تأثير تباين قوة أنابيب الصلب UOE على مقاومة الضغط

خلال السنوات العشر الماضية، نُفذت مشاريع بحثية في المياه العميقة لنقل الغاز الطبيعي، شملت مدّ خطوط أنابيب في قاع البحر. ويتطلب نقل الغاز الطبيعي لمسافات طويلة أن يتمتع خط الأنابيب بقوة تحمل عالية لضغط المياه الخارجية تحت سطح البحر، لذاأنابيب فولاذية UOEتُستخدم هذه الطرق بشكل عام. تعتمد طريقة تصنيع أنابيب الصلب UOE على التشكيل بالضغط البارد، وتتميز هذه الأنابيب بمقاومة غير متجانسة. وللتنبؤ بمقاومة الضغط لأنابيب الصلب UOE وتوضيح آلية سحقها، أجرت شركة نيبون ستيل محاكاة تحليلية عددية متكاملة لتقييم أداء تشكيل الأنابيب. تتكون المحاكاة من نموذج ثنائي الأبعاد لتشكيل الأنبوب ونموذج ثلاثي الأبعاد لسحقه، يعكسان الشكل المُشكّل والإجهاد المتبقي. ومن خلال التجارب، تم قياس سُمك الجدار وتباين المقاومة في الاتجاه المحيطي للأنبوب، بالإضافة إلى قياس الإجهاد المتبقي، وتقييم صحة نموذج التحليل العددي بناءً على مقاومة الضغط الفعلية للأنبوب.

1. تباين قوة وإجهاد متبقٍ في أنابيب الصلب UOE
من المعروف أن العوامل المؤثرة على مقاومة الضغط لأنابيب الصلب هي سوء الشكل (عدم استدارة الأنابيب وعدم انتظام سمك جدارها)، ومقاومة الخضوع، والإجهاد المتبقي. وتوجد علاقة وثيقة بين مقاومة الخضوع للضغط والإجهاد المتبقي في الاتجاه المحيطي. ويُظهر توزيع مقاومة الخضوع في مقطع سمك الجدار، والمقاس باستخدام عينات دائرية وأسطوانية (قطر كل منهما 6 مم)، انخفاضًا ملحوظًا في مقاومة الخضوع للضغط في الاتجاه المحيطي الخارجي لأنبوب الصلب. وتُظهر مقارنة منحنيات الإجهاد المتبقي في موضع سمك الجدار ظهور منحنى دائري للإجهاد المتبقي على السطح الخارجي نتيجة لتأثير باوشينغر للتشوه المرن الذي يبدأ من مركز سمك الجدار. وبمقارنة أنابيب الصلب غير الملحومة المستخدمة في آبار النفط، يميل الإجهاد المتبقي في كلا النوعين من الأنابيب إلى التمركز على السطح الداخلي، إلا أن قيمة الإجهاد المتبقي في أنابيب الصلب غير الملحومة تكون منخفضة.

2. محاكاة التحليل العددي
خلال التحليل العددي، استُخدم نموذج متكامل لتقييم مقاومة التشكيل والضغط لأنابيب الصلب UOE. في نموذج التشكيل (عنصر تشوه ثنائي الأبعاد) لأنبوب الصلب UOE، استُخدم منحنى الإجهاد-القوة للصفيحة، وطُبِّق الإجهاد المتبقي على نموذج السحق (عنصر صلب ثلاثي الأبعاد). نظرًا لصعوبة التنبؤ بدقة بتغير منحنى الإجهاد-القوة من الصفيحة إلى أنبوب الصلب بالاعتماد على محاكاة التحليل العددي فقط، استُخدمت طريقة شبه تجريبية (اختبار محاكاة التشوه) للتنبؤ بمنحنى الإجهاد-القوة. أي، طُبِّق التخلف الهستيري للانفعال البلاستيكي المكافئ المحسوب على عينة قضيب دائري مأخوذة من الصفيحة، ثم حُدِّد منحنى الإجهاد-القوة الناتج لكل موضع من مواضع سُمك الجدار.

3. النتائج والبحوث
3.1. صلاحية نموذج السحق
تعتمد دقة التنبؤ بشكل أساسي على عدد تركيبات العناصر، وقيمة زيادة الضغط، وقيمة حكم التقارب للنموذج. عند تصحيح هذه العوامل المؤثرة، يُقدّر خطأ التنبؤ لهذا النموذج بنحو 5%. ومن خلال تصحيح هذا الخطأ، يمكن تحسين دقة التنبؤ بشكل أكبر. بعد مقارنة قيم التكسير للنموذج الشامل ونموذج تقريب القطع الناقص عند ثبات الاستدارة، تبيّن عدم وجود فرق كبير بينهما، مما يُشير إلى أن الاستدارة تعتمد على القطر الخارجي الأقصى والقطر الداخلي الأصغر. وبجعل المعلمات مشابهة لتلك الخاصة بالقطع الناقص، يمكن تمثيل توزيع القطر الخارجي لأنابيب الصلب UOE ذات تغيرات الانحناء الموضعية بنموذج. بمقارنة قيمة التكسير المتوقعة باستخدام نموذج القطع الناقص مع القيمة المحسوبة باستخدام الصيغة الشائعة لتوقع مقاومة الضغط لأنابيب الصلب UOE، وُجد أن القيم المتوقعة لنسب القطر الخارجي إلى سُمك الجدار (D/t) والاستدارة المختلفة هي نفسها القيم المتوقعة باستخدام الصيغة الشائعة. لذا، يُفترض أنه يمكن الحصول على النتيجة نفسها باستخدام النموذج الشامل للتشكيل والتكسير. وعليه، يمكن القول إن النموذج الشامل قادر على تحليل آلية التكسير، ويمكن تطبيقه لتحديد تأثير ظروف التشكيل على مقاومة الضغط.
3.2. آلية سحق أنبوب الصلب UOE
تمت دراسة علاقة الإجهاد بالانفعال عند محاكاة التخلف الانفعالي البلاستيكي المكافئ المتوقع في عملية إنتاج أنابيب الصلب UOE باستخدام عينة قضيب دائري، ومقارنة منحنى الإجهاد-الانفعال المتوقع مع المنحنى المحاكى. أظهرت النتائج أن منحنى الإجهاد-الانفعال المتوقع أكثر تطابقًا مع منحنى الإجهاد-الانفعال لأنبوب الصلب الفعلي، حتى في حالة تعرض مقطع بسماكة جدار مختلفة لتخلف انفعالي مختلف، فإن حد المرونة (YS) الخاص به يظل مطابقًا للقيمة المقاسة. ويُعزى الانخفاض في حد المرونة الخارجي لسماكة الجدار في حالة التخلف الانفعالي تحت ظروف التشكيل هذه إلى حمل انفعال الشد أثناء عملية التشكيل على شكل حرف U. بالإضافة إلى ذلك، لم يُلاحظ أي انخفاض تقريبًا في حد المرونة الانضغاطي نتيجة لتأثير بورجيسين للتشوه المرن داخل أنبوب الصلب. باستخدام اختبار الانفعال المحاكى المقترح أعلاه، يمكن التنبؤ بالقوة في الاتجاه المحيطي لأنبوب الصلب الفعلي بدقة أكبر.