本发明属于含缺陷井口装置结构件安全评定技术领域，尤其涉及一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法。
背景技术：
作为采油系统中的核心部件之一，井口油管头四通对油井的安全生产起着至关重要的作用。在使用过程中，井口油管头四通其内、外壁由于受到腐蚀、颗粒磨损、介质冲蚀碰撞、异常压力等因素的影响，会产生裂纹、壁厚减薄等缺陷，从而造成装置运行的安全隐患。如果井口油管头四通壳体内外部超标裂纹缺陷长期存在并且日渐膨胀，必定会造成壳体在某个工作状态下发生突然开裂，甚至爆破而危及人身、财产安全，此类安全事故在国内外均有发生，必须加强管理予以最大限度的规避。
现有针对含缺陷压力容器的评定方法主要有以下几种：1、《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》标准；2、《sy/t6160-2014防喷器检查和维修》标准等。然而发明人在研究后发现，上述现有针对含缺陷压力容器的评定方法存在有仅适用于规范尺寸的含缺陷压力容器、无法对复杂结构的承压结构件进行安全性校核评定；存在一定的经验性，判废的准确性和可靠度不够等缺陷。
技术实现要素：
本发明提供了一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法，该安全评定方法能够对应不同装配方式产生的约束条件对油管头应力分布的影响，提高了油管头四通应力分布有限元模拟计算值与实际构件应力分布的吻合度，从而能够更为准确的对含裂纹缺陷的油管头四通进行安全评定。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法，所述安全评定方法包括有如下步骤：
步骤1：确定油管头四通的几何尺寸；根据裂纹实际位置、形状和尺寸得到表征裂纹尺寸；
步骤2：确定油管头材料参数，油管头材料参数包括有弹性模量e、泊松比υ、屈服强度σs、抗拉强度σb、断裂韧度jic；
步骤3：建立油管头四通有限元模型；
步骤4：选取多轴应力状态下裂纹体上最大的主应力作为裂纹平面上的拉应力σ；根据断裂力学理论，计算油管头四通裂纹体上的应力强度因子ki；
ki满足：
其中，ψ为调和函数，查表可得；f满足：
步骤5：计算材料的临界应力强度因子kic，及评定用的材料断裂韧性kc；
其中，kic满足：
kc满足：kc＝0.5kic公式(4)；
步骤6：将步骤4所得应力强度因子ki与步骤5所得评定用的材料断裂韧性kc进行对比；若ki≤kc，则认定裂纹体安全；若ki＞kc，则认定裂纹体不安全。
较为优选的，步骤1具体可描述为：
将裂纹等效为半椭圆裂纹，得到表征裂纹尺寸具体为半椭圆裂纹的长半轴c及短半轴a。
较为优选的，所述步骤3建立油管头四通有限元模型可具体描述为：
以1/8含裂纹缺陷井口油管头四通为模型；
将1/8含裂纹缺陷井口油管头四通中第一纵向面、第二纵向面的延伸方向作为y轴，将1/8含裂纹缺陷井口油管头四通中横向面的延伸方向作为x轴，将垂直于x轴、y轴的方向作为z轴。
本发明提供了一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法，该安全评定方法包括有确定油管头四通的几何尺寸、计算得到表征裂纹尺寸；确定油管头材料参数；建立油管头四通有限元模型；计算油管头四通裂纹体上的应力强度因子ki；计算材料的临界应力强度因子kic、评定用的材料断裂韧性kc；对比应力强度因子ki与评定用的材料断裂韧性kc，确定裂纹体安全性能等步骤。具有上述步骤的含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法，其与传统的含缺陷压力容器的评定方法相比具有下列优点：
1)、可计算油管头四通这种局部结构不连续的构件的临界裂纹尺寸；
2)、由于在有限元模拟过程中充分考虑了法兰连接及卡箍连接这两种装配方式对油管头四通模型产生的约束，因此可更加准确的模拟计算出模型的应力分布情况；
3)、对多轴应力状态下的裂纹体用最大主应力代替裂纹面的垂直拉应力，提高了计算所得的临界尺寸的准确性。
附图说明
图1为本发明提供的一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法的流程示意图；
图2为1/8含裂纹缺陷井口油管头四通的示意图；
