石油管Ⅰ型裂纹断裂韧度与屈服强度的相关性研究

蒋林 施太和 郭西水 许红林 李 彬

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

传统的石油管优选技术主要以屈服强度σs作为重要指标，进行石油管材料的研制、测试和选用［1］。近年来，随着钻井井深增加，石油管服役工况变得更加恶劣，石油管断裂成为严重影响建井安全的主要失效形式［2］。实践中通常以断裂力学为基础进行石油管的选材和设计，断裂韧度KIC作为石油管断裂的重要指标［3-5］。

API石油管标准未就石油管断裂性能及其测试方式作出具体规定［6］，国内外学者对石油管屈服强度与断裂韧度的关系也无统一认识。断裂韧度的测试方法较多，测试时断裂韧度会受尺寸、温度、加载速率等诸多因素的影响［7-9］。本次研究中采用的示波冲击试验设备，可使裂纹扩展在瞬间完成，并能精确记录载荷 -位移曲线及能量-位移曲线。

为了体现研究的实用性和适用性，对8种石油管材料进行拉伸和冲击性能测试，引入了断裂韧度KIC的求解方法，建立屈服强度与断裂韧度的函数表达式，最终获得石油管的强韧性匹配关系。

1 石油管材料的拉伸性能试验

对 G105、S135、4145H、125S 、X140、4330V、V150、X170这8种石油管材料的元素分布情况进行试验，测试其中元素 C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、Cu、V、Ti、Al、Nb元素质量分数。表1所示为试验石油管材料的各化学元素质量分数。

采用国家标准 GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》针对各种材料实施拉伸试验。本次研究采用石油管材料均取棒材试样，平行试样各取3个，各试样从管材加厚过渡带处取下，分别加工成哑铃型，实验部分直径为8 mm，夹持端直径为10.0 mm。图1所示为拉伸试样规格。本次实验仪器为MTS810材料试验机，拉伸速率为5 mm/min，引伸计的标距为50 mm。拉伸过程中使用应变规记录应变变化，得到应力-应变曲线，从而得到材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率。其试验数据结果如表2所示，表中屈服强度是拉伸试样开始出现塑性变形时候的强度。实际生产中，一旦构件受到的力超过屈服强度，构件就会发生变形且不能完全恢复。抗拉强度是拉伸试样拉伸过程中的最大力，构件若受力超过抗拉强度就会发生断裂。屈强比是指屈服强度与抗拉强度的比值;延伸率是指试样在拉断后的伸长率，可反映钢材的塑性。

2 石油管材料的示波冲击试验

示波冲击试验常用于测定材料冲击开裂的韧性，即测定冲击载荷试样被冲断所消耗的冲击功。一般将冲击功较低的材料称为脆性材料，冲击功较高的材料称为韧性材料［10］。

图1 拉伸试样规格

表1 试验石油管材料的化学元素质量分数 %

表2 试样力学性能测试结果

按照GB/T19748—2005《钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》实施示波冲击试验。试验中使用ZBC2302-D型示波冲击试验机，其冲击速度5.24 m/s，图2所示为冲击试样规格图。冲击过程中力、位移、能量等数据的曲线由此仪器电脑系统记录形成，如图3所示。

测试后得到石油管的材料示波冲击数据，如表3—10所示。

图2 冲击试样规格图

图3 冲击曲线和冲击参数示意图

表3 G105材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×10 mm)

表4 S135材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×10 mm)

表5 4145H材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×10 mm)

表6 125S材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×7.5 mm)

表7 X140材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×10 mm)

表8 4330V材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×10 mm)

表9 V150材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×7.5 mm)

表10 X170材料示波冲击结果(55 mm×10 mm×7.5 mm)

表中:Fgy—试样屈服力，即试样塑性变形开始时对应的力，kN;

Sgy—塑性变形开始对应的试样挠度，mm;

Fm—冲击过程中的最大力，摆锤和试样接触过程中的最大载荷，kN;

Sm— 最大力对应的试样挠度，mm;

Emp—最大力之前所消耗的能量，视为起裂功，J;

Ea—最大力之后所消耗的能量，可看做是裂纹扩展功，J;

St—试样断裂时的试样挠度，mm;

Et—试样被冲断所需要的能量，Et=Emp+Ea。

API标准中规定石油管材的冲击功应大于54J，实验测得的8种材料的冲击功均远大于这个标准［11］。从表中可以看出，管体试样的冲击功数据一致性很好，偏差小于5%。冲击功反映的是冲击试样断裂所消耗的能量，起裂功反映的是裂纹形成所需要的能量，扩展功则是表示裂纹扩展到试样断裂所消耗的能量。冲击功、起裂功和扩展功是衡量石油管抵抗裂纹形成和扩展能力的重要参数，冲击功越高的石油管材韧性越好，在井下越不容易发生突然开裂。

3 石油管Ⅰ型断裂韧度KⅠC试验结果及分析

根据示波冲击实验结果，采用国家标准GB4161—2007［12］中的计算公式，可以得到断裂韧度KIC:

式中:S— 跨距，mm;

W—试样宽度，mm;

B—试样厚度，mm;

FQ—当裂纹长度变量Δa小于0.2 mm钝化偏置线时出现非稳定裂纹扩展的力，kN;

a0— 初始裂纹长度，mm。

表11所示为石油管材料I型断裂韧度KIC测试值。

表11 试验石油管材料断裂韧度KIC测试值

4 断裂韧度与屈服强度相关规律

图4所示为石油管材料屈服强度与I型断裂韧度的变化关系。理论上，随着屈服强度σs的增加，石油管材料抵抗裂纹扩展的能力应逐渐增强，即断裂韧度KIC相应增大。从图4可以看出，I型断裂韧度随屈服强度的增加而增加，理论结果与实际结果一致;但并非完全呈现单调递增线性关系，而是呈台阶性递增，取其典型的特征值可得关系式:KIC=0.126σs-27.43，其相关系数 R2为0.992。基于该关系式，可由易于测试的材料屈服强度来估算不易于测试的材料断裂韧度。

图4 石油管I型断裂韧度随屈服强度变化关系

5 结语

本次研究表明，实测的石油管材料断裂韧度与其屈服强度有良好的对应关系，所提出的石油管材质断裂性能评价和优选技术具有实践参考意义。

(1)利用MTS810材料试验机和ZBC2302-D型示波冲击试验机，对 G105、S135、4145H、125S、X140、4330V、V150和X170等8种石油管材料进行了拉伸和冲击性能测试，获得了相应的屈服强度和断裂韧度等试验数据，分析了这8种石油管材料断裂韧度与屈服强度的关系。

(2)石油管I型断裂韧度随屈服强度的增加而增加，与实际结果一致。但并非完全呈现单调递增的线性关系，而是呈台阶性递增，取其典型的特征值可得关系式:KIC=0.126σs-27.43，其相关系数 R2为0.992。

(3)由于屈服强度测试方法简单，而断裂韧度测试方法较复杂，基于该关系式，可由易于测试的屈服强度估算I型断裂韧度。

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