X75海底管線管應變極限的數值模擬

（湖北理工學院 機電學院，湖北 黃石435003）

0 前言

隨著對能源需求的日益增加，加大了對海洋石油、天然氣的開發，使得海底管線在世界范圍內得到廣泛應用，管線建設已擴展到極地凍土帶、地震區和海洋等區域，這些區域的管線可能會發生較大的塑性變形。傳統的海底管道設計是基于應力的設計，即用單一的安全系數將鋼管應力限制在一定的屈服強度或抗拉強度范圍內[1-4]。這些安全系數實際上都是基于經驗的，使得壓力雖然安全但偏于保守，不能真實反映鋼管性能的客觀變化規律，容易造成材料浪費。而在管線鋼的各項性能指標中，拉伸性能是最重要、最基本的性能，也是管道設計和安全評價最重要的依據。國外對大變形鋼管進行過全尺寸實物試驗，得出關于拉伸的應變極限研究成果。但目前我國不具備大口徑鋼管全尺寸拉伸的試驗條件，因此采用數值模擬方式計算應變極限。本研究采用ANSYS軟件對X75海底管線管在不同的變形條件及規格等情況下進行拉伸變形的計算模擬，分析在拉伸變形條件下應變速率、內部壓強、屈強比及剛度對X75海底管線管應力應變極限的影響規律[5]，從而為分析鋼管能否承受住深海環境的變形要求及管道的設計和選材提供依據。

1 X75海底管線管的拉伸極限有限元模型的建立

對于薄壁結構，如果選用實體單元，薄壁結構厚度方向的單元層數太少，計算結果誤差較大，沒有shell單元計算準確，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構計算，因此采用ANSYS對大變形鋼管進行拉伸極限模擬計算。本研究采用shell-181單元建立了3D有限元模型[6-8]，對φ1 016 mm×21.8 m、φ1 016 mm×18.3 mm、φ813 mm×15.2 mm 三個規格鋼管在拉伸變形條件下的變形極限進行模擬，分析變形速率和管內壓強對鋼管變形極限的影響。模擬計算參數見表1，建立的有限元模型和海底管線管的應力-應變曲線如圖1、圖2所示。

圖1 拉伸模擬模型

圖2 應力應變曲線

表1 模擬計算參數

2 拉伸應變模擬結果分析

2.1 φ1 016×21.8鋼管拉伸極限模擬結果

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

圖3 φ1 016×21.8鋼管不同應變速率、不同內壓下的應力應變曲線

表2 φ1 016×21.8鋼管不同應變速率、不同內壓下的極限應力和極限應變

φ1 016×21.8鋼管極限應力、極限應變的變化規律曲線如圖4所示。由圖3、表2和圖4可以得知，當應變速率一定時，隨著鋼管內部壓強的增大，在0.000 5 s-1的應變速率下，極限應力先增大后減小，極限應變逐漸減小；在0.005 s-1、0.05 s-1應變速率下，極限應力逐漸增大，極限應變先減小后增大[9]；當內部壓強一定時，隨著應變速率的增大，極限應力和極限應變在10.2 MPa內壓下均呈先減小后增大的趨勢，而在其他內壓下均呈逐漸增大的趨勢[10-11]。其原因是缺陷的存在使得原始可動位錯密度隨變形率變化有所波動，隨著變形的進行缺陷消除，位錯密度達到最大值時變形速率也達到最大值。

圖4 φ1 016×21.8鋼管極限應力、極限應變的變化規律曲線

2.2 φ1 016×21.8規格鋼管屈強比對抗拉極限應力應變的影響

鋼管拉伸應變速率為 0.05s-1、0.005s-1、0.0005s-1時，屈強比分別為0.77、0.79和0.78。在鋼管內施加不同壓強時，屈強比對抗拉極限應力應變的影響如圖5、圖6所示。

圖5 屈強比對抗拉極限應力的影響

圖6 屈強比對抗拉極限應變的影響

由圖5、圖6可知，隨著屈強比的增大，抗拉極限應力在10.2 MPa內壓下逐漸減小，在其他內壓下呈先減小后增大；抗拉極限應變在10.2 MPa內壓下先增大后減小，其他內壓下先減小后增大。可見，屈強比對極限應力、極限應變的影響趨勢一致，應力是引起應變的原因，管線鋼在實驗受力條件下，應力與應變的變化趨勢一致，極限應力達到最大值，加工硬化現象達到最大程度，極限應變隨即達到最大值。

2.3 剛度（D/t）對抗拉極限應力應變的影響

φ1 016×21.8、φ1 016×18.3 和 φ813×15.2 三種規格海底管線管對應的剛度分別為46.606、55.519和53.487，選擇0.005 s-1應變速率，鋼管內部分別施加 0 MPa、8.6 MPa、10.2 MPa、12.5 MPa、14.0 MPa 五種不同的標準壓強，剛度對抗拉應力應變極限的影響規律如圖7、圖8所示；選擇8.6 MPa內部壓強，采用 0.000 5 s-1、0.005 s-1、0.05 s-1三種不同的應變速率進行整管拉伸，剛度對抗拉應力應變極限的影響規律如圖9、圖10所示。

圖7 不同內壓下剛度對抗拉極限應力的影響

圖8 不同內壓下剛度對抗拉極限應變的影響

圖9 不同應變速率下剛度對抗拉極限應力的影響

由圖7、圖8可知，隨著剛度的增大，抗拉極限應力和抗拉極限應變在0 MPa內壓下變化不大，在12.5 MPa、14.0 MPa內壓下先增大后減小，其他內壓下先減小后增大。

圖10 不同應變速率下剛度對抗拉極限應變的影響

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

3 結論

（1）當應變速率一定時，隨著管內壓強的增大，在0.0005s-1應變速率下，極限應力先增大后減小，極限應變逐漸減小；在0.005 s-1、0.05 s-1應變速率下，極限應力逐漸增大，極限應變先減小后增大。

（2）當內部壓強一定時，隨著應變速率的增大，極限應力和極限應變整體上呈逐漸增大趨勢。

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

（4）當應變速率一定時，隨著剛度的增大，抗拉極限應力及抗拉極限應變在0 MPa內壓下變化不大，12.5 MPa、14.0 MPa內壓下先增大后減小，其他內壓下呈先減小后增大趨勢。當內壓一定時，隨著剛度的增加，在0.000 5 s-1應變速率下，抗拉極限應力先增大后減小，抗拉極限應變先減小后增大；在0.005 s-1、0.05 s-1應變速率下，抗拉極限應變逐漸增大，抗拉極限應變先增大后減小。

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