[科普中国]-断裂压力

根据整体式卡瓦的工作过程可知，当油管加压时，在轴向坐封力T的作用下，推动锥体锥面挤压整体式卡瓦内锥面，卡瓦锥面产生环向压力p。在环向压力p的作用下，在卡瓦槽底的截面上会产生拉应力σ。当拉应力σ达到材料的抗拉强度极限时，卡瓦将沿着最大主应力方向发生断裂，此时施加的轴向坐封力T即为卡瓦断裂压力。因此，卡瓦断裂压力可根据拉应力σ计算。

卡瓦断裂压力的计算方法卡瓦结构以适用于139．7mm套管的整体式卡瓦为例。该卡瓦采用6个应力槽均布的形式，卡瓦外径112mm，内径84mm，长度72mm，卡瓦锥角15°，开槽宽度5mm，卡瓦材质选用抗拉强度为800MPa球墨铸铁。整体式卡瓦工作过程:由油管加压，产生轴向坐封力，推动锥体锥面挤压整体式卡瓦内锥面，使整体式卡瓦沿预制应力槽发生开裂，开裂后的卡瓦卡入套管壁一定深度，锚定在套管上。

断裂压力的计算根据整体式卡瓦的工作过程可知，当油管加压时，在轴向坐封力T的作用下，推动锥体锥面挤压整体式卡瓦内锥面，卡瓦锥面产生环向压力p。在环向压力p的作用下，在卡瓦槽底的截面上会产生拉应力σ。当拉应力σ达到材料的抗拉强度极限时，卡瓦将沿着最大主应力方向发生断裂，此时施加的轴向坐封力T即为卡瓦断裂压力。因此，卡瓦断裂压力可根据拉应力σ计算，其计算过程如下:

(1)建立卡瓦断裂压力T与环向压力p之间的关系，如式(1)。

式中:θ—锥体锥角;μ—摩擦系数。

(2)建立环向压力p与拉应力σ之间的关系。根据卡瓦结构，拉应力σ由环向压力p产生，p的作用一方面产生环向拉应力σ1，另一方面p对卡瓦槽底产生弯矩M，弯矩M的作用产生的拉应力σ2。因此，σ=σ1+σ2，其中σ1和σ2与p之间的关系如式(2)和式(3)。

式中:D—卡瓦外径;d—卡瓦内径;L—卡瓦高度;l—卡瓦的开槽长度。

设计整体式卡瓦断裂压力时，根据式(1)、式(2)和式(3)可理论计算卡瓦的断裂压力1。然而在实际应用过程中，经常出现整体式卡瓦由于断裂压力过大而造成断裂不完全，或者设计断裂压力过小而造成提前坐封，其原因是理论计算值往往与实际值存在偏差。因此，为保证整体式卡瓦可靠工作，必须对理论计算的断裂压力进行修正。

卡瓦断裂压力实验分析在理论计算的基础上，通过实验方法实测整体式卡瓦断裂压力，并与理论值比较，探讨卡瓦的开槽深度对断裂压力的影响。

试验方法试验在WAW－1000C型微机控制电液伺服万能试验机进行，将卡瓦对应的椎体和加工好的卡瓦组装，置于拉压试验机上，启动试压泵，进行连续加压，直到试件发生断裂。为了验证卡瓦断裂压力与其结构之间的关系，选取5组不同开槽深度的卡瓦进行试验，开槽深度分别为18mm、36mm、40mm、42mm、45mm和54mm，并将试验断裂压力与理论断裂压力比较。

卡瓦断裂过程分析当压缩位移为2．1mm时，卡瓦发生断裂，断裂力为65．3kN。还可看出，卡瓦的断裂过程基本上是在一次完成。断裂后的卡瓦均匀分为6瓣，套管壁有明显的咬合痕迹。观察卡瓦断面断口看出，断口处凹凸不平，呈现明显的拉破坏，没有发现明显的塑性变形，卡瓦的断裂是由于环向的拉应力造成，与设计的破坏形式一致。

不同开槽长度卡瓦断裂力分析为对比卡瓦断裂力理论值与试验值的差异，对6组不同开槽深度卡瓦进行断裂试验。在所有开槽长度下，卡瓦断裂力理论值均大于试验值。可见，根据理论计算确定整体式卡瓦断裂压力会造成卡瓦工作时断裂压力过大而断裂不完全，降低整体式卡瓦工作的可靠性。为确定卡瓦断裂压力与开槽长度之间的关系，根据试验测得的数据进行拟合。可以看出，卡瓦断裂压力与开槽长度呈曲线变化8。理论计算卡瓦断裂压力存在一定的误差，实际卡瓦断裂压力往往小于理论计算的断裂压力，在实际应用中，必须进行合理修正2。

本词条内容贡献者为:

梁志宏 - 副教授 - 中国农业大学