图3为油管头四通有限元模型边界条件设置示意图之一；
图4为油管头四通有限元模型边界条件设置示意图之二。
具体实施方式
本发明提供了一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法，该安全评定方法能够对应不同装配方式产生的约束条件对油管头应力分布的影响，提高了油管头四通应力分布有限元模拟计算值与实际构件应力分布的吻合度，从而能够更为准确的对含裂纹缺陷的油管头四通进行安全评定。
如图1所示，本发明提供了一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法具体包括有如下步骤：
步骤1：确定油管头四通的几何尺寸；根据裂纹实际位置、形状和尺寸得到表征裂纹尺寸；
其中，作为本发明一种较为优选的实施方式，在确定表征裂纹尺寸时，将裂纹等效为长半轴为c、短半轴为a的半椭圆裂纹。
步骤2：确定油管头材料参数，油管头材料参数包括有弹性模量e、泊松比υ、屈服强度σs、抗拉强度σb、断裂韧度jic；
步骤3：建立油管头四通有限元模型；
具体的，如图2所示，首先以1/8含裂纹缺陷井口油管头四通为模型；其中，将1/8含裂纹缺陷井口油管头四通中第一纵向面d、第二纵向面h的延伸方向作为y轴，将1/8含裂纹缺陷井口油管头四通中横向面i的延伸方向作为x轴，将垂直于x轴、y轴的方向作为z轴(参考图3、图4)。此外，可选择的，对于法兰约束而言，限制由外向内的第一法兰端面a、第二法兰端面b、第三法兰端面c的垂直方向上的位移；第二法兰端面b、第三法兰端面c为凸起端面。对于卡箍连接约束而言，限制由外向内的第一卡箍端面e、第二卡箍端面f垂直方向上的位移，限制卡箍曲面j的垂直平面位于y、z方向上的位移，约束卡箍斜曲面k的x、y、z方向上的位移；对于裂纹平面g与对称平面的第一纵向面d具有奇异性，因此在裂纹平面g上不设置任何约束条件；
步骤4：选取多轴应力状态下裂纹体上最大的主应力作为裂纹平面上的拉应力σ；根据断裂力学理论，计算油管头四通裂纹体上的应力强度因子ki；
ki满足：
其中，ψ为调和函数，查表可得；f满足：
具体的，通常来说结构件中的裂纹属于三维ⅰ型表面裂纹，根据断裂力学理论可以知道，此时油管头四通上裂纹体处于多轴应力状态，因此特选取最大的主应力作为裂纹平面上的拉应力σ；并根据公式(1)、(2)计算油管头四通裂纹体上的应力强度因子ki，具体计算过程在此不做赘述；该应力强度因子ki用于反映油管头四通裂纹体实际断裂韧性。
步骤5：计算材料的临界应力强度因子kic，及评定用的材料断裂韧性kc；
其中，kic满足：
kc满足：kc＝0.5kic公式(4)；
其中，公式(3)、(4)所使用参数由步骤2计算所得。
步骤6：将步骤4所得应力强度因子ki与步骤5所得评定用的材料断裂韧性kc进行对比；若ki≤kc，则认定裂纹体安全；若ki＞kc，则认定裂纹体不安全。
最后需要补充说明的一点是，为进一步提高本发明提供安全评定方法的准确性，在进行完一次评定后可重新建立有限元建模并重新预置裂纹缺陷情况并再进行多次评定，并进行综合评估最终确定井口油管头四通裂纹缺陷的安全性能。
本发明提供了一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法，该安全评定方法包括有确定油管头四通的几何尺寸、计算得到表征裂纹尺寸；确定油管头材料参数；建立油管头四通有限元模型；计算油管头四通裂纹体上的应力强度因子ki；计算材料的临界应力强度因子kic、评定用的材料断裂韧性kc；对比应力强度因子ki与评定用的材料断裂韧性kc，确定裂纹体安全性能等步骤。具有上述步骤的含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定方法，其与传统的含缺陷压力容器的评定方法相比具有下列优点：
1)、可计算油管头四通这种局部结构不连续的构件的临界裂纹尺寸；
2)、由于在有限元模拟过程中充分考虑了法兰连接及卡箍连接这两种装配方式对油管头四通模型产生的约束，因此可更加准确的模拟计算出模型的应力分布情况；
3)、对多轴应力状态下的裂纹体用最大主应力代替裂纹面的垂直拉应力，提高了计算所得的临界尺寸的准确性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。