专利名称：一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法
技术领域：
本发明涉及套管钻井技术领域，具体涉及一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，涉及N80套管钻井用钢疲劳裂纹扩展的低频噪声表征方法，主要用于低频l/f噪声对N80套管钻井钢疲劳裂纹扩展性能的分析，通过对比和分析疲劳裂纹扩展前后的低频噪声信息，从而得到N80套管钢的疲劳信息和裂纹扩展信息。
背景技术：
实际油气开采作业中，套管的受力情况非常复杂。当套管服役时，在周期性交变循环载荷的不停作用下，疲劳破坏以小幅度开始增加，在经过一段时间损伤后疲劳裂纹开始萌生。一般认为，疲劳裂纹的萌生往往发生在应力高度集中的部位。裂纹不断张开和闭合， 逐渐扩展，增大，最后在应力小于材料强度的情况下发生没有预兆的突变。这种失效是一种积累式的破坏，具有不可逆转的性质。一旦发生将给油气田带来难以估计的经济损失。疲劳裂纹扩展常规的表征方法是利用Paris公式。该方法认为，在裂纹扩展的第二个阶段， 即为稳定或线性裂纹扩展速率区，疲劳裂纹扩展的速率受控于裂纹尖端的应力强度因子幅度，并对疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子之间的指数关系进行了描述。进一步的研究发现，C和m为材料常数，环境因素如温度、湿度、介质、加载频率等都隐含在常数之中，通常由试验数据拟合得到。但在试验很少发现C和m是常数的现象，在一些文献中发现C随着应力比的增大而增大，m随着应力的增加而减小。另一些文献中，m 则随着应力比的增加而增加。但大多数文献中m的变化是没有规律的。材料的微观组织结构、循环载荷的频率和波形、环境、温度及载荷比R对C和m都用影响，而且，公式中与材料显微结构有关的常数获得十分困难，严重地影响了该公式的推广和应用。由于该模型假设过于简单，影响因素过多，因此，从该模型中提取参数的物理意义不甚明确，无法对疲劳裂纹扩展的局部信息进行分析。一直以来，经过不断修正和改进的 Paris公式具有数十种之多。噪声，源于涨落。凝聚态物质的物理特性涨落研究作为一个活跃的研究领域已有数十年之久，这些研究已经引起人们对与涨落有关的物理现象的重视。一直以来，低频噪声中包含了许多重要的信息，常常被人们所忽略。这个领域里最引人注目研究课题是普遍存在的l/f噪声的研究。l/f噪声是低频噪声的一种，一般认为l/f噪声的命名起源是由于大量材料的涨落表现为它的功率谱S Cf)与
1//°^成正比，α—般在I附近，l/f噪声具有广泛的应用性，一方面“过剩”的l/f噪声(α
一般在I左右)与系统的某些不完整性有着密切的关系，因而可以用作检测电子和材料内潜在缺陷；另一方面，“本征”的1/f ( =1)附近噪声又反映了自然界的完美和和谐，将其用于音乐创作等方面以得到自然而富有美感的效果。最重要的是，低频l/f噪声的表征手段，是一种敏感的无损检测方法。常规的Pairs表征方法是通过在疲劳试验机上进行破坏性的疲劳试验来测量疲劳裂纹的扩展，往往耗时耗力，并存在许多客观因素和目测因素的制约。而且，如前文所述，其得到的参数的物理意义往往不够明确。利用低频噪声来表征套管钻井用钢的疲劳裂纹扩展能避开以上缺点和不足，因为在疲劳裂纹扩展的过程中，从裂纹的萌生，扩展到裂纹的终止，都伴随着样品内部缺陷的形成(通过做SEM，AFM等方法)和样品电参数的变化，这些变化，都可以通过数据采集卡采集出来，经过处理转变为低频l/f
