摘要 为考查D级空心抽油杆不同摩擦焊接工艺性能的可靠性,采用电测试验应力法测试抽油杆焊接接头的应力集中系数β。在静拉伸条件下进行应变测试，测得抽油杆焊接接头平均应力集中系数为1.0915,各应力集中系数分散性较小,说明摩擦焊接工艺稳定可靠。在MTS—810材料试验机上做了抽油杆短杆接头的疲劳试验，采用数理统计方法统计分析D级空心抽油杆疲劳性能，获得D级杆的P-S-N曲线和疲劳极限图,求得存活率P=99.9%及对应寿命N=107时抽油杆的*应力水平为244.37MPa。统计结果表明，按有关工艺制造的D级空心抽油杆疲劳强度满足使用要求。
主题词 空心抽油杆 性能 疲劳试验
Fatigue test of grade D sucker rod
Fang Jun
(University of Petroleum, Dongying City, Shandong Province),
Yan Xiangzhen, Sun Nengfu, et al.
Fatigue test of grade D sucker rod. CPM, 1999, 27(9): 16～18
In order to examine the reliability of different friction welding technologies for grade D hollow sucker rod, the stress concentration coefficients of sucker rod welding joints are tested with the electrometrical test method. Strain test made under static tension shows that, the stress concentration coefficients of the rod welding joints vary in a fairly narrow range, and the mean value is 1.0915, this means the friction welding technology is stable and reliable. Fatigue test of sucker rod substitutes is made on Model MTS—810 material test machine. The fatigue property of grade D hollow rod is analyzed by using the mathematical statistics method, and the P-S-N curve and fatigue limit diagram are obtained. The calculation shows that the maximum stress of sucker rod is 244.37MPa when the livability is 99.9% and the corresponding life is 107. The statistics result proves the fatigue strength of grade D hollow rod manufactured with relevant technologies satisfying operation requirements.
Subject Concept Terms hollow sucker rod property fatigue test
使用空心抽油杆能进行电加热或注蒸汽加热，有效地降低井液的粘稠性，并具有熔蜡和防止结蜡的效果,从而大大提高抽油杆在稠油生产中的疲劳寿命。在空心抽油杆的研制中，接头位置摩擦焊缝的工艺可靠性是控制空心抽油杆质量的关键技术。为考查空心抽油杆的制造工艺水平，对由35CrMo钢制造的D级摩擦焊接空心抽油杆，经过优化筛选确定出A、B、C三种工艺参数，加工成短杆试件。试件分A、B、C三类,分别代表三种优选出的不同摩擦焊接工艺。抽油杆规格为35mm×5.5mm，按照有关标准进行疲劳试验，并测试摩擦焊接接头的应力集中系数，对焊接工艺的可靠性进行研究。
应力集中系数测试与P-S-N曲线
1.抽油杆焊接接头的应力集中系数β测试
为考查抽油杆不同摩擦焊接的工艺性能,测试了焊接接头的应力集中系数β。分别在焊缝位置与杆体上沿轴向粘贴1mm×1mm电阻应变片,采用YD—80应变仪，在静拉伸条件下进行应变测试,焊接接头的应力集中系数β如表1所示。测得这批抽油杆焊接接头平均应力集中系数为1.0915,且各试件的应力集中系数分散性较小,说明焊接工艺稳定可靠。
表1 抽油杆焊接接头应力集中系数β
| 试件号 | 接头应力集中系数 | 平均值 |
| A1 | 1.0945 | 1.0954 |
| A2 | 1.0963 | |
| B1 | 1.0993 | 1.1038 |
| B2 | 1.1083 | |
| C1 | 1.0746 | |
| C2 | 1.0878 | 1.0807 |
| C3 | 1.0796 | |
| 总平均 | 1.0915 |
| 2.空心抽油杆的P-S-N曲线 (1)疲劳试验 常规机械性能检验说明3种焊接工艺均满足要求。由于抽油杆在工作时承受交变载荷作用，为了检验空心抽油杆的抗疲劳性能，对其进行了疲劳试验。本次试验在MTS—810材料试验机上进行。共有16根短杆试件，试件包括焊缝、接头和接箍，试件总长度800mm，加载水平分为三级，试验频率为16Hz,*试验应力分别取371、391和411MPa，取应力比r=0.3。疲劳试验数据见表2。 表2 35CrMo钢空心抽油杆疲劳试验数据 |
| 试件 编号 |
*应力 (MPa) |
最小应力 (MPa) |
循环寿命 Ni(×106) |
断裂 位置 |
| A1 | 371 | 123.7 | ＞1.1 | |
| A2 | 0.701 | 焊缝 | ||
| B1 | 0.892 | 焊缝 | ||
| B2 | 0.318 | 焊缝 | ||
| C1 | ＞1.1 | |||
| C2 | 0.782 | 母材 | ||
| C3 | 0.548 | 焊缝 | ||
| A-3 | 391 | 130.3 | 0.285 | 焊缝 |
| A-4 | 0.185 | 焊缝 | ||
| B-3 | 0.362 | 焊缝 | ||
| B-4 | 0.301 | 焊缝 | ||
| C-4 | 0.470 | 焊缝 | ||
| A-5 | 411 | 137.0 | 0.140 | 焊缝 |
| B-5 | 0.103 | 焊缝 | ||
| C-5 | 0.147 | 焊缝 | ||
| C-6 | 0.095 | 焊缝 |
| (2)参数估计 分布参数是根据样本的试验数据进行估计的，假设空心抽油杆在各级应力水平下的疲劳寿命按对数正态分布［1，2］。首先把各级应力水平下的疲劳寿命Ni取对数Xi,并依大小顺序排列，即 由0＜N1≤N2≤…≤Nn 取 Xi=lgNi 得 -∞＜X1≤X2≤…≤Xn 对数疲劳寿命的均值和标准差S分别按式（1）和式（2）计算 对数平均寿命 (1) 标准差 (2) (3)指定存活率P下的疲劳寿命 式(1)求得的对数疲劳寿命均值是指在存活率P=50%的对数疲劳寿命。采用最小二乘法，对存活率P=50%时的疲劳寿命进行直线拟合，设直线方程为［1,2］ lgN=a+blgS (3) 式中 (4)
(5) 若要计算任意指定存活率P的疲劳寿命，可利用式(6) (6) 式中 ——对应任一存活率P的对数安全疲劳寿命； uP——正态偏量。 (7) 式中 (8)
(9) 相关系数 (10)
(11)
(12)
(13) 式中 Si——各级疲劳试验的*应力水平； 表3 空心抽油杆P-S-N曲线数值 |
| 存活率P(%) | P-S-N曲线计算式 | 相关系数R |
| 99.9 | lgN99.9=30.3403969-9.77382lgS | -0.99657 |
| 99 | lgN99=35.1076155-11.56989lgS | -0.99716 |
| 50 | lgN50=47.195187-16.099467lgS | -1 |
| 由表3求得存活率P=99.9%,对应寿命N=107时抽油杆的*应力水平为
σN=107=σr=244.37MPa (18)
图1 双对数坐标下的P-S-N曲线 图2 35CrMo钢空心抽油杆P-S-N曲线 结 论 (1)抽油杆焊接接头平均应力集中系数为1.0915,且各试件之间应力集中系数的分散性较小,说明焊接工艺稳定可靠。 作者单位:房 军 阎相祯 石油*.华东 参 考 文 献 1 高镇同.疲劳应用统计学.北京:国防工业出版社,1986：149～157 |
