鋼管折疊缺陷案例分析

王 鵬，楊佐英, 馮 春，王新虎，韓禮紅

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.長慶油田分公司工程技術管理部 陜西 西安 710018 )

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·失效分析與預防·

鋼管折疊缺陷案例分析

王 鵬1，楊佐英2, 馮 春1，王新虎1，韓禮紅1

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.長慶油田分公司工程技術管理部 陜西 西安 710018 )

折疊是一種常見的鋼管熱加工缺陷。基于兩個典型的折疊缺陷鋼管失效分析案例，簡明介紹了其共有的失效特征，通過對折疊缺陷部位承壓爆裂過程的數值模擬分析闡述了其對鋼管服役性能的影響。

鋼管; 折疊; 失效分析; 數值模擬

0 引 言

鋼管是石油天然氣行業中大量使用的重要部件，管材性能的好壞直接決定了其服役的安全可靠性。折疊是一種常見的鋼管熱加工缺陷，嚴重影響鋼管產品質量。作者通過兩個鋼管折疊典型案例分析，總結其共有的失效特征，并運用擴展有限元法(XFEM)[1,2]對徑向深度2 mm折疊的Φ60 mm×7 mm無縫鋼管爆裂實例進行了數值模擬分析，闡述了折疊對鋼管服役性能的影響。

1 外壁折疊案例分析

某Φ88.9 mm×6.45 mm 110 Ksi鋼級油管外表面修磨處發現線性缺欠，該缺欠基本位于修磨區域中央，為平行于管體軸向的細線狀，目測連續長度約20 mm并具有一定的深度，形貌如圖1(a)所示。按照API Spec 5CT標準L2檢驗等級的超聲波檢測發現該部位存在回波顯示，經磁粉檢測其存在線性缺欠磁痕顯示，缺欠軸向長度約18 mm，如圖1(b)所示。

圖1 油管外壁折疊宏觀形貌

對缺欠及附近的微觀形貌、金相組織及能譜分析顯示(如圖2)：缺欠裂紋特征明顯，起始于管體外表面，具有多個分支，裂紋內填充灰色物質，裂紋周邊組織脫碳明顯，裂紋最大深度為0.305 mm(名義壁厚的4.7%)，裂紋內部灰色填充物富含氧元素，判斷其主要為金屬氧化物。根據以上各種特征判斷為軋制折疊類缺欠，其裂紋附近脫碳嚴重，裂紋尖端不是非常尖銳，推測缺欠形成于軋制管坯，軋制過程進一步破壞了該區域組織連續性，接近5%名義壁厚的裂紋深度勢必造成油管承載能力大幅降低。

圖2 油管外壁缺欠微觀形貌、金相組織及能譜分析

2 內壁折疊爆裂案例分析

某石油公司的管線壓力試驗中內壓加至約35 MPa時，Ф60 mm×7 mm 20 G鍋爐鋼管發生爆裂，爆裂宏觀形貌如圖3所示。參考API TR 5C3標準中有關鋼管在內壓作用下的屈服強度計算公式，按照GB 5310標準規定材料屈服強度下限245 MPa，估算管體可承受內壓為50.02 MPa，爆裂試驗內壓遠低于此數值。

經過理化檢驗和分析發現在管體開裂斷口面處存在縱向帶狀脫碳區域，如圖4(a)所示，其長度至少大于66 mm、徑向深度約為2 mm，該脫碳區域位于斷口靠近管體內壁的帶狀臺階狀區域外側，如圖4(b)所示，由這些特征判斷管體存在縱向呈細線狀分布的內表面折疊缺陷，爆裂即在此位置[3]。熱軋無縫鋼管的內折缺陷一直是影響鋼管一次合格率和成材率指標的主要原因之一，主要在穿孔過程中產生，其產生的主要原因與連鑄管坯質量有關，也與穿孔工藝制度合理與否有關[4]。該折疊缺陷不僅大大降低了管體的有效承載壁厚，同時缺陷尖端又會造成此處的應力集中。

