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UOE钢管强度各向异性对抗压强度的影响及其预测方法
双击自动滚屏 发布者:管理员 发布时间:2011/12/31 阅读:1329次 【字体:

最近10年来,为输送天然气,开展了在海底铺设管道管的深水研究项目。在天然气的远距离输送中,要求管道在深海下具有抵抗外部水压的抗压强度,因此一般使用UOE钢管。UOE钢管的制造方法为冷冲压成形法,钢管强度各向异性。为预测UOE钢管的抗压强度和弄清钢管的压坏机理,新日铁进行了钢管成形-性能评价一体化的数值解析模拟。数值解析模拟由钢管的二维成形模型和反映成形形状及残留应力的钢管三维压坏模型构成。通过实验,对钢管的壁厚、圆周方向位置中的强度各向异性进行了测定,同时对残留应力进行了测定,根据钢管的实际抗压强度,对数值解析模型的妥当性进行了评价。
    1.UOE钢管的强度各向异性和残留应力
    众所周知,影响钢管抗压强度的因素有形状不良(钢管的正圆度和壁厚不均)、屈服强度(YS)和残留应力。圆周方向的压缩屈服强度和残留应力有很大的相互关系。圆棒和圆柱试样(直径都是6mm)测定的壁厚断面的屈服强度分布表明,钢管外部圆周方向压缩屈服强度的下降特别明显。对壁厚位置中的S-S曲线比较表明,从壁厚中心开始出现在外部因弹性变形的鲍辛格效应而产生的圆形的S-S曲线。根据UOE钢管和油井用无缝钢管的比较可知,两种钢管的残留应力都趋于内面压缩,但UOE钢管残留应力值小。
    2.数值解析模拟
    在数值解析过程中,使用了综合模型对UOE钢管的成形-抗压强度进行了评估。在UOE钢管的成形模型(二维平面变形要素)中,使用了板材的S-S曲线,并将残留应力应用于压坏模型(三维固体要素)。由于只进行数值解析模拟难以精确预测对从板材到钢管的S-S曲线变化,因此采用半实验的方法(模拟变形试验)预测S-S曲线。即,把计算的等效塑性应变滞后作用于从板材取样的圆棒试样,然后对每个壁厚位置所得的压缩S-S曲线进行定义。
    3.结果和研究
    3.1压坏模型的妥当性
    预测精度受模型的要素组合数、压力增量值、收敛判断值的支配,如果对这些影响因素进行校正,估计本模型的预测误差在5%左右,通过校正误差,可以进一步提高预测精度。
    在对给出相同正圆度时的综合模型和椭圆近似模型的压坏值进行比较后发现两者没有比较大平均差,由此可知,通过将取决于最大外径和最小内径的正圆度做成近似于椭圆的参数,就可以将局部曲率变化的UOE钢管的外径分布用模型表示。对用椭圆模型预测的压坏值和预测UOE钢管抗压强度的普通公式的计算值进行了比较,发现不同D/t(外径/壁厚)和正圆度的预测值与普通公式预测值相同,由此推定采用成形-压坏综合模型也能获得相同的结果。因此,可以说综合模型能解析压坏机理,可以应用于成形条件对抗压强度影响的量化。
    3.2UOE钢管的压坏机理
    调查了采用圆棒试样模拟UOE钢管生产过程中预测的等效塑性应变滞后时的应力-应变关系,并对预测的S-S曲线和模拟曲线进行了比较,结果可知预测的S-S曲线与实际钢管的S-S曲线较一致,即使是受到不同应变滞后作用的壁厚断面,其YS也与实测值相同。在此次成形条件下的应变滞后中壁厚外部YS的下降受U冲压时的拉伸应变负荷所支配。另外,在钢管内侧几乎看不到因弹性变形的鲍格辛效应而产生的压缩YS下降。采用以上提出的模拟应变试验,能更加精确预测实际钢管圆周方向的强度。
    4.结束语
    根据UOE钢管的强度分布、强度各向异性和残留应力实测值,通过数值解析,求出了这些因素对钢管外部压坏特性的影响。结果明确了UOE钢管特有的现象,即由于圆周方向压缩YS的下降,因此抗压强度比均质材低,压坏的起点和残留应力的效果与均质材不同等。另外,还提出了用板材进行钢管成形时预测机械特性能变化的有效方法

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