In den letzten zehn Jahren wurden zur Förderung des Erdgastransports Tiefseeforschungsprojekte zur Verlegung von Pipelines auf dem Meeresboden durchgeführt. Beim Ferntransport von Erdgas muss die Pipeline dem äußeren Wasserdruck unter der Tiefsee standhalten.UOE-StahlrohreUOE-Stahlrohre werden üblicherweise im Kaltumformverfahren hergestellt, wobei die Festigkeit des Stahlrohrs anisotrop ist. Um die Druckfestigkeit von UOE-Stahlrohren vorherzusagen und den Bruchmechanismus von Stahlrohren zu klären, führte Nippon Steel numerische Analysesimulationen durch, die die Umformung und die Bewertung der Stahlrohrleistung integrierten. Die numerische Analysesimulation besteht aus einem zweidimensionalen Umformmodell des Stahlrohrs und einem dreidimensionalen Bruchmodell, das die Umformung und die Eigenspannungen berücksichtigt. Experimentell wurden die Wandstärke und die Festigkeitsanisotropie in Umfangsrichtung des Stahlrohrs gemessen, die Eigenspannungen ermittelt und die Gültigkeit des numerischen Analysemodells anhand der tatsächlichen Druckfestigkeit des Stahlrohrs bewertet.
1. Festigkeitsanisotropie und Eigenspannungen von UOE-Stahlrohren
Es ist bekannt, dass die Druckfestigkeit von Stahlrohren durch Formfehler (Rundheit und ungleichmäßige Wandstärke), Streckgrenze und Eigenspannungen beeinflusst wird. Die Druckstreckgrenze und die Eigenspannungen in Umfangsrichtung korrelieren stark. Die Streckgrenzenverteilung entlang des Wandquerschnitts, gemessen an Rundstäben und zylindrischen Proben (jeweils 6 mm Durchmesser), zeigt einen besonders deutlichen Abfall der Druckstreckgrenze in Richtung des äußeren Umfangs des Stahlrohrs. Ein Vergleich der Dehnungs-Dehnungs-Kurven (DD-Kurven) entlang der Wandstärke zeigt, dass aufgrund des Bauschinger-Effekts der elastischen Verformung, ausgehend von der Wandmitte, eine kreisförmige DD-Kurve an der Außenseite entsteht. Der Vergleich von unlegierten Stahlrohren (UOE) und nahtlosen Stahlrohren für Ölquellen zeigt, dass die Eigenspannungen beider Rohrtypen tendenziell an der Innenfläche komprimiert sind, der Wert der Eigenspannung bei UOE-Stahlrohren jedoch geringer ist.
2. Numerische Analyse-Simulation
Im Rahmen der numerischen Analyse wurde ein integriertes Modell zur Bewertung der Umform- und Druckfestigkeit von UOE-Stahlrohren verwendet. Im Umformmodell (zweidimensionales ebenes Verformungselement) des UOE-Stahlrohrs wird die SS-Kurve der Platte verwendet, während die Eigenspannungen im Stauchmodell (dreidimensionales Volumenelement) berücksichtigt werden. Da die Änderung der SS-Kurve von der Platte zum Stahlrohr allein durch numerische Simulationen nur schwer präzise vorherzusagen ist, wird ein semi-experimentelles Verfahren (simulierter Verformungstest) zur Bestimmung der SS-Kurve eingesetzt. Dabei wird die berechnete äquivalente plastische Dehnungshysterese auf die aus der Platte entnommene Rundstabprobe angewendet, und anschließend wird für jede Wandstärkeposition die resultierende Druck-SS-Kurve ermittelt.
3. Ergebnisse und Forschung
3.1. Gültigkeit des Crush-Modells
Die Vorhersagegenauigkeit wird maßgeblich von der Anzahl der Elementkombinationen, dem Druckinkrementwert und dem Konvergenzkriterium des Modells bestimmt. Werden diese Einflussfaktoren korrigiert, beträgt der Vorhersagefehler des Modells schätzungsweise 5 %. Durch die Korrektur des Fehlers lässt sich die Vorhersagegenauigkeit weiter verbessern. Ein Vergleich der Stauchwerte des Gesamtmodells und des Ellipsenapproximationsmodells bei gleicher Rundheit zeigt, dass kein signifikanter durchschnittlicher Unterschied zwischen beiden besteht. Daraus lässt sich schließen, dass die Rundheit vom maximalen Außendurchmesser und dem kleinsten Innendurchmesser abhängt. Durch die Angleichung der Parameter an die einer Ellipse kann die Außendurchmesserverteilung von UOE-Stahlrohren mit lokalen Krümmungsänderungen durch ein Modell dargestellt werden. Beim Vergleich des mit dem Ellipsenmodell vorhergesagten Stauchwerts mit dem Wert der gängigen Formel zur Vorhersage der Druckfestigkeit von UOE-Stahlrohren zeigt sich, dass die vorhergesagten Werte für unterschiedliche D/t-Verhältnisse (Außendurchmesser/Wandstärke) und Rundheit mit denen der gängigen Formel übereinstimmen. Daher kann angenommen werden, dass mit dem umfassenden Umform- und Stauchmodell dasselbe Ergebnis erzielt werden kann. Folglich lässt sich sagen, dass das umfassende Modell den Stauchmechanismus analysieren und zur Quantifizierung des Einflusses der Umformbedingungen auf die Druckfestigkeit eingesetzt werden kann.
3.2. Der Quetschmechanismus von UOE-Stahlrohren
Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung wurde anhand eines Rundstabes untersucht, wobei die im UOE-Stahlrohrherstellungsprozess vorhergesagte äquivalente plastische Dehnungshysterese simuliert wurde. Die vorhergesagte Streckgrenzenkurve (SS-Kurve) wurde mit der simulierten Kurve verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die vorhergesagte SS-Kurve besser mit der SS-Kurve des realen Stahlrohrs übereinstimmt. Selbst bei unterschiedlichen Wandstärken und variierender Dehnungshysterese entspricht die Streckgrenze (YS) dem gemessenen Wert. Der Abfall der Streckgrenze an der Außenseite der Wandstärke unter den gegebenen Umformbedingungen wird hauptsächlich durch die Zugbelastung beim U-Stanzen verursacht. Zudem ist im Inneren des Stahlrohrs aufgrund des Borgesine-Effekts der elastischen Verformung nahezu kein Abfall der Druckstreckgrenze zu beobachten. Mit dem oben beschriebenen simulierten Dehnungstest lässt sich die Festigkeit in Umfangsrichtung des realen Stahlrohrs genauer vorhersagen.
Veröffentlichungsdatum: 10. August 2023