噪声信息。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，采用低频噪声表征手段，通过对比标样(试样按ASTM E647标准制成紧凑拉伸(CT)试样，)在疲劳裂纹扩展前后的低频噪声(即白噪声，l/f噪声幅值以及其中的Y值)，通过对比分析疲劳裂纹扩展前后的低频噪声信息，能够准确地实现对N80套管钢的疲劳裂纹扩展的行为进行较为准确的掌握和表征，有助于减少疲劳试验数量，降低试验成本，而且不存在安全隐患具有使用方便，成本低廉，便于推广的特点。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，利用样品标样在疲劳裂纹扩展前后低频l/f噪声的特点，结合低频l/f噪声的起源与样品内在裂纹和缺陷相关的特点，通过两次对比分析噪声参数的大小，来分析套管钢的疲劳裂纹扩展行为，包括如下步骤
第一，对套管钻井钢进行取样，制样并清洗；
在接箍处(应力较为集中)按照长宽高依次为45 rax40 x4.8mm的尺寸在N80钻井套管钢的进行截取，然后按照ASTM E647标准制作成CT试样，试样的长宽高尺寸依次为 37.5 wx30.t〕_x4.8·，试验进行之前，首先对CT试样进行预裂，预裂长度为2毫米，在摩尔浓度为I. 0% 5. 0%的盐酸(HCl)溶液除锈，浸泡时间为I 3分钟；然后分别用乙醇和去离子水进行清洗，浸泡时间为I 3分钟，切面磨制抛光后，采用200毫升摩尔浓度为2% 5%的HNO3溶液，进行清洗，取出挂起，吹干；
第二，对样品进行疲劳前的低频噪声测试；
对样品进行低频噪声测试，需要在一定的偏置下进行，本发明参照常规疲劳试验中的电位参照点，分别在样品的预制裂纹两侧，焊接两根引线，并连接到噪声测试平台上，调节电压范围为2. O 3. 0V，等达到所需要的偏置时，将样品连同偏置装置一起放进屏蔽室，并进行疲劳前的低频噪声测试，整个低频l/f噪声测试是在Cu网屏蔽室中进行的，测试前需要进行背景噪声的测试，并采用物理手段尽可能的降低背景噪声；
第三，对样品进行疲劳试验；
将样品从低频噪声测试系统中取出，放置在型号为PLD-100的微机控制电液伺服疲劳试验机上，当指令信号进入放大器，控制来自液压源的高压油伺服阀，使液压缸的活塞运动，拉伸或压缩试样，力传感器测出负载力(或变形)将信号反馈给放大器和指令信号比较， 形成闭环回路，实现系统控制，在加载过程中连续记录载荷P与相应的裂纹尖端张开位移 V，裂纹尖端张开位移V的变化表示了裂纹尚未起裂、已经起裂、稳定扩展和失稳扩展的情况，设定应力比为O. I O. 7，直到疲劳循环I X IO6次裂纹不发生O. Imm扩展为止，对应的 Δ K即为对应的裂纹扩展门槛值，当裂纹扩展至5 20_时，停止疲劳试验；
第四，对疲劳后的样品进行低频噪声测试，对样品继续进行疲劳试验后的低频噪声测试，实验方法和所加的偏置与步骤2中的相同，以保证实验数据的可对比性；
7第五，根据疲劳前后低频l/f噪声信息，对疲劳试验前后的低频噪声数据进行分析，提取和处理，对样品疲劳裂纹扩展情况进行表征，根据低频噪声理论，在其他噪声参数接近的情况下，7值的大小直接与噪声的起源和样品内部的裂纹、缺陷有关；
所述的HNO3溶液采用纯乙醇作溶剂。本发明的有益效果是
本发明由于采用了利用低频l/f噪声对N80套管钢的疲劳裂纹扩展行为进行无损表征；通过疲劳扩展前后两次低频l/f噪声测试，消除了样品本身背景噪声的影响，避免了一般表征方法中较为复杂的公式推导和数学计算；同时由于本发明是一种具有统计意义的方法，对样品的形状没有严格意义上的要求，因而可方便的各种样品的疲劳裂纹扩展行为进行抽样和疲劳寿命的评估，公式简单，易于实现，而且误差较小。
图I是本发明实施例中疲劳试验和低频噪声测试样品的位置取样图。图2是本发明实施例中疲劳试验和低频噪声测试样品的CT图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的实施例是在如图2所示的N80套管钢紧凑拉伸(CT)上进行的疲劳裂纹扩展行为的表征。参照图2，本发明对图I所示的N80套管钢的疲劳裂纹扩展行为的低频l/f 噪声表征给出以下三个实施例。实施例一
一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，包括如下步骤
第一，对N80套管钢的CT试样进行除锈，打磨和清洗；
首先对CT试样进行预裂，预裂长度为2毫米，用摩尔浓度为I. 0%的盐酸溶液进行除锈，浸泡时间为I分钟；然后分别用乙醇和去离子水进行清洗，浸泡时间为2分钟，切面磨制抛光后，采用200毫升摩尔浓度为2%的HNO3溶液，所述的HNO3溶液采用纯乙醇作溶剂， 进行清洗，取出挂起，吹干；
第二，对N80套管钢CT样品进行疲劳前的低频噪声测试；
1)对除锈和清洁后N80套管钢的CT样品进行引线的焊接，本发明以常规疲劳试验中疲劳裂纹监测点为电位参照点，分别在样品的预制裂纹两侧，焊上两根引线；
2)对样品进行疲劳前的低频噪声测试，将其中的一条引线连接到预先制作好的偏置电路中，为保险起见，串联一个50欧姆的绕线电阻，然后调节电压值为2. OV ;另一根引线接噪声测试平台上的低噪声前置放大器，低频噪声信号放大后接入电脑的采集卡，进行数据采集和频谱分析，当设置好所需要的电压时，将样品连同偏置装置一起放进屏蔽室，并进行疲劳前的低频噪声测试，需要说明的是，整个低频l/f噪声测试是在Cu网屏蔽室中进行的，测试前需要进行背景噪声的测试，并采用物理手段尽可能的降低背景噪声。
B利用l/f噪声模型
权利要求
1.一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，其特征在于，包括如下步骤第一，对套管钻井钢进行取样，制样并清洗；在接箍处(应力较为集中)按照长宽高依次为 45mmx4Ommx4.2mm的尺寸在N80钻井套管钢的进行截取，然后按照ASTM E647标准制作成CT试样,试样的长宽高尺寸依次为37.5 χ3〔1.0.·χ4.8 # ,试验进行之前,首先对CT 试样进行预裂，预裂长度为2毫米，在摩尔浓度为1.0% 5.0%的盐酸(HCl)溶液除锈，浸泡时间为I 3分钟；然后分别用乙醇和去离子水进行清洗，浸泡时间为I 3分钟，切面磨制抛光后，采用200毫升摩尔浓度为2% 5%的HNO3溶液，所述的HNO3溶液采用纯乙醇作溶剂，进行清洗，取出挂起，吹干；第二，对样品进行疲劳前的低频噪声测试；对样品进行低频噪声测试，需要在一定的偏置下进行，本发明参照常规疲劳试验中的电位参照点，分别在样品的预制裂纹两侧，焊接两根引线，并连接到噪声测试平台上，调节电压范围为2. O 3. 0V，等达到所需要的偏置时，将样品连同偏置装置一起放进屏蔽室，并进行疲劳前的低频噪声测试，整个低频Ι/f噪声测试是在Cu网屏蔽室中进行的，测试前需要进行背景噪声的测试，并采用物理手段尽可能的降低背景噪声；第三，对样品进行疲劳试验；将样品从低频噪声测试系统中取出，放置在型号为PLD-100的微机控制电液伺服疲劳试验机上，当指令信号进入放大器，控制来自液压源的高压油伺服阀，使液压缸的活塞运动，拉伸或压缩试样，力传感器测出负载力(或变形)将信号反馈给放大器和指令信号比较， 