YG225游车大钩钩体裂纹在静荷载作用下的断裂性能分析

于 雷

中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津

1.引言

近年来，在中海油自营油田的修井机年检中，发现大量游车大钩钩体均有不同尺寸的表面裂纹存在，因无具体的分析报告仅能执行SY/T 6605—2011《石油钻修井用吊具安全技术检验规范》中7.3.1.1款第8条的规定，导致大量游车大钩直接报废。田贞全[1]和骆发前等[2]分析了车钩裂纹萌生及断裂原因；徐世珍等[3]则分析了大钩的可焊性及其对裂纹的影响；余华俐等[4]、刘春友[5]采用有限元仿真的方法研究了大钩的强度；冯定等[6]则对大钩材料进行疲劳试验以及有限元仿真分析了大钩的疲劳特性。

笔者选取一个含表面裂纹的YG225游车大钩的钩体，通过在静力荷载作用下的断裂性能有限元模拟分析，得到钩体副钩分别承受较小和最大工作荷载情况下表面裂纹的应力强度因子(SIF)分布，确定裂纹SIF最大值，通过和试验测试得到的断裂韧度值进行比较，判断大钩中的裂纹是否发生扩展，为大钩钩体的受载断裂评估提供分析数据。

2.YG225游车大钩钩体几何模型和分析模型

大钩钩体结构如图1所示，下端为大钩中的主钩，主钩上部左右各有一个副钩，主钩主要用来直接加挂水龙头或者顶驱，并通过水龙头或者顶驱连接钻具及其他井下工具；副钩用来加挂吊环，并通过吊环连接钻具及其他井下工具。根据裂纹分布在副钩上的情况，建立副钩受力模型(图2)，在2个副钩上承受2个相同大小竖直向下的荷载，分别分析了每个副钩承受荷载300 kN和1125 kN这2种情况，研究副钩上裂纹SIF分布，确定SIF最大值，并判断裂纹是否发生开裂。根据大钩材性试验测试结果，大钩的屈服强度和极限强度(抗拉强度)分别为450 MPa和870 MPa，假设弹性模量为200 GPa，不考虑裂纹的弹塑性扩展。图3(a)所示的裂纹在副钩上表面，裂纹长度和深度分别是55 mm和10 mm；图3(b)所示的裂纹位于副钩侧表面，裂纹长度和深度分别为32 mm和6 mm。

Figure 1.The structure of hook body图1.大钩钩体结构图

Figure 2.The force applied model of accessory hook图2.副钩受力模型图

Figure 3.The position and size of cracks on the accessory hook图3.裂纹在大钩副钩上的位置及尺寸

根据《游车大钩裂纹机理研究材料分析实验报告》提供的结果，得到大钩材料断裂韧度值KIC= 2058.6 MPa∙mm1/2。

3.YG225游车大钩钩体及其裂纹的有限元模型

图4(a)～(c)分别是大钩、副钩上表面裂纹、侧表面裂纹的有限元网格图；图5是裂纹的半椭圆模型，大钩除了裂纹部位采用六面体单元(裂纹尖端采用三棱柱单元)外，其余部分均采用四面体单元进行网格划分，单元最小尺寸根据大钩分析的有限元结果收敛为准。

Figure 4.The infinite grids of hook body and cracks on YG225 travelling block图4.YG225游车大钩钩体及其裂纹的有限元网格图

Figure 5.The semi-elliptic model of cracks on the hook body图5.大钩钩体上裂纹的半椭圆模型

4.结果与分析

4.1.副钩上表面裂纹SIF分析

当每个副钩上施加的荷载为300 kN时，裂纹SIF的分布如图6(a)所示，SIF最大值为282 MPa∙mm1/2；当每个副钩上施加的荷载为1125 kN时，裂纹SIF的分布如图6(b)所示，SIF最大值为1050 MPa∙mm1/2。可以看出，在工作荷载范围内，裂纹最大应力强度因子远远小于大钩材料的断裂韧度值KIC(2058.6 MPa∙mm1/2)，所以裂纹不会发生扩展。图7是副钩上施加荷载后裂纹张开情况(变形扩大100倍)。

Figure 6.The distribution of surface crack SIF on the accessory hook图6.副钩上表面裂纹SIF分布

Figure 7.The expansion of surface cracks on the accessory hook图7.副钩上表面裂纹张开图

4.2.副钩侧表面裂纹SIF分析

当每个副钩上施加的荷载为300 kN时，裂纹SIF的分布如图8(a)所示，SIF最大值为80 MPa∙mm1/2；当每个副钩上施加的荷载为1125 kN时，裂纹SIF的分布如图8(b)所示，SIF最大值为300 MPa∙mm1/2，且KI结果出现负值，说明裂纹一段处于受压状态。可以看出，在工作荷载范围内，裂纹最大应力强度因子远远小于大钩材料的断裂韧度值KIC(2058.6 MPa∙mm1/2)，所以裂纹不会发生扩展。图9显示的是副钩侧表面施加荷载后裂纹张开情况(变形扩大100倍)，由于侧表面所受拉力较小，裂纹基本没有出现明显的张开变形。

“可能从一开始我就注定会失败，现在的小孩儿真难对付。”教授低声说，“我带着杰克离开办公室时，他假装老实，等到最后一刻突然挣脱我，把一本书塞进了书架。”

Figure 8.The distribution of surface crack SIF on the side of accessory hook图8.副钩侧表面裂纹SIF分布

Figure 9.The expansion of side surface cracks on the accessory hook图9.副钩侧表面裂纹张开图

5.结论

根据YG225游车大钩钩体中两种典型裂纹SIF的有限元分析结果表明，在工作荷载范围内，副钩上裂纹应力强度因子均远远小于大钩钩体材料本身的断裂韧度，所以该游车大钩上的裂纹在承受最大工作静荷载下不会发生扩展。