D级空心抽油杆疲劳性能试验研究
摘要 为考查D级空心抽油杆不同摩擦焊接工艺性能的可靠性,采用电测试验应力法测试抽油杆焊接接头的应力集中系数β。在静拉伸条件下进行应变测试，测得抽油杆焊接接头平均应力集中系数为1.0915,各应力集中系数分散性较小,说明摩擦焊接工艺稳定可靠。在MTS—810材料试验机上做了抽油杆短杆接头的疲劳试验，采用数理统计方法统计分析D级空心抽油杆疲劳性能，获得D级杆的P-S-N曲线和疲劳极限图,求得存活率P=99.9%及对应寿命N=107时抽油杆的最大应力水平为244.37MPa。统计结果表明，按有关工艺制造的D级空心抽油杆疲劳强度满足使用要求。
主题词 空心抽油杆 性能 疲劳试验
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
Subject Concept Terms hollow sucker rod property fatigue test
使用空心抽油杆能进行电加热或注蒸汽加热，有效地降低井液的粘稠性，并具有熔蜡和防止结蜡的效果,从而大大提高抽油杆在稠油生产中的疲劳寿命。在空心抽油杆的研制中，接头位置摩擦焊缝的工艺可靠性是控制空心抽油杆质量的关键技术。为考查空心抽油杆的制造工艺水平，对由35CrMo钢制造的D级摩擦焊接空心抽油杆，经过优化筛选确定出A、B、C三种工艺参数，加工成短杆试件。试件分A、B、C三类,分别代表三种优选出的不同摩擦焊接工艺。抽油杆规格为35mm×5.5mm，按照有关标准进行疲劳试验，并测试摩擦焊接接头的应力集中系数，对焊接工艺的可靠性进行研究。
应力集中系数测试与P-S-N曲线
1.抽油杆焊接接头的应力集中系数β测试
为考查抽油杆不同摩擦焊接的工艺性能,测试了焊接接头的应力集中系数β。分别在焊缝位置与杆体上沿轴向粘贴1mm×1mm电阻应变片,采用YD—80应变仪，在静拉伸条件下进行应变测试,焊接接头的应力集中系数β如表1所示。测得这批抽油杆焊接接头平均应力集中系数为1.0915,且各试件的应力集中系数分散性较小,说明焊接工艺稳定可靠。
表1 抽油杆焊接接头应力集中系数β
| 试件号 | 接头应力集中系数 | 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 | |
| 总平均 | 1.0915 |
| 2.空心抽油杆的P-S-N曲线 (1)疲劳试验 常规机械性能检验说明3种焊接工艺均满足要求。由于抽油杆在工作时承受交变载荷作用，为了检验空心抽油杆的抗疲劳性能，对其进行了疲劳试验。本次试验在MTS—810材料试验机上进行。共有16根短杆试件，试件包括焊缝、接头和接箍，试件总长度800mm，加载水平分为三级，试验频率为16Hz,最大试验应力分别取371、391和411MPa，取应力比r=0.3。疲劳试验数据见表2。 表2 35CrMo钢空心抽油杆疲劳试验数据 |
| 试件 编号 | 最大应力 (MPa) | 最小应力 (MPa) | 循环寿命 Ni(×106) | 断裂 位置 |
| A1 | 371 | 123.7 | ＞1.1 | |
| A2 | 0.701 | 焊缝 | ||
| B1 | 0.892 | 焊缝 | ||
| B2 | 0.318 | 焊缝 | ||
| C1 | ＞1.1 | |||
| C2 | 0.782 | 母材 | ||
| C3 | 0.548 | 焊缝 | ||
| A-3 | 391 | 130.3 | 0.285 | 焊缝 |
| A-4 | 0.185 | 焊缝 | ||
| B-3 | 0.362 | 焊缝 | ||
| B-4 | 0.301 | 焊缝 | ||
| C-4 | 0.470 | 焊缝 | ||
| A-5 | 411 | 137.0 | 0.140 | 焊缝 |
| B-5 | 0.103 | 焊缝 | ||
| C-5 | 0.147 | 焊缝 | ||
| C-6 | 0.095 | 焊缝 |
| (2)参数估计 分布参数是根据样本的试验数据进行估计的，假设空心抽油杆在各级应力水平下的疲劳寿命按对数正态分布［1，2］。首先把各级应力水平下的疲劳寿命Ni取对数Xi,并依大小顺序排列，即 由0＜N1≤N2≤…≤Nn 取 Xi=lgNi 得 -∞＜X1≤X2≤…≤Xn 对数疲劳寿命的均值和标准差S分别按式（1）和式（2）计算 对数平均寿命  (1) 标准差 (2) (3)指定存活率P下的疲劳寿命 式(1)求得的对数疲劳寿命均值 lgN=a+blgS (3) 式中
(4) (5) 若要计算任意指定存活率P的疲劳寿命，可利用式(6)
(6) 式中 uP——正态偏量。 (7) 式中
(8) (9) 相关系数 (10) (11) (12) (13) 式中 Si——各级疲劳试验的最大应力水平； 表3 空心抽油杆P-S-N曲线数值 |
是指在存活率P=50%的对数疲劳寿命。采用最小二乘法，对存活率P=50%时的疲劳寿命进行直线拟合，设直线方程为［1,2］
——对应任一存活率P的对数安全疲劳寿命；
| 存活率P(%) | P-S-N曲线计算式 | 相关系数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%,对应寿命N=107时抽油杆的最大应力水平为 σN=107=σr=244.37MPa (18)
图1 双对数坐标下的P-S-N曲线
图2 35CrMo钢空心抽油杆P-S-N曲线 结 论 (1)抽油杆焊接接头平均应力集中系数为1.0915,且各试件之间应力集中系数的分散性较小,说明焊接工艺稳定可靠。 作者单位:房 军 阎相祯 石油大学.华东 参 考 文 献 1 高镇同.疲劳应用统计学.北京:国防工业出版社,1986：149～157 |
TAG:
