光弹试验分析下的吊环疲劳寿命优化方案

吊环在钻井的起下钻、接单根和油田打捞过程与吊卡配合使用，承受着所有钻具的重量。其杆部受纯拉伸应力的作用，环部受拉伸弯曲复合应力的作用。光弹试验应力分析表明，吊环小环部是受力最大的部位。在点加载的情况下，应力分布如图1所示。显然，小环部有三个危险面，即小环的顶部断面，环部两侧对称的两水平断面，以及环部与直杆交界处的断面。

图1 小环部应力分布（光弹试验结果）

吊环使用中承受的主要负荷是疲劳负荷。在每一应力循环中，负荷的最小值接近于零，最大值随钻杆的逐渐增加而增大，在起钻时则随钻杆的减少而降低。同时，随着井深的增加，完成一个起下钻所经历的应力循环周次逐渐增加。每一应力循环所需时间一般约几分钟。由此可见，吊环所承受的是一种变动应力幅的低频随机疲劳负荷。这种负荷是导致吊环失效的最主要负荷。根据我们多年来的调查和分析^[1，2]，吊环断裂时断口齐平，具有典型的疲劳断口特征，如图2所示。疲劳区的电镜断口可以明显地看出疲劳条痕的特征，如图3所示。

图2 吊环断口（1∶1）

图3 疲劳区电镜断口照片（2000×）

吊环系锻造毛坯状态使用，不经任何机加工，表面相当粗糙，表面脱碳等缺陷很难避免。而吊环承受的最大拉应力也位于表面（图1）。因此吊环表面是薄弱环节。根据我们对几批吊环断裂事故的分析^[2]，吊环断口的疲劳源均在表面，而且往往与表面缺陷和脱碳有关。因此，采取适当的表面强化措施，克服表面薄弱环节，是延长吊环使用寿命的有效途径。(https://www.xing528.com)

喷丸强化工艺由于使工件表面产生形变强化，同时又在表面造成残余压应力，从而显著提高其疲劳强度。特别是零件表面有应力集中，表面粗糙和有表面缺陷、表面脱碳时，喷丸强化的效果更佳。这种方法已越来越受到重视，并被广泛采用。根据对吊环的失效分析，我们选择喷丸强化作为提高吊环疲劳寿命的措施。

为了验证喷丸强化对于提高吊环使用寿命的效果，我们进行了下面两方面的工作：

1）带有脱碳层试样的疲劳试验。模拟吊环表面状态，测定吊环用钢20SiMn2MoVA在带有表面脱碳层的情况下，喷丸与未喷丸的疲劳寿命，试验喷丸强化对脱碳件疲劳性能的影响。

2）吊环实物疲劳试验。主要试验喷丸强化提高吊环疲劳寿命的幅度，得出一个定量的概念，并且试验吊环设计结构因素及喷丸工艺参数对吊环强化效果的影响。