基于CTOD试验的一种套管韧性分析

白松，王双来，杜志杰

基于CTOD试验的一种套管韧性分析

白松1，王双来2，杜志杰2

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065；2.西安摩尔石油工程实验室股份有限公司，陕西西安710065）

以Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管为研究对象，采用三点弯曲试验测得套管裂纹试样的裂纹尖端张开位移，分析了裂纹扩展阻力曲线及其特征值，确定了该套管的理论裂纹扩展条件。结果发现：该套管管体与接箍的试验测得CTOD值都大于理论值，说明该套管的断裂韧性满足现场特定工况要求。

套管；裂纹尖端位移；裂纹扩展；断裂韧性

近年来油井管在使用过程中发生断裂引起井下事故时有发生，油井管管材的可靠性越来越受到重视。油井管材料选择和质量控制的主要依据仍然是夏比冲击试验所得的夏比冲击功值，然而在使用小规模夏比冲击试验时有很多局限，这些试验不能再现实际构件的材料特性、尺寸效应、加载速率影响和裂纹尖锐程度，夏比冲击功不足以确定临界裂纹尺寸和制定缺陷的失稳条件。评价材料韧性的另一个方法是，确定不同温度下的断裂裂纹尖端张开位移δ（CTOD值），然而很少有人利用CTOD值评价油套管材料韧性［1-8］。

套管壁厚较小，不能满足冲击试验要求，难以用线弹性断裂力学参量K来准确地描述并获得其断裂韧性，只能用弹塑性断裂力学参量J积分和CTOD值来描述并得到相应的断裂韧性指标。本研究主要采用CTOD试验来评价Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管的断裂韧性。

1 试样制备及试验过程

CTOD特征值反映了材料抵抗裂纹扩展的能力，可称为裂纹扩展阻力；裂纹扩展阻力与裂纹扩展量的关系曲线称为裂纹扩展阻力曲线。采用CTOD特征值作为裂纹扩展的判定指标，以表征钢材的断裂韧度。

采用三点弯曲试样，试样尺寸为W=18 mm（宽度）、B=10 mm（厚度）、S=72 mm（跨距），试样加工尺寸如图1所示，其化学成分和力学性能见表1～2。在Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管管体上取7个试样，接箍上取5个试样，试验温度为20℃。管体试样和接箍试样的缺口都开在试样中间部位，采用线切割加工裂缝，缝隙宽0.12 mm、深6 mm［9－11］。

图1 试样加工尺寸示意

表1 试样的化学成分（质量分数）%

表2 试样的力学性能

采用PLS－100电液伺服动静试验机在室温下预制疲劳裂纹，预制过程按照GB/T 2358—1994《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》进行，所有试样均通过加载—卸载—再加载疲劳载荷的方法产生裂纹，开始阶段疲劳载荷最大值Ffmax=8 000 N、Ffmin=800 N，最后阶段疲劳载荷Ffmax=6 000 N、Ffmin=600 N，总循环20 000～26 000周次，预制裂纹疲劳长度为3 mm。

在MTS810试验机上进行三点弯曲CTOD试验，由于套管塑性较差，屈服强度按照Rp0.2=1 117 MPa（形变达到0.2%的弹性极限，用来表征屈服强度）进行计算，刀口厚度Z=0 mm。试验速率为1 mm/min，试验温度为20℃［10］。

2 试验结果与分析

2.1 裂纹扩展阻力曲线及其特征

（1）管体CTOD试验。管体CTOD试验结果见表3。管体的裂纹扩展阻力曲线方程为：

管体裂纹扩展阻力曲线如图2所示。

（2）接箍CTOD试验。接箍CTOD试验结果见表4。接箍的裂纹扩展阻力曲线方程为：

表3 管体CTOD试验结果

接箍裂纹扩展阻力曲线如图3所示。

图2 管体裂纹扩展阻力曲线

CTOD特征值是指裂纹扩展过程中不同阶段的CTOD值，它表征了材料抵抗裂纹启裂或扩展的能力，包括条件启裂CTOD值δi、表观启裂CTOD值δ0.05、脆性启裂CTOD值δc、脆性失稳CTOD值δu和最大载荷CTOD值δm。δi是指阻力曲线中裂纹扩展值Δα=0.2 mm所对应的CTOD值；δ0.05是指阻力曲线中裂纹扩展量Δα=0.05 mm所对应的CTOD值；δc是指稳定裂纹扩展量Δα∧0.2 mm的脆性失稳断裂点所对应的CTOD值；δu是指稳定裂纹扩展量Δα∧0.2 mm的脆性失稳点所对应的CTOD值；δm是指最大载荷点所对应的CTOD值［12］。当试样失稳断裂，按照Δα在0.15～0.50 mm的数据点来确定δi。

