摘要 為考查D級(jí)空心抽油桿不同摩擦焊接工藝性能的可靠性,采用電測(cè)試驗(yàn)應(yīng)力法測(cè)試抽油桿焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)β。在靜拉伸條件下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，測(cè)得抽油桿焊接接頭平均應(yīng)力集中系數(shù)為1.0915,各應(yīng)力集中系數(shù)分散性較小,說(shuō)明摩擦焊接工藝穩(wěn)定可靠。在MTS—810材料試驗(yàn)機(jī)上做了抽油桿短桿接頭的疲勞試驗(yàn)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)分析D級(jí)空心抽油桿疲勞性能，獲得D級(jí)桿的P-S-N曲線和疲勞極限圖,求得存活率P=99.9%及對(duì)應(yīng)壽命N=107時(shí)抽油桿的*應(yīng)力水平為244.37MPa。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，按有關(guān)工藝制造的D級(jí)空心抽油桿疲勞強(qiáng)度滿足使用要求。
主題詞 空心抽油桿 性能 疲勞試驗(yàn)
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(jìn)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(jié)蠟的效果,從而大大提高抽油桿在稠油生產(chǎn)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(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。為考查空心抽油桿的制造工藝水平，對(duì)由35CrMo鋼制造的D級(jí)摩擦焊接空心抽油桿，經(jīng)過(guò)優(yōu)化篩選確定出A、B、C三種工藝參數(shù)，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(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并測(cè)試摩擦焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，對(duì)焊接工藝的可靠性進(jìn)行研究。
應(yīng)力集中系數(shù)測(cè)試與P-S-N曲線
1.抽油桿焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)β測(cè)試
為考查抽油桿不同摩擦焊接的工藝性能,測(cè)試了焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)β。分別在焊縫位置與桿體上沿軸向粘貼1mm×1mm電阻應(yīng)變片,采用YD—80應(yīng)變儀，在靜拉伸條件下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試,焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)β如表1所示。測(cè)得這批抽油桿焊接接頭平均應(yīng)力集中系數(shù)為1.0915,且各試件的應(yīng)力集中系數(shù)分散性較小,說(shuō)明焊接工藝穩(wěn)定可靠。
表1 抽油桿焊接接頭應(yīng)力集中系數(shù)β
| 試件號(hào) | 接頭應(yīng)力集中系數(shù) | 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(yàn) 常規(guī)機(jī)械性能檢驗(yàn)說(shuō)明3種焊接工藝均滿足要求。由于抽油桿在工作時(shí)承受交變載荷作用，為了檢驗(yàn)空心抽油桿的抗疲勞性能，對(duì)其進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。本次試驗(yàn)在MTS—810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。共有16根短桿試件，試件包括焊縫、接頭和接箍，試件總長(zhǎng)度800mm，加載水平分為三級(jí)，試驗(yàn)頻率為16Hz,*試驗(yàn)應(yīng)力分別取371、391和411MPa，取應(yīng)力比r=0.3。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。 表2 35CrMo鋼空心抽油桿疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù) |
| 試件 編號(hào) |
*應(yīng)力 (MPa) |
最小應(yīng)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(shù)估計(jì) 分布參數(shù)是根據(jù)樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)的，假設(shè)空心抽油桿在各級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命按對(duì)數(shù)正態(tài)分布［1，2］。首先把各級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命Ni取對(duì)數(shù)Xi,并依大小順序排列，即 由0＜N1≤N2≤…≤Nn 取 Xi=lgNi 得 -∞＜X1≤X2≤…≤Xn 對(duì)數(shù)疲勞壽命的均值和標(biāo)準(zhǔn)差S分別按式（1）和式（2）計(jì)算 對(duì)數(shù)平均壽命 (1) 標(biāo)準(zhǔn)差 (2) (3)指定存活率P下的疲勞壽命 式(1)求得的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值是指在存活率P=50%的對(duì)數(shù)疲勞壽命。采用最小二乘法，對(duì)存活率P=50%時(shí)的疲勞壽命進(jìn)行直線擬合，設(shè)直線方程為［1,2］ lgN=a+blgS (3) 式中 (4)
(5) 若要計(jì)算任意指定存活率P的疲勞壽命，可利用式(6) (6) 式中 ——對(duì)應(yīng)任一存活率P的對(duì)數(shù)安全疲勞壽命； uP——正態(tài)偏量。 (7) 式中 (8)
(9) 相關(guān)系數(shù) (10)
(11)
(12)
(13) 式中 Si——各級(jí)疲勞試驗(yàn)的*應(yīng)力水平； 表3 空心抽油桿P-S-N曲線數(shù)值 |
| 存活率P(%) | P-S-N曲線計(jì)算式 | 相關(guān)系數(shù)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(duì)應(yīng)壽命N=107時(shí)抽油桿的*應(yīng)力水平為
σN=107=σr=244.37MPa (18)
圖1 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的P-S-N曲線 圖2 35CrMo鋼空心抽油桿P-S-N曲線 結(jié) 論 (1)抽油桿焊接接頭平均應(yīng)力集中系數(shù)為1.0915,且各試件之間應(yīng)力集中系數(shù)的分散性較小,說(shuō)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(xiàn) 1 高鎮(zhèn)同.疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1986：149～157 |