圖3 爆裂的無縫鋼管

圖4 爆裂斷口分析

3 內壁折疊爆裂數值模擬

金屬材料斷裂是一種復雜的強不連續力學問題，其復雜性由幾何界面處的位移不連續性和端部的奇異性引起物體內部物理界面的脫粘或起裂。于1999年由以美國西北大學Belytschko教授為代表的研究組首先提出的擴展有限元法(XFEM)繼承了CFEM的框架，劃分網格時不需要考慮結構內部的幾何或物理界面，克服了裂紋尖端等高應力和應變集中等問題所帶來的計算困難。

借助ABAQUS/Standard商用有限元軟件平臺，基于XFEM對無縫鋼管在內壓作用下的整個爆裂過程進行模擬分析。通過設置損傷起始和擴展的判據等相關參數實現裂紋擴展計算，模擬裂紋起始時，選取最大主應力損傷準則作為判據，即

(1)

模擬裂紋擴展時，選取基于能量的混合型冪指數損傷演化法則作為判據，即

(2)

式中，GI、GII和GIII分別表示I、II和III型能量釋放率；GIC、GIIC和GIIIC分別表示I、II和III型臨界能量釋放率。

建立平面應變計算模型，在管體內壁上構造深2 mm的原始缺陷，管體施加內壓為：從0 MPa增至35 MPa，材料參數選取試驗檢測值[3]。采用四節點四邊形單元，單元數為1875，節點數為2020，其中對裂紋區域的網格進行了加密以保證計算精度。

圖5為數值模擬得到的有缺陷無縫鋼管在施加35 MPa內壓作用下的裂紋起裂和擴展過程以及材料內部的等效應力分布演變。可以看出，在內壓的作用下，管體內應力分布極不均勻，在原始缺陷尖端有明顯的應力集中。當管體內壓從0 MPa加至約7 MPa時，承受較大應力的缺陷尖端就逐步產生了細微的起始裂紋，隨后裂紋尖端應力加劇集中，裂紋附近的材料受到周向拉應力和剪應力的綜合作用，裂紋逐步擴展延伸，管體截面不斷削弱，內壓升至約35 MPa最終導致管體完全斷裂。折疊爆裂處未見塑性變形，低應力脆斷特征明顯。

圖5 裂紋起裂及擴展過程等效應力分布

4 結 論

本文基于鋼管折疊分析案例介紹了該類缺陷典型特征，并運用XFEM模擬技術對折疊缺陷無縫鋼管縱向爆裂實例進行了有限元分析，為相關工程技術人員提供借鑒參考。

[1] Moes N, Dolbow J, Belytschko T. A finite element method for

crack growth without remeshing [J]. International journal for numerical methods in engineering, 1999, 46: 131-150.

[2] 李錄賢，王鐵軍. 擴展有限元法(XFEM)及其應用[J].力學進展，2005，35(1): 5-20.

[3] 王 鵬，李方坡，路彩虹，等. 高壓鍋爐無縫鋼管爆裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊，2011，47(6): 375-378.

[4] 周曉鋒. 熱軋無縫鋼管內折缺陷分析[J]. 鋼管, 2009, 38(10): 48-51.

Cases Analysis of Steel Pipe with Folding Defect

WANG Peng1, YANG Zuoyin2，FENG Chun1, WANG Xinhu1, HAN Lihong1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China；2.PetroChinaChangqingOilField,Xi′an,Shaanxi710018,China)

The folding is a common hot-working defect for steel pipe. Based on two typical cases analysis of steel pipe with folding, the common failure characters were introduced. Through numerical simulation analysis of the busting process of steel pipe with folding under internal pressure, its influence on the working performance is described.

steel pipe; folding; failure analysis; numerical simulation

王 鵬，男，1980年生，高級工程師，2009年畢業于上海交通大學材料加工工程專業，獲博士學位，主要從事石油管失效分析與安全評價技術研究。E-mail: wangpeng008@cnpc.com.cn

TH142

A

2096-0077(2016)05-0036-02

2016-07-05 編輯：葛明君)