本发明涉及含缺陷井口装置结构件安全评定计算领域，具体而言是涉及一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定计算方法。
背景技术：
目前，井口油管头四通是采油系统中的核心部件之一，对油井的安全生产起着至关重要的的作用。在使用过程中，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，会产生裂纹、壁厚减薄等缺陷，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。然而目前无有效的检测、评定裂纹尺寸安全性的方法，而建立安全可靠的检测评定方法的基础是进行准确可靠的结构完整性评价，因此对含缺陷井口装置进行准确的应力分析及安全评定，确定油管头四通裂纹缺陷的临界尺寸具有重要的研究意义。
现有的含缺陷压力容器的评定方法有以下几个：
（1）针对含缺陷压力容器的安全评定问题，《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》标准中提供了对含各种缺陷类型压力容器的多种安全评定方法。具体步骤如下：
1）对经检测查明的缺陷，根据实际位置、形状和尺寸按规定进行缺陷的规范化，并得到相应的表征裂纹尺寸a、c。该表征尺寸乘以应力分安全系数后作为计算用的表征裂纹尺寸a、c值。
2）确定常规评定中所需的一次应力和二次应力的应力分量pm、pb、qm、qb，分别计算各类分量的代数和，并乘以应力分安全系数，由此所得的应力值即表征应力。
3）按材料手册规定，确定评定工况下材料的屈服点σs和抗拉强度σb及j积分断裂韧度jic。jic
4）计算ki所需的材料断裂韧度kc可以由测得的j积分断裂韧度
5）在不能直接得到jic的值时，可直接测量材料的平面应变断裂韧度kic，此时计算ki所需的kc值可用kic值代替；也可采用ctod断裂韧度δc值，按公式(2)估算kc的下限值：
6）kip和kis的计算
一次应力pm、pb和二次应力qm、qb作用下的应力强度因子kip、kis按规定计算。计算中所需的表征裂纹尺寸和应力，分别按1）和2）的规则确定。
7）kr的计算
断裂比kr值按公式(3)计算：
式中：
g——相邻两裂纹间弹塑性干涉效应系数,按《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》附录a的规定确定；
kp——评定用材料断裂韧度,即按5）求得的kc值除以《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》表5-1规定的分安全系数；
ρ——塑性修正因子,按公式（4）求得：
式中，ψ1的值可以由《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》图5-14查得。lr按6）和《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》附录c的规定计算求得。
8）lr的计算
载荷lr按标准的附录c的规定计算。计算所需的一次应力和表征裂纹尺寸，分别按1）和2）的规则确定。
9）安全性评价
将按5）和6）计算得的kr值和lr值所构成的评定点(lr,kr)绘在常规评定通用失效评定图2中。如果该评定点位于安全区之内，则认为该缺陷经评定是安全的或者可以接受的；否则认为不能保证安全或不可接受。如果lr<lrmax而评定点位于失效评定曲线上方，则容许采用《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》附录f的分析评定方法重新评定。
(2)《sy/t6160-2014防喷器检查和维修》7.1中对防喷器判废通用要求为：1)出厂时间满16年时；2)承压件结构形状出现明显变形；3)法兰厚度最大减薄量超过标准厚度的12.5%；4)、主通径孔在任一半径方向上的磨损量超过5mm，且已经进行过两次补焊修复；5)、承压件本体产生裂纹等。
(3)陈学东等人提出了一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，可用于蠕变载荷作用下含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定。
上述的(1)中《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》仅适用于对尺寸较为规范的含缺陷压力容器进行安全评定，对局部结构不连续的井口装置结构件而言，此方法无法对含缺陷的井口装置等结构较为复杂的承压结构件进行安全性校核评定。