表4 接箍CTOD试验结果

图3 接箍裂纹扩展阻力曲线

在20℃下Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管管体和接箍的CTOD特征值包括条件启裂CTOD值δi、表观启裂CTOD值δ0.05和最大载荷CTOD值δm。其中，Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管管体的条件起裂CTOD值δi=0.088 mm，表观起裂CTOD值δ0.05=0.061 mm，最大载荷CTOD值δm=0.105 mm；接箍的条件起裂CTOD值δi= 0.082 mm，表观起裂CTOD值δ0.05=0.060 mm，最大载荷CTOD值δm=0.116 mm。

2.2 试样形貌特征

CTOD试样在试验前的宏观形貌如图4所示，CTOD试样在试验后的宏观形貌如图5所示，从管体、接箍试样断口能明显看到机械加工缺口、预制疲劳裂纹前缘、标记的裂纹扩展区前缘及断口面的分界线。

图4 CTOD试样在试验前的宏观形貌

图5 CTOD试样在试验后的宏观形貌

3 套管断裂韧性理论分析

根据GB/T 21143—2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》，假设Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管主要承受拉应力，忽略弯曲应力和残余应力；假定存在横向裂纹型缺陷，裂纹的深度按5%刻槽确定，扩展类型为张开型。套管壁厚e=13.06 mm，因此假定裂纹深度t=0.653 mm，裂纹深度t与裂纹长度l的比值为1∶6。

3.1 最小裂纹参数确定

表面缺陷的实际尺寸和参数a的关系如图6所示［13］。根据Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管裂纹参数（t/l=0.167，t/e=0.05），a为试样缝隙深度。可从图3所示中查出a/e=0.05，从而计算出a= 0.65 mm。

3.2 最小CTOD值的确定

Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管的最小CTOD值按公式（3）计算：

图6 表面缺陷的实际尺寸和参数a的关系

式中σy——屈服强度，1 117 MPa；

C——参数［14］；

E——弹性模量，GPa，取207。

从文献［14］可以查出，计算Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管的最小CTOD值时C为0.17。

由公式（3）可计算出Φ339.7 mm×13.06 mm规格TP140V套管的δ=0.020 4 mm。

由于裂纹尖端塑性区域的存在，裂纹面上邻近裂纹尖端的两侧将发生相对位移。将CTOD值作为衡量因裂纹存在而产生的位移间断的强弱程度。以CTOD作为起始扩展的判据［15］，临界条件是：

比较发现，在20℃温度条件下，Φ339.7 mm× 13.06 mm规格TP140V套管的管体与接箍起裂CTOD值都大于理论计算值（0.020 4 mm），满足工况使用要求。

4 结论

（1）在考虑套管承受拉伸应力的情况下，如果套管表面裂纹型缺陷不大于5%刻槽确定的裂纹深度0.65 mm，理论计算的最小裂纹尖端张开位移CTOD值为0.020 4 mm。管体和接箍20℃的起裂CTOD值都大于理论计算0.020 4 mm，不会发生脆性断裂。

（2）考虑套管在井下服役期间，不同井段环境温度不同，因此在以后以裂纹尖端位移值评价套管断裂韧度时，还应在不同温度条件下进行CTOD值的分析。

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Analysis of Toughness of a Certain Type of Casing Based on CTOD test

BAI Song1，WANG Shuanglai2，DU Zhijie2
（1.Mechanical Engineering College，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China；2.Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

Taking theΦ339.7 mm×13.06 mm TP140V casing as a study object，the crack tip opening displacement of the casing crack specimen is measured by the three point bending test.Analyzed are the crack propagation resistance curve and its characteristic values，and so determined are the theoretical conditions for crack propagation of the casing.It is found that the CTOD values of both the casing body and the coupling measured in the test are higher than the theoretical values，which indicates that the fracture toughness of the casing can meet the specific field working condition.

casing；crack tip opening displacement（CTOD）；crack propagation；fracture toughness

TG113.25+4

B

1001-2311（2016）05-0064-04

2016-03-16；修定日期：2016-03-21）

白松（1991-），男，在读硕士研究生，研究方向是油井管特殊螺纹接头性能评价与开发。