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使用光学动态三维位移分析技术对螺纹套管接头的疲劳裂纹扩展进行评价J. Van Wittenberghe , P. De Baets , W. De Waele , T.T. Bui , G. De Roeck 摘要螺纹套管接头疲劳裂纹扩展的测量是在实验室条件下的挑战。在目前的研究中，一个光学动态三维位移分析技术用于在负载控制的疲劳试验的螺纹管组件的变形监测。当裂纹扩展时，管子的弯曲刚度减小，测量挠度增大。另外一个LVDT用于监测裂纹张开位移。两个测量信号是一个组件的有限元模拟的结果与三个不同的裂纹相比。在三个不同的时刻，在测试期间，海滩标记周期被施加到在断裂表面裂纹形状的标记。基于断裂表面的视觉观察来进行裂纹形状的模拟。利用有限元模型得到的结果与实验测量结果能够很好的吻合。关键词：裂纹扩展，疲劳，疲劳标记，管道失效，螺纹连接1 序言 油和天然气工业中常用的螺纹套管接头连接管道，立管，钻杆，套管等在承受动力荷载的连接，像局部应力集中能萌生疲劳裂纹的线程。增加疲劳寿命，连接设计不断改进1,2。然而，一个主要的问题是即使在实验室条件下的在线检测和疲劳裂纹监测。裂缝往往在接触界面启动在螺纹根部离管道外表面。这使得它很难有一个明确的区分之间的裂缝萌生和扩展 3 。裂纹尺寸的螺纹紧固件是最常见的技术交流磁场测量（ACFM） 4 和漏磁（MFL） 5 。两种技术都需要连接到可拆卸用于测量，使连续的在线监测是不可能的。当超声检查用于裂纹测量在螺纹连接中，他们可以保持耦合。然而，与传统的超声检测方法很难区分缺陷的反射信号的不同线程。因此，先进的信号处理使超声检测适用于疲劳裂纹增长 6 在线监测是必要的。在这项研究中，螺纹管组件的裂纹扩展是通过一个光学三维动态挠度测量监测的管道。使用三种不同的基准时间的海滩标记技术可以精确的裂纹形状确定。这些裂纹形状，然后介绍了有限元模型和管偏转和裂纹开口模拟结果与实测结果比较。2.过程描述 疲劳试验在4.500 API管线管一四点处弯曲设置进行了螺纹连接。测试设置示意图如图1所示。试样由两管与外部直径为114.3毫米的螺纹端部（1b），通过螺纹联接（1a）。该联接件具有外直径132.1毫米，长度114.3毫米。耦合线与API 5B规格 7 一致。试件的材料是B级钢在指定的API 5L 8 。通过对管道材料的屈服强度为355 MPa，抗拉强度的拉伸试验方法，502 MPa的测定。测试试样是由两个支持位于3米除了在一个中央的刚性梁进行。应用垂直力由液压缸（2）相连，通过球接头横梁（4）。测量所施加的力，一个安装在传感器（3）。光束传输负载对试样以间隔1米的两个点除了。试验条件下进行负荷控制在2赫兹的频率测量。所施加的负载比R = 0.1。与最大和最小负载分别等于最大= 18 kN和FMIN = 1.8 kN。这对应于所施加的应力范围155兆帕在螺纹管的外纤维。当疲劳裂纹，管的弯曲刚度降低，因此管挠度增加自试验条件下进行负荷控制。衡量这一偏转，21反射光学标记（6）连接到标本，其中3被连接到管接头和9每两个管道。这些点的位移通过光学三维动态位移测量系统测量。该系统由两个高速数字相机这是固定在一个刚性杆。此外，在相机，两个集成的闪光LED照明测量系统地区同步图像的记录。在数据被捕获，它是处理后生成的标记位移。该系统的精度是约50的LM在这方面的应用。由于闪光灯LED标记显示在捕获的图像清晰点在图2中可以看到。额外的标记附在支撑架一个固定的参考。由于疲劳裂纹将开始从最后啮合螺纹的管 9 ，LVDT（5）安装在的耦合，测量耦合的边缘，在管体上靠近一点间的轴向距离耦合。这样，当裂纹开始传播，裂纹张开位移可以测量。3. 断裂面 在三个不同的时刻，在测试过程中（后22000，24000和24250负荷周期），负载范围内降低了获得海滩标记的周期数。应力范围和循环次数必须选择使他们不贡献裂纹的增长明显。在这海滩上标记环，所施加的最大的力保持不变，但最小的力急剧增加，使负荷比为R = 0.85。这道裂缝增长率变得可以忽略不计和明确的海滩标记线出现在疲劳断口的 10 。数量有限海滩标记周期不算作负荷周期。 图1，图式化的四点弯曲疲劳设置视图。图2。偏转的光学标记的光学三维动态位移测量系统。在图3中，发起最后啮合螺纹的右管裂纹的最终的断裂面显示。