石油管Ⅰ型裂紋斷裂韌度與屈服強度的相關性研究

蔣林 施太和 郭西水 許紅林 李 彬

(西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500)

傳統(tǒng)的石油管優(yōu)選技術主要以屈服強度σs作為重要指標，進行石油管材料的研制、測試和選用［1］。近年來，隨著鉆井井深增加，石油管服役工況變得更加惡劣，石油管斷裂成為嚴重影響建井安全的主要失效形式［2］。實踐中通常以斷裂力學為基礎進行石油管的選材和設計，斷裂韌度KIC作為石油管斷裂的重要指標［3-5］。

API石油管標準未就石油管斷裂性能及其測試方式作出具體規(guī)定［6］，國內(nèi)外學者對石油管屈服強度與斷裂韌度的關系也無統(tǒng)一認識。斷裂韌度的測試方法較多，測試時斷裂韌度會受尺寸、溫度、加載速率等諸多因素的影響［7-9］。本次研究中采用的示波沖擊試驗設備，可使裂紋擴展在瞬間完成，并能精確記錄載荷 -位移曲線及能量-位移曲線。

為了體現(xiàn)研究的實用性和適用性，對8種石油管材料進行拉伸和沖擊性能測試，引入了斷裂韌度KIC的求解方法，建立屈服強度與斷裂韌度的函數(shù)表達式，最終獲得石油管的強韌性匹配關系。

1 石油管材料的拉伸性能試驗

對 G105、S135、4145H、125S 、X140、4330V、V150、X170這8種石油管材料的元素分布情況進行試驗，測試其中元素 C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、Cu、V、Ti、Al、Nb元素質(zhì)量分數(shù)。表1所示為試驗石油管材料的各化學元素質(zhì)量分數(shù)。

采用國家標準 GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》針對各種材料實施拉伸試驗。本次研究采用石油管材料均取棒材試樣，平行試樣各取3個，各試樣從管材加厚過渡帶處取下，分別加工成啞鈴型，實驗部分直徑為8 mm，夾持端直徑為10.0 mm。圖1所示為拉伸試樣規(guī)格。本次實驗儀器為MTS810材料試驗機，拉伸速率為5 mm/min，引伸計的標距為50 mm。拉伸過程中使用應變規(guī)記錄應變變化，得到應力-應變曲線，從而得到材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率。其試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示，表中屈服強度是拉伸試樣開始出現(xiàn)塑性變形時候的強度。實際生產(chǎn)中，一旦構件受到的力超過屈服強度，構件就會發(fā)生變形且不能完全恢復?？估瓘姸仁抢煸嚇永爝^程中的最大力，構件若受力超過抗拉強度就會發(fā)生斷裂。屈強比是指屈服強度與抗拉強度的比值;延伸率是指試樣在拉斷后的伸長率，可反映鋼材的塑性。

2 石油管材料的示波沖擊試驗

示波沖擊試驗常用于測定材料沖擊開裂的韌性，即測定沖擊載荷試樣被沖斷所消耗的沖擊功。一般將沖擊功較低的材料稱為脆性材料，沖擊功較高的材料稱為韌性材料［10］。

圖1 拉伸試樣規(guī)格

表1 試驗石油管材料的化學元素質(zhì)量分數(shù) %

表2 試樣力學性能測試結(jié)果

按照GB/T19748—2005《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法》實施示波沖擊試驗。試驗中使用ZBC2302-D型示波沖擊試驗機，其沖擊速度5.24 m/s，圖2所示為沖擊試樣規(guī)格圖。沖擊過程中力、位移、能量等數(shù)據(jù)的曲線由此儀器電腦系統(tǒng)記錄形成，如圖3所示。

測試后得到石油管的材料示波沖擊數(shù)據(jù)，如表3—10所示。

圖2 沖擊試樣規(guī)格圖

圖3 沖擊曲線和沖擊參數(shù)示意圖

表3 G105材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×10 mm)

表4 S135材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×10 mm)

表5 4145H材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×10 mm)

表6 125S材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×7.5 mm)

