石油套管热处理残余应力的有限元分析

摘要:利用有限元分析软件对石油套管的热处理过程进行模拟,分析不同热传导率对淬火应力的影响;计算不同回火温度以及回火保温时间下的残余应力。

关键词:石油套管 热处理 有限元

石油套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑,以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。目前很多学者已能成功地模拟工件在淬冷过程中心部和外部各点在不同时刻的应力、应变状态及最后的残余应力、应变的分布,刘庄等自行开发了软件,对淬火过程的温度场、组织场等进行了计算;李连进等对1Cr5Mo合金无缝钢管进行了正火、回火等过程的试验研究,得到了1Cr5Mo合金无缝钢管的最佳力学性能。

本文以N80级石油套管热处理的残余应力作为研究对象,对包钢石油套管热处理过程进行有限元模拟,建立了N80级石油套管热处理过程的三维瞬态非线性有限元模型,充分考虑了相变等因素,对石油套管淬火、回火以及冷却过程的温度场、应力场进行数值模拟,并拟定不同方案研究其对残余应力的影响。

1.参数的确定

在石油套管热处理的有限元模拟过程中,需要用到密度、弹性模量、泊松比、塑性应力―应变关系、线膨胀系数等力学物理参数以及热传导系数、比热容、相变潜热等热物理参数。相关的热物理参数如热传导系数、比热容等,都是随温度而变化的,通过查阅有关的工具手册即可获得。

2.热处理过程的模拟

2.1建模求解

本文研究的是N80级石油套管,尺寸为外径177.8mm,壁厚8.05mm,长度为5m,材质为34Mn6。石油套管采用实体单元,冷床采用刚性体,通过定义点―面接触来定义两者之间的接触。套管并采用C3D8T实体单元即八结点热耦合六面体单元。

表1 N80级钢的化学成分

C SiMnSPAl

0.3-0.60.15-0.351.3-1.6

2.2材料的热传导率对残余应力的影响

淬火冷却时产生的热应力是由于在此过程中截面温度差所造成的,截面温差越大,则产生的应力也就越大。而影响截面温差的一个主要因素就是材料的热传导率。采用BT100H套管与N80级套管作比较。

由计算结果可知,材料的热传导系数越小,淬火冷却时产生的残余应力也越大。这是因为,随着热传导系数的增加,套管的导热性也就越好。导热率越小,在淬火冷却时,套管表面和心部的温差越大,最终导致淬火的残余应力的增大。

2.3回火温度对残余应力的影响

回火过程是和淬火过程相连接的一个重要的热处理工序。将淬火后的状态作为回火的初始条件,使之衔接起来,大大增加了模拟计算的准确性。回火温度拟采用570℃、600℃、630℃、660℃几种方案,分别进行模拟。将以上四种方案分别进行模拟,将模拟得到的应力场进行比较,得出最佳方案。

由计算结果可以看出,回火温度能在很大程度上影响到残余应力的大小。随着回火温度的升高,应力不断的下降。但随着回火温度的升高,淬火钢的硬度伴随马氏体的分解而降低,套管的硬度将下降,因此在降低残余应力的同时,还必须要考虑到石油套管其他方面的性能。因此,对于N80级石油套管,在保证其他力学性能的前提下,660℃时的效果最好。

3.结论

(1) 对石油套管淬火温度场的数值模拟计算,套管温度在下降的过程中,当达到材料的固、液相线温度时,温度下降的速度变慢,这是由于此过程中释放的相变潜热导致,使温度变化曲线出现了一个缓慢变化的平台。

(2) 热传导率对残余应力有一定的影响。通过计算得出,热传导率越大,套管淬火后的残余应力越小。

(3)回火温度对减小残余应力起着主要的作用,决定了钢管热处理后的性能指标是否满足标准及用户的要求。由计算结果比较得出,回火温度在660℃时效果最好。

参考文献:

[1]SONG Dong-l,i GU jian-feng, ZHANG Wei-min, et a.l Nu-merical simulation on temperature andmicrostructure during quenching process of large-sized AISI P20 steel die blocks[A]. 14thCongress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering[C]. Shangha,i China,2004: 740-745.

[2] 许学军,陈国学,刘春成,等. 钢的淬火过程的数值模拟[J].大型铸锻件,1997,2(4):6-11.

[3]李连进,宗卫兵. 1Cr5Mo合金无缝钢管的热处理工艺研究[J].石油机械,2006,34,12:4-5.

作者简介:

第一作者:梁松,出生日期:1984年12月13,籍贯:沈阳,学历:硕士

第二作者:姜旭,出生日期:1984年8月15,籍贯:吉林省集安市,学历:硕士