 空心抽油桿P-S-N曲線數值 |
| 存活率P(%) | P-S-N曲線計算式 | 相關系數R |
| 99.9 | lgN99.9=30.3403969-9.77382lgS | -0.99657 |
| 99 | lgN99=35.1076155-11.56989lgS | -0.99716 |
| 50 | lgN50=47.195187-16.099467lgS | -1 |
| 由表3求得存活率P=99.9%,對應壽命N=107時抽油桿的*應力水平為
σN=107=σr=244.37MPa (18)
圖1 雙對數坐標下的P-S-N曲線 圖2 35CrMo鋼空心抽油桿P-S-N曲線 結 論 (1)抽油桿焊接接頭平均應力集中系數為1.0915,且各試件之間應力集中系數的分散性較小,說明焊接工藝穩(wěn)定可靠。 作者單位:房 軍 閻相禎 石油*.華東 參 考 文 獻 1 高鎮(zhèn)同.疲勞應用統(tǒng)計學.北京:國防工業(yè)出版社,1986：149～157 |