(2)中现有的井口装置结构件的判废标准，存在一定的经验性，依据设备外观和使用历史进行安全性评定，判废的准确性和可靠度不够。
(3)中陈学东等人提出了一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，仅适用于高温管道中的裂纹安全性评定，适用范围有限，不适用本发明涉及的相关井口装置结构件。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定计算方法，能对应不同的装配方式产生的约束条件对油管头应力分布的影响，提高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，进而能更加准确对含裂纹缺陷的油管头四通进行安全评定，进而精确判断其临界安全尺寸。
本发明的技术方案是：一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定计算方法，包括以下步骤：
（1）确定油管头四通的几何尺寸，由裂纹实际位置、形状和尺寸按规定进行缺陷的规范化，并得到相应的表征裂纹尺寸a、c；
（2）确定油管头的相关材料参数，包括：弹性模量e、泊松比υ、屈服强度σs、抗拉强度σb、断裂韧度jic；
（3）有限元模拟：利用有限元软件abaqus建立油管头四通的有限元模型；其中，第一纵向面（d）和第二纵向面（h）沿y方向延伸，横向面（i）沿x方向延伸，z方向分别与x方向和y方向垂直设置；准确设置油管头四通的边界约束条件，对于对称边界而言，在第一纵向面（d）、第二纵向面（h）和横向面（i）设置其垂直方向上的对称约束；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；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；通过有限元软件计算获得含裂纹油管头四通的应力分布数据；
（4）由于结构件中的裂纹属于三维ⅰ型表面裂纹，此时油管头四通上裂纹体处于多轴应力状态，选取裂纹体上的最大主应力σ1max作为裂纹平面上的拉应力σ进行计算,根据断裂力学理论，井口油管头四通由裂纹引起的断裂属于脆性断裂，由公式(1)计算油管头四通裂纹体上的应力强度因子ki：
其中，裂纹为表针椭圆，f由公式（2）求得：
（5）由公式（3）计算材料的临界应力强度因子kic，对断裂韧性取0.5倍的分安全系数，如公式（4）所示，得评定用的材料断裂韧性kc：
（6）将计算获得裂纹体上的应力强度因子ki与评定用的材料断裂韧性kc进行对比，判定此尺寸的裂纹体的安全性；
（7）改变油管头四通上预置裂纹的尺寸，重复步骤（3）~（6），求得裂纹体上的应力强度因子ki近似评定用的材料断裂韧性kc时的裂纹缺陷尺寸。
步骤（1）中的表征裂纹为将裂纹等效为长半轴为c，短半轴为a的半椭圆裂纹。
所述油管头四通的有限元模型为1/8含裂纹缺陷井口油管头四通模型。
所述步骤（3）中的裂纹平面（g）与对称平面的第一纵向面（d）具有奇异性，在裂纹平面（g）上不设置任何约束条件。
所述步骤（6）中对应力强度因子ki与评定用的材料断裂韧性kc进行对比后，若ki=kc，可得裂纹缺陷临界尺寸，若ki≠kc，有限元建模并预置裂纹缺陷。
所述步骤（3）中的第一纵向面（d）和第二纵向面（h）为处于油管头四通纵向出口处沿y方向的纵向截面。
所述步骤（3）中的横向面（i）为处于油管头四通横向出口处沿x方向的横截面。
所述步骤（3）中的第二法兰端面（b）、第三法兰端面（c）为凸起端面。
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：能对应不同的装配方式产生的约束条件对油管头应力分布的影响，提高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，进而能更加准确对含裂纹缺陷的油管头四通进行安全评定，进而精确判断其临界安全尺寸。在裂纹缺陷评定过程中，用最大主应力代替裂纹面的垂直拉应力计算应力强度因子，则评定结果更为安全合理，使获得的裂纹临界安全尺寸更具实际工程应用意义。
附图说明
图1为背景技术中《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》标准的平面裂纹缺陷的常规评定流程；
