﻿ 椭球缺陷连续管疲劳寿命分析

Analysis of Fatigue Life of the Coiled Tubing with Ellipsoidal Defect
Wang Zhenghan, Zhou Zhihong
School of Mechanical Engineering, Yangtze University
Abstract: To prevent the coiled tubing from breaking down during operation, the fatigue life of the coiled tubing with defects should be predicted. The deformation and fatigue of the coiled tubing with different size of ellipsoid defects without inner pressure during coiling and straightening have been simulated by finite element method. The corresponding fatigue life has been estimated by the equivalent strain method and the critical plane method respectively, and then the corresponding diagrams have been attained. The defect size includes different lengths, depths, and widths given the same other dimensions. The fatigue life changes with the defect size. The effect of defect length change is greater than the defect depth or width change on the coiled tubing fatigue life. The results of the study could help to improve the design level of coiled tubing and the prediction of the service life, and also to reduce the significant loss of personnel and property caused by fatigue.
Key words: coiled tubing     bending cycle     ellipsoid defect     equivalent strain     fatigue life

0 引言

1 缺陷疲劳的研究状况

 (1)

Δεeqp可以定义为八面体剪应变、最大剪应变、最大正应变和Von Mises等效应变等。不同的等效应变之间差异不大，对于某些工程应用，它们是有效的，且简单实用。

2 椭球缺陷连续管的疲劳寿命分析

 图 1 连续管卷绕模型及加载 Fig.1 The winding model and loading of coiled tubing

 图 2 连续管椭球缺陷网格划分 Fig.2 Meshing of the ellipsoid defect of the coiled tubing

2.1 宽度和深度不变而长度不同的椭球缺陷 2.1.1 等效应变法

 (2)

 (3)

i表示3个方向，即h为环向，x为轴向，r为径向 (分别为y方向、z方向、x方向)。εi, max表示在一次完整的卷绕矫直过程中某分量应变达到的最大值，εi, min则表示在一次完整的卷绕矫直过程中某分量应变达到的最小值。则该节点总的应变幅和平均应变为[8]

 (4)
 (5)

 (6)

Manson-Coffin公式为[8]

 (7)

 (8)

 (9)

 (10)
 (11)

2.1.2 临界面法

 (12)

 (13)

 (14)

 (15)

 图 3 应变分布云图 Fig.3 Strain distribution

 L1/mm εm等 N等 εm临 N临 0.3 0.020 18 112 0.019 39 120 0.4 0.015 96 172 0.015 71 177 0.5 0.014 27 213 0.013 68 231 0.6 0.012 66 268 0.012 45 277 0.7 0.012 24 287 0.011 93 302

 图 4 弯曲循环次数随椭球坑长度变化曲线 Fig.4 The effect of the length of ellipsoid pit on the number of bending cycles

2.2 长度和宽度不变而深度不同的椭球缺陷

 L2/mm εm等 N等 εm临 N临 0.2 0.013 20 247 0.012 75 265 0.3 0.015 01 194 0.014 00 221 0.4 0.016 59 160 0.015 66 178 0.5 0.017 20 150 0.016 07 170 0.6 0.017 90 139 0.017 14 151

 图 5 弯曲循环次数随椭球坑深度变化曲线 Fig.5 The effect of the depth of ellipsoid pit on the number of bending cycles

2.3 长度和深度不变而宽度不同的椭球缺陷

 L3/mm εm等 N等 εm临 N临 0.2 0.013 50 237 0.013 03 254 0.3 0.014 79 199 0.014 31 212 0.4 0.016 07 170 0.015 70 178 0.5 0.017 35 147 0.016 90 155 0.6 0.018 23 134 0.017 77 141

 图 6 弯曲循环次数随椭球坑宽度变化曲线 Fig.6 The effect of the width of ellipsoid pit on the number of bending cycles

3 结论

(1) 在其他方向尺寸不变的情况下，椭球缺陷长度越长，连续管疲劳寿命越长，椭球缺陷宽度越宽和深度越深，连续管疲劳寿命越短。如果3种方向尺寸变化范围一样，长度方向变化引起的弯曲循环次数范围大于深度方向和宽度方向引起的弯曲循环次数范围，深度方向变化引起的弯曲循环次数范围和宽度方向变化引起的弯曲循环次数范围差不多。这说明缺陷在笔者研究的图示位置时，缺陷尺寸在轴向的变化对疲劳寿命的影响大于环向和径向。

(2) 等效应变法和临界面法估算出的结果相差不大，但临界面法预估的疲劳寿命值略高于等效应变法预估的疲劳寿命值，从曲线的走向可以看出，2种方法算出的结果一致，具体哪种方法更接近实际值，还有待试验验证。

(3) 由于计算时间的限制，利用ANSYS仿真分析结合运用等效应变法和临界面法估算疲劳寿命时没有考虑累积损伤，得出的疲劳寿命值都高于准确值，因为在以后的弯曲循环过程中，会有累积的塑性应变增长，后几次弯曲循环的损伤高于前几次，但重点还是突出缺陷以及不同尺寸的缺陷对连续管疲劳寿命的影响。

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#### 文章信息

Wang Zhenghan, Zhou Zhihong

Analysis of Fatigue Life of the Coiled Tubing with Ellipsoidal Defect

China Petroleum Machinery, 2017, 45(5): 89-94.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.05.017