放大的的区域，表明在四个矩形图4是在。海滩上的标记线可以很容易区分。在在图的下部，断裂表面的不同区突出。可以看出，裂纹沿螺纹根部和传播在0和22000负荷周期之间的圆周上一大段没有壁厚而沿管周向的增加是有限的。一旦管壁被违反的裂纹迅速在两个不同的裂纹可以从24000和24250之间的周期裂纹区看到。经过24250次循环的裂纹增长变得越来越不稳定。试验是在24700个周期的终止。通过管壁厚的传播。在随后的2000负荷周期裂纹传播图3上图：断裂表面，矩形区域magnified在图4；底：突出区域divided by theBeach马克线图4Detailed View of the断口以及海滩标记线，表示在图34.结果与讨论 在22000的光学系统测量的偏转，24000和24250的周期已结果的比较有限元模拟。在这个简化的线性弹性模型，螺纹管标本是仿照不以考虑到确切的接触界面及螺纹几何。只有外耦合的几何形状被认为是。三裂的形状，随后使用模拟裂缝缝'选项在ABAQUS 11 基于裂纹的几何形状海滩标记线的断裂表面上发现的。有限元模型的剖面视图如图5所示。由于线性弹性材料模型时，裂纹尖端的应力超过材料的抗拉强度，但因为这是唯一的一个局部效应它是假定它没有在管全球偏转的重要影响。模拟挠度形状的原始管组件无裂纹和三种不同的管道裂纹形状与图6中的实验测量。有限元分析结果进行了的线，而测量个人的光学标记被绘制要点。可以看出，有很好的相关性之间的测量和模拟的变形，他们表现出相同的定性趋势，只有有限数量的偏差。沿管毫米的距离图6。测量位移和模拟之间的比较表1实验测量的结果和有限元模拟总结。的均方根偏差之间的模拟和测量的偏转是0.10毫米的原始管，0.09毫米，1裂，0.11毫米裂纹2毫米和0.16毫米的第三裂纹。因此，对于不同的变形的平均偏差为0.12毫米最大的的未裂解管偏转约12.5毫米。22000次循环后偏转增加约0.58毫米。它可以看出，对含裂纹管道的变形变得不对称。由于在裂纹的存在对，该管的右侧有一个更高的偏转。这一趋势中都可以清楚地看到的实验和模拟挠度。22000次循环后，出现的裂纹深度2.73毫米。这对应于一个挠度增大0.58毫米，由于测量和建模的变形之间的平均偏差为0.12毫米，可以说裂纹深度可估计的准确度约0.6毫米（0.12 / 0.58 = 2.73毫米）。这是小于常规测量技术工作，漏磁和超声波检测，0.2毫米和0.3毫米之间的精度（见表2）。不过，随着ACFM技术，裂纹需要超过1毫米深才能检测到 12 和两种和漏磁测量，测试应中断和连接脱开。当超声检查与先进的信号处理在 6 描述将被使用，无需切断连接，但该试验是停下来获得精确的测量。因此，虽然所提出的动态光学三维测量技术是不准确的裂纹深度尺寸比传统的方法，它可以在实验室测试的在线监测。点LVDT安装，也包含在有限元模型，测得的位移对模拟相关。在图7中每个负荷周期相对于最大值时的最大位移第一负载周期期间值绘制。此外，相同的是三个不同的模拟裂缝，这些图中的离散点。一次实验和模拟值之间有很好的对应可以观察（均方根偏差= 0.031毫米）。应该指出的是，虽然经过22000个周期上传播的largesegment管圆周通过墙体裂缝的很大一部分，LVDT的裂纹张开位移而有限（只有0.05毫米）。然而，24000次循环后，当裂纹传播通过的壁的厚度，测得的裂纹开口迅速增加。表1，结果概述表2 传统的裂缝的大小的方法，根据5,6,12 精度。数的周期图7，模拟和裂纹之间的张开位移测量结果的比较。5. 结论 一种光学动态三维位移分析技术在螺纹套管对裂纹扩展使用装配方法。这是由全球管挠度和裂缝的一个额外的测量做了张开位移。这两个测量值进行比较的一个简化的有限元模型的裂纹管组件。模拟裂纹的形状是基于裂纹线介绍了断口表面的海滩标记周期。实验结果有很好的对应的模拟。虽然它的精度小于常规裂纹尺寸的测量技术，可以在不中断试验。因此，光学分析技术已被证明是一个有用的工具来评估疲劳裂纹扩展的应用。致谢 作者由衷致谢肯特大学以及FWO Vlaanderen的bof基金会提供的经济支持。参考文献1 Shilling R, Payne ML, Massaglia J, Sches C, Leyer J, Pinto J. 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