图2为背景技术中常规评定中评定点在失效评定图中的位置；
图3为1/8含裂纹缺陷井口油管头四通示意图；
图4为含裂纹井口油管头四通边界条件设置示意图（1）；
图5为含裂纹井口油管头四通边界条件设置示意图（2）；
图6为含裂纹井口油管头四通最大主应力云图示意图；
图7为计算方法流程示意图。
具体实施方式
下面是结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一：
参照图3-图7，一种含裂纹缺陷井口油管头四通安全评定计算方法，包括以下步骤：
（1）确定油管头四通的几何尺寸，由裂纹实际位置、形状和尺寸按规定进行缺陷的规范化，并得到相应的表征裂纹尺寸a、c，将裂纹等效为长半轴为c，短半轴为a的半椭圆裂纹。
（2）确定油管头的相关材料参数，包括：弹性模量e、泊松比υ、屈服强度σs、抗拉强度σb、断裂韧度jic；
（3）有限元模拟：利用有限元软件abaqus建立油管头四通的有限元模型；如图3所示。其中，第一纵向面d和第二纵向面h沿y方向延伸，横向面i沿x方向延伸，z方向分别与x方向和y方向垂直设置。
准确设置油管头四通的边界约束条件，如图4、图5所示，对于对称边界而言，在第一纵向面d、第二纵向面h和横向面i设置其垂直方向上的对称约束；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；通过有限元软件计算获得含裂纹油管头四通的应力分布数据；
（4）由于结构件中的裂纹属于三维ⅰ型表面裂纹，此时油管头四通上裂纹体处于多轴应力状态，选取裂纹体上的最大主应力σ1max作为裂纹平面上的拉应力σ进行计算,裂纹体的最大主应力云图如图6所示，根据断裂力学理论，井口油管头四通由裂纹引起的断裂属于脆性断裂，由公式(1)计算油管头四通裂纹体上的应力强度因子ki：
其中，裂纹为表针椭圆，ψ可由《工程断裂力学》（陆毅中著）中的表10-1查得，f由公式（2）求得：
（5）由公式（3）计算材料的临界应力强度因子kic，对断裂韧性取0.5倍的分安全系数，如公式（4）所示，得评定用的材料断裂韧性kc：
（6）将计算获得裂纹体上的应力强度因子ki与评定用的材料断裂韧性kc进行对比，判定此尺寸的裂纹体的安全性；
（7）改变油管头四通上预置裂纹的尺寸，重复步骤（3）~（6），求得裂纹体上的应力强度因子ki近似评定用的材料断裂韧性kc时的裂纹缺陷尺寸。
上述的油管头临界裂纹尺寸的计算流程图如图7所示。
实施例二：
其他与实施例一相同，不同之处在于步骤（6）中的对应力强度因子ki与评定用的材料断裂韧性kc进行对比后，若ki=kc，可得裂纹缺陷临界尺寸，若ki≠kc，有限元建模并重新预置裂纹缺陷。
第一纵向面d和第二纵向面h为处于油管头四通纵向出口处沿y方向的纵向截面。横向面i为处于油管头四通横向出口处沿x方向的横截面。
（1）对于有油管头四通这种局部结构不连续的构件，《gb/t19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定》标准中的缺陷评定方法对其并不适用，本发明提出了一种评定含裂纹油管头四通安全性的计算方法，可计算其临界裂纹尺寸。
（2）在有限元模拟中，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，可更加准确的模拟计算出模型的应力分布情况。
（3）在计算裂纹体应力强度因子过程中，裂纹为三维裂纹，裂纹体处于多轴应力状态，用最大主应力代替裂纹面的垂直拉应力，则最后获得的临界尺寸更为安全，使得此计算方法更具实际工程应用意义。可采用本方法对在用含裂纹缺陷其他井口装置结构件进行安全性评估，判断其是否处于安全服役状态，并进而计算其处于临界安全状态时的缺陷尺寸。
通过上述三点能对应不同的装配方式产生的约束条件对油管头应力分布的影响，提高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，进而能更加准确对含裂纹缺陷的油管头四通进行安全评定，进而精确判断其临界安全尺寸。在裂纹缺陷评定过程中，用最大主应力代替裂纹面的垂直拉应力计算应力强度因子，则评定结果更为安全合理，使获得的裂纹临界安全尺寸更具实际工程应用意义。
虽然通过说明以及具体实施方式描述了本发明公开内容，但是应该理解，上述说明和实施例仅是说明性的而非限制性的，对本领域技术人员而言，可以作出许多其它的修改、变化和安排而不偏离本发明的精神和范围，对部分细节所做出的等同变形、替换，均在本发明保护的范围之内。