X75海底管線管應(yīng)變極限的數(shù)值模擬

（湖北理工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，湖北 黃石435003）

0 前言

隨著對(duì)能源需求的日益增加，加大了對(duì)海洋石油、天然氣的開發(fā)，使得海底管線在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，管線建設(shè)已擴(kuò)展到極地凍土帶、地震區(qū)和海洋等區(qū)域，這些區(qū)域的管線可能會(huì)發(fā)生較大的塑性變形。傳統(tǒng)的海底管道設(shè)計(jì)是基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)，即用單一的安全系數(shù)將鋼管應(yīng)力限制在一定的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)[1-4]。這些安全系數(shù)實(shí)際上都是基于經(jīng)驗(yàn)的，使得壓力雖然安全但偏于保守，不能真實(shí)反映鋼管性能的客觀變化規(guī)律，容易造成材料浪費(fèi)。而在管線鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)中，拉伸性能是最重要、最基本的性能，也是管道設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)最重要的依據(jù)。國(guó)外對(duì)大變形鋼管進(jìn)行過全尺寸實(shí)物試驗(yàn)，得出關(guān)于拉伸的應(yīng)變極限研究成果。但目前我國(guó)不具備大口徑鋼管全尺寸拉伸的試驗(yàn)條件，因此采用數(shù)值模擬方式計(jì)算應(yīng)變極限。本研究采用ANSYS軟件對(duì)X75海底管線管在不同的變形條件及規(guī)格等情況下進(jìn)行拉伸變形的計(jì)算模擬，分析在拉伸變形條件下應(yīng)變速率、內(nèi)部壓強(qiáng)、屈強(qiáng)比及剛度對(duì)X75海底管線管應(yīng)力應(yīng)變極限的影響規(guī)律[5]，從而為分析鋼管能否承受住深海環(huán)境的變形要求及管道的設(shè)計(jì)和選材提供依據(jù)。

1 X75海底管線管的拉伸極限有限元模型的建立

對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)，如果選用實(shí)體單元，薄壁結(jié)構(gòu)厚度方向的單元層數(shù)太少，計(jì)算結(jié)果誤差較大，沒有shell單元計(jì)算準(zhǔn)確，但是DEFORM有限元軟件中沒有shell單元。ANSYS可以提供更豐富的單元用于不同結(jié)構(gòu)計(jì)算，因此采用ANSYS對(duì)大變形鋼管進(jìn)行拉伸極限模擬計(jì)算。本研究采用shell-181單元建立了3D有限元模型[6-8]，對(duì)φ1 016 mm×21.8 m、φ1 016 mm×18.3 mm、φ813 mm×15.2 mm 三個(gè)規(guī)格鋼管在拉伸變形條件下的變形極限進(jìn)行模擬，分析變形速率和管內(nèi)壓強(qiáng)對(duì)鋼管變形極限的影響。模擬計(jì)算參數(shù)見表1，建立的有限元模型和海底管線管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1、圖2所示。

圖1 拉伸模擬模型

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 模擬計(jì)算參數(shù)

2 拉伸應(yīng)變模擬結(jié)果分析

2.1 φ1 016×21.8鋼管拉伸極限模擬結(jié)果

φ1 016×21.8鋼管在不同應(yīng)變速率0.000 5 s-1、0.005 s-1、0.05 s-1和內(nèi)壓 0 MPa、8.6 MPa、10.2 MPa、12.5 MPa、14.0 MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，不同變形速率、不同內(nèi)壓下的拉伸極限應(yīng)力和應(yīng)變見表2。

圖3 φ1 016×21.8鋼管不同應(yīng)變速率、不同內(nèi)壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 φ1 016×21.8鋼管不同應(yīng)變速率、不同內(nèi)壓下的極限應(yīng)力和極限應(yīng)變

φ1 016×21.8鋼管極限應(yīng)力、極限應(yīng)變的變化規(guī)律曲線如圖4所示。由圖3、表2和圖4可以得知，當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著鋼管內(nèi)部壓強(qiáng)的增大，在0.000 5 s-1的應(yīng)變速率下，極限應(yīng)力先增大后減小，極限應(yīng)變逐漸減?。辉?.005 s-1、0.05 s-1應(yīng)變速率下，極限應(yīng)力逐漸增大，極限應(yīng)變先減小后增大[9]；當(dāng)內(nèi)部壓強(qiáng)一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大，極限應(yīng)力和極限應(yīng)變?cè)?0.2 MPa內(nèi)壓下均呈先減小后增大的趨勢(shì)，而在其他內(nèi)壓下均呈逐漸增大的趨勢(shì)[10-11]。其原因是缺陷的存在使得原始可動(dòng)位錯(cuò)密度隨變形率變化有所波動(dòng)，隨著變形的進(jìn)行缺陷消除，位錯(cuò)密度達(dá)到最大值時(shí)變形速率也達(dá)到最大值。

