第1章 油管柱系统剩余寿命预测

1.1 复杂井况下管柱系统承载性能研究

1.2 管柱系统的可靠性研究

1.3 管柱系统的风险评估研究

1.4 管柱系统的寿命预测与在役管柱系统监测技术

1.5 油管柱疲劳寿命预测研究方法研究

第2章 油管柱在井筒内腐蚀研究

2.1 金属腐蚀的基本原理

2.2 金属腐蚀的基本形态

2.3 影响金属腐蚀的因素

2.4 天然气井腐蚀介质分析

2.5 C02腐蚀机理研究

2.6 H2S腐蚀对管柱强度的影响

第3章 基于最大蚀坑深度的管柱腐蚀损伤研究

3.1 概述

3.2 现有腐蚀模型

3.3 考虑点蚀的管道内壁腐蚀模型

3.4 模型计算数据库及数据分析

3.5 管道腐蚀损伤等级评价方法

3.6 腐蚀缺陷管道剩余强度评价方法

3.7 管道内壁腐蚀损伤等级评价方法

3.8 小结

第4章 砂粒在井筒内举升运动研究

4.1 概述

4.2 影响气井出砂的因素

4.3 固体颗粒在流体中沉降问题的研究

4.4 气流携带固体颗粒举升运动

4.5 固体颗粒在气流中的受力

4.6 气井携砂力学模型

4.7 井筒内气流携液滴举升运动

4.8 小结

第5章 冲蚀磨损的影响因素和机理研究

5.1 引言

5.2 冲蚀角对试样的影响

5.3 冲蚀物速度对试样的影响

5.4 冲蚀物颗粒尺寸对试样的影响

5.5 冲蚀磨损的机理研究

5.6 冲蚀磨损的理论模型

5.7 冲蚀磨损的数值计算模型

第6章 油管柱刚、强度分析

6.1 油管柱刚、强度分析理论及研究内容

6.2 有限元法分析过程

6.3 弹、塑性有限元分析

6.4 接触界面方程

6.5 油管柱接触的有限元分析

6.6 油管柱有限元分析

第7章 天然气诱发油管柱振动的机理

7.1 天然气在油管柱内的流动分析

7.2 天然气在油管柱内流动的运动方程

7.3 天然气在油管柱内流动的旋涡分析

7.4 天然气在油管柱内流动对油管柱的激振分析

7.5 相关天然气物性参数的确定

7.6 油管采气工况时，天然气在管柱系统内流动的流场分析

7.7 套管采气工况时流场分析

第8章 油管柱振动固有特性分析

8.1 油管柱特征值计算方法

8.2 油管的振动固有特性计算

8.3 天然气产量与油管柱振动特性的关系

8.4 小结

第9章 油管柱动力响应分析

9.1 油管柱结构动力响应分析

9.2 油管柱非线性结构动力响应分析

9.3 油管柱的动力响应分析

9.4 小结

参考文献

黄桢，工学博士、博士后西南油气田分公司川西北气矿矿长，重庆科技学院特聘教授，重庆市安全生产专家组副组长，安全协会会长，

主要研究方向：油气井力学与工程获省部级科技成果二等奖4项，三等奖1项，优秀奖1项；出版《天然气井油管柱腐蚀破坏力学》等专著4部；获得国家专利2项；在《石油学报》《天然气工业》等刊物上发表论文30余篇。

在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力和应变循环数成为疲劳寿命。对实际构件疲劳寿命常以工作小时计。构件在出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命或裂纹起始寿命。工程裂纹指宏观可见或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2--1毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命时二者之和。

在循环加载下，产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数。对零件、构件出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2～1.0毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命为两者之和。因工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故可将裂纹作为物体边界，并将其周围材料视作均匀连续介质，应用断裂力学方法研究裂纹扩展规律。由于S-N曲线是根据疲劳试验直到试样断裂得出的，所以对应于S-N曲线上某一应力水平的疲劳寿命N是总寿命。在疲劳的整个过程中，塑性应变与弹性应变同时存在。当循环加载的应力水平较低时，弹性应变起主导作用；当应力水平逐渐提高，塑性应变达到一定数值时，塑性应变成为疲劳破坏的主导因素。为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。其特点是：作用于构件上的应力水平较低，应力和应变呈线性关系。②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。其特点是：作用于构件的应力水平较高，材料处于塑性状态。很多实际构件在变幅循环应力作用下的疲劳既不是纯高循环疲劳也不是纯低循环疲劳，而是二者的综合。

相应地，裂纹扩展也分为高循环和低循环两类。高循环疲劳裂纹扩展规律可利用线弹性断裂力学方法研究；低循环疲劳裂纹扩展规律一般应采用弹塑性断裂力学方法研究，不过由于问题十分复杂，尚未很好地解决。

实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲劳寿命Np的含义是：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（1－p）。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p=50%的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。

在考虑惯性效应的I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程的理论基础上，将钢桥受随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题通过傅里叶变换、积分中值定理等转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程，从而提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，利用该方法有效地解决了实际钢桥的疲劳剩余寿命问题，具有极为重要的工程应用价值。本项目的研究工作主要有以下几个方面： 1、作为本项目的理论基础，深入研究了考虑惯性效应的疲劳裂纹扩展力学模型及裂纹扩展机理等新概念，对I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程和速率方程表达式进行了详细的推导和论证，以及对影响疲劳裂纹扩展速率各种因素进行了分析。 2、对于随机载荷作用下疲劳寿命的计算，本项目从随机载荷谱分解入手，将随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展问题，从而提出了随机载荷下“三参数”疲劳裂纹扩展方程。并且通过国内外CCT试件试验数据验证了“三参数”疲劳裂纹扩展方程的有效性。 3、把本项目提出的随机载荷作用下疲劳裂纹扩展预测新方法与《随机载荷谱裂纹扩展寿命模型》其它各种寿命模型理论进行了对比分析，结果表明研究中提出的方法无论是计算的简便性还是与试验结果的吻合程度都优越于其它各种模型理论。 4、首次提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，重点分析了随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程“三参数”的物理意义。详细叙述了应用该方法对钢桥进行寿命评估的三个基本前提条件和计算步骤。归纳了一些常见桥梁结构的应力强度因子及相应的裂纹扩展方程。 5、本课题设计钢箱梁结构试验模型验证本申请项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法。通过监测钢结构的裂纹长度随时间的变化关系，准确地计算出其后裂纹长度随时间变化的曲线，从而预测其剩余疲劳寿命，并与最终试验结果进行比对，结果发现本课题提出的钢桥疲劳寿命预测新方法与最终试验结果吻合程度较高，证明本项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法是可靠的。 2100433B