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近年来,大庆油田抽油杆断裂问题日益严重,综合分析结果表明,抽油杆发生断裂的主要原因是抽油杆材料本身含有冶金缺陷和夹杂,以及抽油杆热处理不规范形成金相组织不正常,使服役中的抽油杆在交变应力作用下产生疲劳裂纹。疲劳裂纹在交变应力作用下扩展到临界状态时,就产生疲劳断裂。
本文以35CrMo抽油杆的工程实际应用为背景,基于试验的方法,对抽油杆疲劳裂纹扩展期剩余寿命进行了研究。
首先对厂方提供的断口进行分析确定金属断裂的性质,通过微观断口的分析,寻找断裂的原因,然后进一步用金相方法检查断口金相组织是否正常,材料有否宏观及微观缺陷。
抽油杆剩余寿命的计算,需要确定材料的材料系数c、n值。试验通过测出裂纹长度a与运转周次N之间的关系,经拟合得出裂纹扩展数率da/dN与应力强度因子幅△k的关系,计算出材料系数c、n值。
本文用James-Anderson方法为基础,通过疲劳裂纹扩展的实验研究,寻求到抽油杆杆体表面裂纹应力强度因子的近似解答。裂纹扩展规律采用简单、实用,且有较高精度的降载勾线法测定裂纹深度a的变化规律。
最后,对抽油杆剩余寿命进行计算,确定不同大小的初始裂纹的剩余寿命。通过△P=40kN时,35CrMoD级抽油杆由0.2mm的裂纹到断裂的剩余寿命,探讨提高抽油杆使用寿命的途径。