圖4 φ1 016×21.8鋼管極限應(yīng)力、極限應(yīng)變的變化規(guī)律曲線

2.2 φ1 016×21.8規(guī)格鋼管屈強(qiáng)比對(duì)抗拉極限應(yīng)力應(yīng)變的影響

鋼管拉伸應(yīng)變速率為 0.05s-1、0.005s-1、0.0005s-1時(shí)，屈強(qiáng)比分別為0.77、0.79和0.78。在鋼管內(nèi)施加不同壓強(qiáng)時(shí)，屈強(qiáng)比對(duì)抗拉極限應(yīng)力應(yīng)變的影響如圖5、圖6所示。

圖5 屈強(qiáng)比對(duì)抗拉極限應(yīng)力的影響

圖6 屈強(qiáng)比對(duì)抗拉極限應(yīng)變的影響

由圖5、圖6可知，隨著屈強(qiáng)比的增大，抗拉極限應(yīng)力在10.2 MPa內(nèi)壓下逐漸減小，在其他內(nèi)壓下呈先減小后增大；抗拉極限應(yīng)變?cè)?0.2 MPa內(nèi)壓下先增大后減小，其他內(nèi)壓下先減小后增大?？梢?，屈強(qiáng)比對(duì)極限應(yīng)力、極限應(yīng)變的影響趨勢(shì)一致，應(yīng)力是引起應(yīng)變的原因，管線鋼在實(shí)驗(yàn)受力條件下，應(yīng)力與應(yīng)變的變化趨勢(shì)一致，極限應(yīng)力達(dá)到最大值，加工硬化現(xiàn)象達(dá)到最大程度，極限應(yīng)變隨即達(dá)到最大值。

2.3 剛度（D/t）對(duì)抗拉極限應(yīng)力應(yīng)變的影響

φ1 016×21.8、φ1 016×18.3 和 φ813×15.2 三種規(guī)格海底管線管對(duì)應(yīng)的剛度分別為46.606、55.519和53.487，選擇0.005 s-1應(yīng)變速率，鋼管內(nèi)部分別施加 0 MPa、8.6 MPa、10.2 MPa、12.5 MPa、14.0 MPa 五種不同的標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)，剛度對(duì)抗拉應(yīng)力應(yīng)變極限的影響規(guī)律如圖7、圖8所示；選擇8.6 MPa內(nèi)部壓強(qiáng)，采用 0.000 5 s-1、0.005 s-1、0.05 s-1三種不同的應(yīng)變速率進(jìn)行整管拉伸，剛度對(duì)抗拉應(yīng)力應(yīng)變極限的影響規(guī)律如圖9、圖10所示。

圖7 不同內(nèi)壓下剛度對(duì)抗拉極限應(yīng)力的影響

圖8 不同內(nèi)壓下剛度對(duì)抗拉極限應(yīng)變的影響

圖9 不同應(yīng)變速率下剛度對(duì)抗拉極限應(yīng)力的影響

由圖7、圖8可知，隨著剛度的增大，抗拉極限應(yīng)力和抗拉極限應(yīng)變?cè)? MPa內(nèi)壓下變化不大，在12.5 MPa、14.0 MPa內(nèi)壓下先增大后減小，其他內(nèi)壓下先減小后增大。

圖10 不同應(yīng)變速率下剛度對(duì)抗拉極限應(yīng)變的影響

由圖9、圖10可知，隨著剛度的增加，抗拉極限應(yīng)力在0.000 5 s-1的應(yīng)變速率下先增大后減小，在0.005 s-1、0.05 s-1的應(yīng)變速率下逐漸增大；抗拉極限應(yīng)變?cè)?.000 5 s-1的應(yīng)變速率下先減小后增大，在0.005 s-1、0.05 s-1的應(yīng)變速率下先增大后減小。可見，剛度對(duì)應(yīng)力與應(yīng)變的影響較為復(fù)雜，用兩者的綜合參量即應(yīng)變能來分析更為直觀，剛度越大，變形能梯度趨于平緩，抗拉極限應(yīng)力增大，使得應(yīng)變極限總體呈減小趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著管內(nèi)壓強(qiáng)的增大，在0.0005s-1應(yīng)變速率下，極限應(yīng)力先增大后減小，極限應(yīng)變逐漸減?。辉?.005 s-1、0.05 s-1應(yīng)變速率下，極限應(yīng)力逐漸增大，極限應(yīng)變先減小后增大。

（2）當(dāng)內(nèi)部壓強(qiáng)一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大，極限應(yīng)力和極限應(yīng)變整體上呈逐漸增大趨勢(shì)。

（3）隨著屈強(qiáng)比的增大，抗拉極限應(yīng)力和抗拉極限應(yīng)變整體上呈先減小后增大趨勢(shì)。

（4）當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著剛度的增大，抗拉極限應(yīng)力及抗拉極限應(yīng)變?cè)? MPa內(nèi)壓下變化不大，12.5 MPa、14.0 MPa內(nèi)壓下先增大后減小，其他內(nèi)壓下呈先減小后增大趨勢(shì)。當(dāng)內(nèi)壓一定時(shí)，隨著剛度的增加，在0.000 5 s-1應(yīng)變速率下，抗拉極限應(yīng)力先增大后減小，抗拉極限應(yīng)變先減小后增大；在0.005 s-1、0.05 s-1應(yīng)變速率下，抗拉極限應(yīng)變逐漸增大，抗拉極限應(yīng)變先增大后減小。

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