За последние 10 лет для транспортировки природного газа были проведены глубоководные исследовательские проекты по прокладке трубопроводов по морскому дну. При транспортировке природного газа на большие расстояния трубопровод должен обладать прочностью на сжатие под воздействием внешнего давления воды в глубоководных условиях, поэтомустальные трубы UOEОбычно используются различные методы. Метод изготовления стальных труб UOE — холодная штамповка, при этом прочность стальной трубы является анизотропной. Для прогнозирования прочности на сжатие стальных труб UOE и выяснения механизма разрушения стальных труб компания Nippon Steel провела численное моделирование, интегрирующее оценку характеристик формования стальных труб. Численное моделирование включает в себя двухмерную модель формования стальной трубы и трехмерную модель разрушения стальной трубы, отражающие форму и остаточные напряжения. В ходе экспериментов были измерены толщина стенки и анизотропия прочности в окружном направлении стальной трубы, измерены остаточные напряжения, и на основе фактической прочности стальной трубы на сжатие была оценена достоверность численной модели.
1. Анизотропия прочности и остаточные напряжения стальной трубы UOE
Хорошо известно, что факторами, влияющими на прочность стальных труб на сжатие, являются плохая форма (округлость и неравномерная толщина стенки), предел текучести (ТТ) и остаточные напряжения. Предел текучести при сжатии и остаточные напряжения в окружном направлении имеют высокую корреляцию. Распределение предела текучести по толщине стенки, измеренное с помощью круглого стержня и цилиндрических образцов (диаметром 6 мм), показывает, что снижение предела текучести при сжатии в наружном окружном направлении стальной трубы особенно заметно. Сравнение кривых остаточных напряжений в зависимости от толщины стенки показывает, что на внешней стороне появляется круговая кривая остаточных напряжений из-за эффекта Баушингера упругой деформации, начинающейся от центра толщины стенки. По сравнению со стальной трубой UOE и бесшовной стальной трубой для нефтяной скважины, остаточные напряжения в обеих стальных трубах имеют тенденцию к сжатию на внутренней поверхности, но значение остаточных напряжений в стальной трубе UOE невелико.
2. Численный анализ и моделирование
В ходе численного анализа для оценки прочности на сжатие при формовании стальных труб UOE использовалась интегрированная модель. В модели формования (двумерный элемент плоской деформации) стальной трубы UOE используется кривая SS пластины, а остаточные напряжения применяются к модели разрушения (трехмерный твердотельный элемент). Поскольку точно предсказать изменение кривой SS от пластины к стальной трубе только с помощью численного анализа сложно, для прогнозирования кривой SS используется полуэкспериментальный метод (имитация деформационного испытания). То есть, рассчитанный эквивалентный гистерезис пластической деформации применяется к образцу круглого стержня, взятому из пластины, и затем определяется результирующая кривая SS сжатия для каждой толщины стенки.
3. Результаты и исследования
3.1. Достоверность модели разрушения
Точность прогнозирования в основном определяется количеством комбинаций элементов, величиной приращения давления и значением оценки сходимости модели. Если эти влияющие факторы скорректированы, ошибка прогнозирования данной модели оценивается примерно в 5%. Коррекция ошибки позволяет дополнительно повысить точность прогнозирования. После сравнения значений разрушения комплексной модели и модели с эллиптической аппроксимацией при одинаковой округлости было обнаружено, что между ними нет большой средней разницы, поэтому можно увидеть, что округлость будет зависеть от максимального внешнего диаметра и наименьшего внутреннего диаметра. Используя параметры, аналогичные параметрам эллипса, распределение внешнего диаметра стальных труб UOE с локальными изменениями кривизны может быть представлено моделью. Сравнивая значение прочности на сжатие, предсказанное эллиптической моделью, с расчетным значением, полученным по общепринятой формуле для прогнозирования прочности на сжатие стальных труб из углеродистой стали, было обнаружено, что предсказанные значения для различных значений D/t (наружный диаметр/толщина стенки) и округлости совпадают с предсказанными по общепринятой формуле. Следовательно, можно предположить, что тот же результат может быть получен с использованием комплексной модели формования-сжатия. Таким образом, можно сказать, что комплексная модель позволяет анализировать механизм сжатия и может быть применена для количественной оценки влияния условий формования на прочность на сжатие.
3.2. Механизм разрушения стальной трубы UOE
Исследована зависимость напряжение-деформация при моделировании эквивалентного пластического деформационного гистерезиса, предсказанного в процессе производства стальных труб UOE, с использованием образца круглого стержня, и сравнена предсказанная кривая напряжения-деформации с моделированной кривой. Результаты показали, что предсказанная кривая напряжения-деформации более согласуется с кривой напряжения-деформации реальной стальной трубы, даже если это участок стенки различной толщины, подверженный гистерезису деформации, его предел текучести также совпадает с измеренным значением. Падение предела текучести на внешней стенке в результате гистерезиса деформации при данных условиях формования в основном обусловлено растягивающей деформационной нагрузкой во время U-образной штамповки. Кроме того, внутри стальной трубы практически не наблюдается падения предела текучести при сжатии из-за эффекта Боргезина упругой деформации. Используя предложенный выше метод моделирования деформации, можно более точно предсказать прочность в окружном направлении реальной стальной трубы.
Дата публикации: 10 августа 2023 г.