形成闭环回路，实现系统控制，在加载过程中连续记录载荷P与相应的裂纹尖端张开位移 V，裂纹尖端张开位移V的变化表示了裂纹尚未起裂、已经起裂、稳定扩展和失稳扩展的情况，设定应力比为O. I O. 7，直到疲劳循环I X IO6次裂纹不发生O. Imm扩展为止，对应的 Δ K即为对应的裂纹扩展门槛值，当裂纹扩展至5 20_时，停止疲劳试验；第四，对疲劳后的样品进行低频噪声测试，对样品继续进行疲劳试验后的低频噪声测试，实验方法和所加的偏置与步骤2中的相同，以保证实验数据的可对比性；第五，根据疲劳前后低频Ι/f噪声信息，对疲劳试验前后的低频噪声数据进行分析，提取和处埋对样品疲劳裂纹扩展情况进行表征，根据低频噪声理论，在其他噪声参数接近的情况下1值的大小直接与噪声的起源和样品内部的裂纹、缺陷有关。
2.根据权利要求I所述的一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，其特征在于，包括以下步骤第一，对N80套管钢CT试样进行除锈，打磨和清洗；首先对CT试样进行预裂，预裂长度为2毫米，用摩尔浓度为I. 0%的盐酸溶液进行除锈，浸泡时间为I分钟；然后分别用乙醇和去离子水进行清洗，浸泡时间为2分钟，切面磨制抛光后，采用200 毫升摩尔浓度为2%的HNO3溶液，所述的HNO3溶液采用纯乙醇作溶剂，进行清洗，取出挂起， 吹干；第二，对N80套管钢CT样品进行疲劳前的低频噪声测试；I)对除锈和清洁后N80套管钢的CT样品进行引线的焊接，本发明以常规疲劳试验中疲劳裂纹监测点为电位参照点，分别在样品的预制裂纹两侧，焊上两根引线；2)对样品进行疲劳前的低频噪声测试，将其中的一条引线连接到预先制作好的偏置电路中，为保险起见，串联一个50欧姆的绕线电阻，然后调节电压值为2. OV ;另一根引线接噪声测试平台上的低噪声前置放大器，低频噪声信号放大后接入电脑的采集卡，进行数据采集和频谱分析，当设置好所需要的电压时，将样品连同偏置装置一起放进屏蔽室，并进行疲劳前的低频噪声测试，需要说明的是，整个低频Ι/f噪声测试是在Cu网屏蔽室中进行的，测试前需要进行背景噪声的测试，并采用物理手段尽可能的降低背景噪声； 利用l/f噪声模型
3.根据权利要求I所述的一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，其特征在于，包括以下步骤第一，对N80套管钢CT试样进行除锈，打磨和清洗；除锈用摩尔浓度为3. 0%的盐酸(HCl)溶液进行，浸泡时间为2分钟；然后分别用乙醇和去离子水进行清洗，浸泡时间为2分钟，切面磨制抛光后，采用200毫升摩尔浓度为4%的 HNO3溶液，所述的HNO3溶液采用纯乙醇作溶剂，进行清洗，取出挂起，吹干；第二，对样品进行疲劳前的低频噪声测试；1)对除锈和清洁后N80套管钢的CT样品进行引线的焊接，本发明以常规疲劳试验中疲劳裂纹监测点为电位参照点，分别在样品的预制裂纹两侧，焊上两根引线；2)对样品进行疲劳前的低频噪声测试，将其中的一条引线连接到预先制作好的偏置电路中，为保险起见，串联一个50欧姆的绕线电阻，然后调节电压值为2. 5 V ;另一根引线接噪声测试平台上的低噪声前置放大器，低频噪声信号放大后接入电脑的采集卡，进行数据采集和频谱分析，当设置好所需要的电压时，将样品连同偏置装置一起放进屏蔽室，并进行疲劳前的低频噪声测试，需要说明的是，整个低频l/f噪声测试是在Cu网屏蔽室中进行的， 测试前需要进行背景噪声的测试，并采用物理手段尽可能的降低背景噪声；β利用l/f噪声模型Sv(f) =羞(OJ其中f为频率;A为白噪声的幅值；B为l/f噪声的幅值； ‘为噪声指数因子，对测试数据进行处理；第三，对样品进行疲劳试验；将样品从低频噪声测试系统中取出，放置在型号为PLD-100的微机控制电液伺服疲劳试验机的夹具上，试验温度为室温，频率为10Hz，加载波形为正弦波型，最大载荷为1.4kN， 固定应力比为O. 