表7 X140材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×10 mm)

表8 4330V材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×10 mm)

表9 V150材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×7.5 mm)

表10 X170材料示波沖擊結(jié)果(55 mm×10 mm×7.5 mm)

表中:Fgy—試樣屈服力，即試樣塑性變形開始時對應的力，kN;

Sgy—塑性變形開始對應的試樣撓度，mm;

Fm—沖擊過程中的最大力，擺錘和試樣接觸過程中的最大載荷，kN;

Sm— 最大力對應的試樣撓度，mm;

Emp—最大力之前所消耗的能量，視為起裂功，J;

Ea—最大力之后所消耗的能量，可看做是裂紋擴展功，J;

St—試樣斷裂時的試樣撓度，mm;

Et—試樣被沖斷所需要的能量，Et=Emp+Ea。

API標準中規(guī)定石油管材的沖擊功應大于54J，實驗測得的8種材料的沖擊功均遠大于這個標準［11］。從表中可以看出，管體試樣的沖擊功數(shù)據(jù)一致性很好，偏差小于5%。沖擊功反映的是沖擊試樣斷裂所消耗的能量，起裂功反映的是裂紋形成所需要的能量，擴展功則是表示裂紋擴展到試樣斷裂所消耗的能量。沖擊功、起裂功和擴展功是衡量石油管抵抗裂紋形成和擴展能力的重要參數(shù)，沖擊功越高的石油管材韌性越好，在井下越不容易發(fā)生突然開裂。

3 石油管Ⅰ型斷裂韌度KⅠC試驗結(jié)果及分析

根據(jù)示波沖擊實驗結(jié)果，采用國家標準GB4161—2007［12］中的計算公式，可以得到斷裂韌度KIC:

式中:S— 跨距，mm;

W—試樣寬度，mm;

B—試樣厚度，mm;

FQ—當裂紋長度變量Δa小于0.2 mm鈍化偏置線時出現(xiàn)非穩(wěn)定裂紋擴展的力，kN;

a0— 初始裂紋長度，mm。

表11所示為石油管材料I型斷裂韌度KIC測試值。

表11 試驗石油管材料斷裂韌度KIC測試值

4 斷裂韌度與屈服強度相關規(guī)律

圖4所示為石油管材料屈服強度與I型斷裂韌度的變化關系。理論上，隨著屈服強度σs的增加，石油管材料抵抗裂紋擴展的能力應逐漸增強，即斷裂韌度KIC相應增大。從圖4可以看出，I型斷裂韌度隨屈服強度的增加而增加，理論結(jié)果與實際結(jié)果一致;但并非完全呈現(xiàn)單調(diào)遞增線性關系，而是呈臺階性遞增，取其典型的特征值可得關系式:KIC=0.126σs-27.43，其相關系數(shù) R2為0.992?；谠撽P系式，可由易于測試的材料屈服強度來估算不易于測試的材料斷裂韌度。

圖4 石油管I型斷裂韌度隨屈服強度變化關系

5 結(jié)語

本次研究表明，實測的石油管材料斷裂韌度與其屈服強度有良好的對應關系，所提出的石油管材質(zhì)斷裂性能評價和優(yōu)選技術具有實踐參考意義。

(1)利用MTS810材料試驗機和ZBC2302-D型示波沖擊試驗機，對 G105、S135、4145H、125S、X140、4330V、V150和X170等8種石油管材料進行了拉伸和沖擊性能測試，獲得了相應的屈服強度和斷裂韌度等試驗數(shù)據(jù)，分析了這8種石油管材料斷裂韌度與屈服強度的關系。

(2)石油管I型斷裂韌度隨屈服強度的增加而增加，與實際結(jié)果一致。但并非完全呈現(xiàn)單調(diào)遞增的線性關系，而是呈臺階性遞增，取其典型的特征值可得關系式:KIC=0.126σs-27.43，其相關系數(shù) R2為0.992。

(3)由于屈服強度測試方法簡單，而斷裂韌度測試方法較復雜，基于該關系式，可由易于測試的屈服強度估算I型斷裂韌度。

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