带环向表面裂纹矿用钻杆静扭试验及应力场分析.pdf

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1、煤炭工程第４９卷第６期ＣＯＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ?４９，Ｎｏ?６ｄｏｉ：１０?１１７９９／ｃｅ２０１７０６０２９带环向表面裂纹矿用钻杆静扭试验及应力场分析王想（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆４０００３９）摘要：为了研究表面环向裂纹对矿用钻杆性能的影响，基于弹性断裂力学理论对问题进行分析，对含有不同长度和深度环向裂纹共９根钻杆进行了静扭试验，得到了钻杆断裂扭矩和裂纹的开裂角。试验结果表明：在裂纹尺寸较小时（长１０ｍｍ、深２?５ｍｍ），裂纹不易扩展；裂纹开裂角在１０°左右，随着裂纹深度的增大开裂角有增大趋势

2、；裂纹长度或深度中某一参数较大时，随着另一参数的增大，钻杆断裂扭矩急剧减小。使用有限元数值模拟方法再现了裂纹开裂前裂纹附近的应力分布情况，并得出结论。这些结论对钻杆的设计及现场事故处理具有指导意义。关键词：钻杆；环向表面裂纹；静扭试验；有限元数值模拟中图分类号：ＴＤ４２１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－０９５９（２０１７）０６⁃００９９⁃０４Ｓｔａｔｉｃｔｏｒｓｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｄｗｉｔｈｓｕｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ

3、ｃｒａｃｋＷＡＮＧＸｉａｎｇ（ＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｈｏｎｇｑｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｒａｃｋｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｉｎｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｄｓ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｌｉｎｅａｒｅｌａｓｔｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ

4、．Ｓｔａｔｉｃｔｏｒｓｉｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒ９ｍｉｎｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｄｓ，ａｎｄｔｈｅｃｒａｃｋｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｎｇｔｈｓａｎｄｄｅｐｔｈｓｗｅｒｅｐｕｔｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｄｓｉｎａｄｖａｎｃｅ．Ｔｈｅｔｏｒｑｕｅｖａｌｕｅｓｏｆｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｎｄｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈａｎｇｌｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｃｒａｃｋｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｐｒｏｐａｇａｔｅｗｈ

5、ｅｎｔｈｅｓｉｚｅｏｆｃｒａｃｋｉｓｔｏｏｓｍａｌｌ（ｌｅｎｇｔｈ１０ｍｍ，ｄｅｐｔｈ２?５ｍｍ）；ｔｈｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈａｎｇｌｅｉｓａｂｏｕｔ１０°，ｗｈｉｃｈｒｉｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｒａｃｋｄｅｐｔｈ；ｗｈｅｎｔｈｅｌｅｎｇｔｈ（ｄｅｐｔｈ）ｏｆｔｈｅｃｒａｃｋｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅ，ｔｈｅｔｏｒｑｕｅｏｆｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｓｈａｒｐｌｙｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｒａｃｋｄｅｐｔｈ（ｌｅｎｇｔｈ）．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ

6、ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅｔｈｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｅｃｒｅａｓｅｓａｌｍｏｓｔｌｉｎｅａｒｌｙｏｎｂｏｔｈｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｃｒａｃｋｆｒｏｍｏｕｔｓｉｄｅｔｏｉｎｓｉｄｅ．ｗｈｉｃｈｓｕｇｇｅｓｔｓｔｈｅｃｒａｃｋｗｉｌｌｐｒｏｐａｇａｔｅｆｒｏｍｉｎｎｅｒｃｉｒｃｌｅｅｄｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌｉｎｇｒｏｄ；ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｕｒｆａｃｅｃｒａｃｋ；ｓｔａｔｉｃｔｏｒｓｉ

7、ｏｎｔｅｓｔ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ［５］钻孔施工是进行采掘作业和执行安全措施的重要基础明利用大型疲劳试验台对矿用外平钻杆进行了疲劳试验，［６］工作，各矿山的钻孔施工工程量非常大，因此，钻杆的使得到了钻杆疲劳寿命及断口形式；赵广慧等基于Ｊ积分用量大、且频繁。现场数据表明，钻杆的可靠性对钻杆施对含环向椭圆形表面裂纹的钻杆在拉扭外载荷作用下断裂工效率和施工安全有很大影响，其设计研究一直受到高度特性进行了研究，结果表明扭矩是造成裂纹扩展的主因。［１，２］重视。统计发现，钻杆的失效一般与钻杆的表面伤痕和应力强度

8、因子是线弹性断裂力学的核心参数，对它的［３］初始裂纹有关，存在缺陷的钻杆在复杂应力作用下，使研究也是线弹性断裂力学研究的主要内容。较为简单的裂［７－１１］其裂纹扩展，最终断裂失效。纹可用解析的方法求解，大多数需借助数值模拟的方圆柱（管）在零部件中是较为常见的结构形式，复杂应法进行分析。以往的研究大多是利用线弹性断裂力学对含力状态下