儀忠建，李 進(jìn)，聶 偉，唐宏寶，賈容銳，楊繼現(xiàn)

渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘

1.連續(xù)油管失效形式

連續(xù)油管在使用過程中，會(huì)受到物理破壞、化學(xué)腐蝕等不同形式的損傷，按照連續(xù)油管的損傷方式[1][2]，其失效形式可分為3種類型：① 物理破壞損傷。連續(xù)油管作業(yè)工程中，受到擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸等力學(xué)破壞。在周期性的力學(xué)破壞下連續(xù)油管產(chǎn)生疲勞損傷，會(huì)在一定程度上減少連續(xù)油管的使用壽命。② 化學(xué)腐蝕損傷。連續(xù)油管作業(yè)常常在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，在高溫高壓的條件下，會(huì)增加設(shè)備的腐蝕速率。③ 人為因素?fù)p傷。主要指裝備制造安裝失誤、作業(yè)中操作不當(dāng)?shù)热藶橐蛩卦斐傻倪B續(xù)油管損傷行為。

基于連續(xù)油管的受損程度、受損形式各不相同[3]，可將其分為以下3種類型：① 變形失效。變形失效是指連續(xù)油管作業(yè)過程中產(chǎn)生的塑性變形失效。變形失效的主要表現(xiàn)形式為油管鼓脹和截面扁平等。連續(xù)油管的塑性變形可能會(huì)使油管產(chǎn)生塑性疲勞損傷。② 表面損傷失效。有表面腐蝕損傷與表面接觸損傷2種失效形式。表現(xiàn)形式有局部穿孔、壓痕、摩痕以及凹陷等[4]。③ 斷裂失效。斷裂失效是連續(xù)油管最為普遍的失效形式，包括過載斷裂、應(yīng)力斷裂和疲勞斷裂。

2.連續(xù)油管壽命預(yù)測(cè)方法

針對(duì)連續(xù)油管較為成熟的疲勞壽命預(yù)測(cè)理論有：Miner線性累積理論、應(yīng)力及應(yīng)變準(zhǔn)則和3參數(shù)冪函數(shù)能量法。基于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式法也較為常見。

1)基于Miner線性累積損傷理論的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

該預(yù)測(cè)方法主要適用于多軸高周疲勞問題，基于線性Miner疲勞法則，構(gòu)建壽命預(yù)測(cè)模型，其計(jì)算關(guān)系式如下[5]：

式中：N是連續(xù)油管基于疲勞累積損傷理論下的計(jì)算壽命，次；NM為連續(xù)油管可靠度是0.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的壽命，次；σM為可靠度是0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，MPa；σr、σg分別為卷筒與導(dǎo)向架彎曲導(dǎo)致的連續(xù)油管的等效應(yīng)力，MPa。

2)以應(yīng)變?yōu)閰?shù)的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型

該預(yù)測(cè)模型一般應(yīng)用于完整連續(xù)油管的低周疲勞壽命研究，主要是根據(jù)等效塑性應(yīng)變?cè)磉M(jìn)行計(jì)算，對(duì)于存在損傷的連續(xù)油管預(yù)測(cè)效果會(huì)降低。

基于等效應(yīng)變理論[6]，在徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力耦合作用下連續(xù)油管的等效塑性應(yīng)變關(guān)系式為：

連續(xù)油管在徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力耦合作用下的疲勞壽命計(jì)算公式為：

式中：εhp、εrp分別為連續(xù)油管在內(nèi)壓p作用下的徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力，MPa；α為材料的塑性指數(shù)，1；N為連續(xù)油管的計(jì)算壽命，次。

3)3參數(shù)冪函數(shù)能量法連續(xù)油管壽命預(yù)測(cè)模型

連續(xù)油管疲勞壽命預(yù)測(cè)中常常采用能量法，3參數(shù)冪函數(shù)能量法能夠兼顧考慮連續(xù)油管缺陷因素對(duì)疲勞壽命的影響(Manson-Coffins方程、冪指函數(shù)模型等能量法都忽略連續(xù)油管缺陷的影響)，結(jié)合3參數(shù)冪函數(shù)能夠綜合考慮內(nèi)壓以及初始狀態(tài)對(duì)連續(xù)油管疲勞壽命的影響。

4)疲勞壽命經(jīng)驗(yàn)公式方法由于在一定程度上忽略了各種因素對(duì)壽命的影響，其預(yù)測(cè)效果具有一定的局限型，但對(duì)于環(huán)境工況等外部因素相似的連續(xù)油管作業(yè)，其預(yù)測(cè)依然具有實(shí)用價(jià)值，可與理論壽命計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為理論研究提供依據(jù)。

3.連續(xù)油管壽命預(yù)測(cè)方法發(fā)展趨勢(shì)

1)基于現(xiàn)有的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)

基于現(xiàn)有的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)主要從考慮因素多樣化、不確定參數(shù)精確化以及適用范圍全面化等角度進(jìn)行深入研究。實(shí)際作業(yè)中，影響連續(xù)油管壽命的因素很多，影響程度也各不相同，且存在不同因素之間相互影響或組合作用的情況，多因素考慮意味著其壽命預(yù)測(cè)方法具有更加廣泛的適用性和更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)效果；不確定參數(shù)精確化應(yīng)用在基礎(chǔ)預(yù)測(cè)模型建立完成后的修正過程。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很難出現(xiàn)兩個(gè)完全相同的工作環(huán)境，參數(shù)的選取會(huì)影響預(yù)測(cè)效果，不確定參數(shù)精確化不是提高數(shù)值精度，而是結(jié)合參數(shù)的具體影響程度、參數(shù)選取的范圍來確定參數(shù)；適用范圍全面化需要脫離單個(gè)預(yù)測(cè)模型的局限性，能夠適用于盡可能多的情況(如對(duì)含缺陷連續(xù)油管的壽命預(yù)測(cè)等)。

2)基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行分析

計(jì)算機(jī)應(yīng)用能夠?qū)唧w的連續(xù)油管模型進(jìn)行仿真分析，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有分析精確、計(jì)算全面的特點(diǎn)[7][8]。如何建立出能夠反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的連續(xù)油管分析模型是該技術(shù)的難點(diǎn)，目前主要是基于計(jì)算機(jī)的有限元分析建立壽命預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化模型[9]。

3)基于現(xiàn)代優(yōu)化算法的進(jìn)行預(yù)測(cè)模型建立

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火算法、模糊算法等現(xiàn)代優(yōu)化算法技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于連續(xù)油管的壽命預(yù)測(cè)中，最優(yōu)化理論能夠大幅提升壽命預(yù)測(cè)效果。

4.結(jié)語

連續(xù)油管在高溫高壓、高腐蝕性的環(huán)境下工作，極易出現(xiàn)失效狀況。幾種常規(guī)的連續(xù)油管疲勞壽命分析模型可以在一定情況下預(yù)測(cè)連續(xù)油管的疲勞壽命，但這些預(yù)測(cè)方法往往不能夠滿足實(shí)際工作需求(如含缺陷連續(xù)油管的疲勞壽命預(yù)測(cè)等)。目前國內(nèi)對(duì)于連續(xù)油管疲勞壽命的分析計(jì)算處于基于試驗(yàn)法的數(shù)據(jù)積累階段，對(duì)于復(fù)雜狀況的壽命預(yù)測(cè)研究還亟待深入。