1，对样品进行交流高周疲劳试验，裂纹长度由微机辅助电位法监测，分级降载百分比保持在5%，同时保证每级载荷下裂纹扩展量是上一级载荷下塑性区尺寸的4 6倍，直到疲劳循环I X IO6次裂纹不发生O. Imm扩展为止；在加载过程中连续记录载荷P与相应的裂纹尖端张开位移V，裂纹尖端张开位移V的变化表示了裂纹尚未起裂、已经起裂、稳定扩展和失稳扩展的情况；当裂纹扩展至15_时，停止疲劳试验；第四，对样品进行疲劳后的低频噪声测试；对样品继续进行疲劳试验后的低频噪声测试，实验方法和所加的偏置与步骤2中的相同，测量当裂纹扩展至15mm时的低频l/f噪声，利用l/f噪声模型(I)对测试数据进行处理；第五，根据疲劳前后低频l/f噪声信息，对N80套管钢的疲劳裂纹扩展情况进行表征， 对比疲劳试验前后，N80套管钢的低频l/f噪声数据的处理结果，根据低频噪声的相关理论，Y值的大小与材料内部的缺陷密切相关，通过分析Y值的变化，来实现对样品疲劳裂纹扩展的行为进行表征。
4.根据权利要求I所述的一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，其特征在于，包括以下步骤第一，如N80套管钢的CT试样进行除锈，打磨和清洗；除锈可用摩尔浓度为5. 0%的盐酸(HCl)溶液进行，浸泡时间为3分钟；然后分别用乙醇和去离子水进行清洗，浸泡时间为2分钟,切面磨制抛光后,采用200毫升摩尔浓度为5% 的HNO3溶液，所述的HNO3溶液采用纯乙醇作溶剂，进行清洗，取出挂起，吹干；第二，对样品进行疲劳前的低频噪声测试；1)对除锈和清洁后N80套管钢的CT样品进行引线的焊接，本发明以常规疲劳试验中疲劳裂纹监测点为电位参照点，分别在样品的预制裂纹两侧，焊上两根引线；2)对样品进行疲劳前的低频噪声测试，将其中的一条引线连接到预先制作好的偏置电路中，为保险起见，串联一个50欧姆的绕线电阻，然后调节电压值为3. OV ;另一根引线接噪声测试平台上的低噪声前置放大器，低频噪声信号放大后接入电脑的采集卡，进行数据采集和频谱分析，当设置好所需要的电压时，将样品连同偏置装置一起放进屏蔽室，并进行疲劳前的低频噪声测试，需要说明的是，整个低频l/f噪声测试是在Cu网屏蔽室中进行的，测试前需要进行背景噪声的测试，并采用物理手段尽可能的降低背景噪声；利用ι/f噪声模型
全文摘要
一种套管钻井用钢疲劳裂纹扩展行为的表征方法，其步骤包括第一，对套管钻井钢进行取样，制样并清洗；第二，对样品进行疲劳前的低频噪声测试；第三，对样品进行疲劳试验；第四，对疲劳后的样品进行低频噪声测试；第五，根据疲劳前后低频1/f噪声信息，对疲劳试验前后的低频噪声数据进行分析，提取和处理，对样品疲劳裂纹扩展情况进行表征，通过疲劳扩展前后两次低频1/f噪声测试，消除了样品本身背景噪声的影响，避免了一般表征方法中较为复杂的公式推导和数学计算，对样品的形状没有严格的要求，有助于减少疲劳试验数量，降低试验成本，可方便对各种样品的疲劳裂纹扩展行为进行抽样和疲劳寿命的评估，具有使用方便，成本低廉，便于推广的特点。
文档编号G01N3/08GK102607948SQ201210052750
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者王党会, 许天旱 申请人:西安石油大学