超高壓泵頭體自增強后的殘余應力與疲勞壽命研究.pdf

1、隨著非常規(guī)油氣資源成為新的能源開發(fā)方向，水力壓裂技術對壓裂機組提出了超高壓、大排量和長壽命的更高性能要求。泵頭體的十字交叉孔內(nèi)腔結構復雜，在脈動循環(huán)的超高內(nèi)壓作用下疲勞壽命低，容易導致疲勞開裂。自增強技術是一種利用殘余應力來提高壓力容器承載能力和疲勞壽命的有效手段。對泵頭體實施液壓自增強處理，能夠使泵頭體內(nèi)腔產(chǎn)生有利的殘余應力，從而使泵頭體的承壓能力和疲勞壽命都得到大幅度提高。因此，研究超高壓泵頭體自增強后的殘余應力與疲勞壽命，具有十分

2、重要的意義。
　　論文以3000型壓裂泵的泵頭體為研究對象，通過開發(fā)和運用混合硬化彈塑性本構UMAT，獲得準確的泵頭體自增強殘余應力場分布情況;基于多軸疲勞臨界面理論，分析出了該泵頭體的最佳自增強壓力;然后通過理論分析和類比試驗，對自增強處理后的疲勞壽命提高效果進行了定量評價;最后從裂紋萌生和裂紋擴展兩方面，研究了自增強殘余應力對泵頭體疲勞裂紋的影響。論文所做的主要工作如下:
　　(1)基于混合硬化本構模型的自增強殘余應力分

3、析
　　混合硬化法則與金屬材料的實際硬化行為更為接近，適合用于模擬具有反向加載的自增強殘余應力分析。將背應力更新算法、應力補償更新算法和一致性剛度矩陣更新算法，運用于混合硬化彈塑性本構UMAT開發(fā)。通過可靠性驗證和拉伸試驗模擬對比分析發(fā)現(xiàn)，混合硬化UMAT能很好地模擬出材料的應變硬化和包辛格效應，計算精度高，適合用于泵頭體自增強殘余應力場的精確分析。
　　(2)泵頭體最佳自增強壓力研究
　　通過泵頭體工程應用失效分析和

4、極限工況應力分析，確定泵頭體的失效模式屬于多軸應力下的高周疲勞。以塑性應變量作為判據(jù)，在泵頭體不發(fā)生反向屈服的前提下，求得以靜強度最大為標準的泵頭體最佳自增強壓力;考慮泵頭體多軸疲勞臨界面和殘余應力對疲勞壽命的影響，提出一種以應力集中點多軸疲勞壽命最長為標準的最佳自增強壓力確定新方法。經(jīng)過最佳自增強壓力處理后，泵頭體內(nèi)腔等效應力峰值明顯下降、應力分布更加均勻。
　　(3)自增強泵頭體疲勞壽命分析與試驗研究
　　基于應力疲勞分

5、析理論，通過試驗測試獲得泵頭體材料的S-N曲線，用最大似然估計法得到置信度為99.9％的P-S-N曲線。在此基礎上，設計了含缺口圓環(huán)來類比泵頭體的內(nèi)腔應力集中情況，通過理論分析和對頂壓疲勞試驗得出，自增強圓環(huán)疲勞壽命是未自增強圓環(huán)的3倍左右?；贏BAQUS與MSC.Fatigue數(shù)值分析軟件，采用Signed von Mises應力分量，考慮自增強殘余應力的影響，選用平均應力的Goodman修正方法，對泵頭體進行了全壽命分析。結果表明

6、:自增強處理后泵頭體疲勞壽命，可提高到原來的3.1倍。估計S-N曲線的分析結果最為保守，實驗S-N曲線的分析得到的疲勞壽命最大。
　　(4)自增強殘余應力對泵頭體疲勞裂紋的影響
　　從裂紋萌生和裂紋擴展兩方面，研究了自增強殘余應力對泵頭體疲勞裂紋的影響。泵頭體自增強處理使應力集中點的屈服強度提高、獲得三向殘余壓應力、應力比降低，三個方面的改變均能有效提高材料的裂紋萌生壽命;當裂紋尖端的最小應力強度因子大于零時，自增強殘余壓應