Negli ultimi 10 anni, per il trasporto di gas naturale, sono stati condotti progetti di ricerca in acque profonde per la posa di condotte sul fondale marino. Nel trasporto a lunga distanza di gas naturale, la condotta deve avere una resistenza alla compressione contro la pressione esterna dell'acqua sotto le profondità marine, quindiTubi in acciaio UOESono generalmente utilizzati. Il metodo di produzione dei tubi in acciaio UOE è lo stampaggio a freddo e la resistenza del tubo in acciaio è anisotropa. Per prevedere la resistenza a compressione dei tubi in acciaio UOE e chiarire il meccanismo di schiacciamento dei tubi in acciaio, Nippon Steel ha condotto simulazioni di analisi numerica integrando la valutazione delle prestazioni di formatura dei tubi in acciaio. La simulazione di analisi numerica consiste in un modello di formatura bidimensionale del tubo in acciaio e in un modello di schiacciamento tridimensionale del tubo in acciaio che riflette la forma formata e lo stress residuo. Attraverso esperimenti, sono stati misurati lo spessore della parete e l'anisotropia della resistenza nella posizione circonferenziale del tubo in acciaio, è stata misurata lo stress residuo e la validità del modello di analisi numerica è stata valutata in base all'effettiva resistenza a compressione del tubo in acciaio.
1. Anisotropia di resistenza e stress residuo del tubo in acciaio UOE
È noto che i fattori che influenzano la resistenza a compressione dei tubi in acciaio sono la forma non adeguata (rotondità e spessore di parete non uniforme), il limite di snervamento (YS) e le tensioni residue. Il limite di snervamento a compressione e le tensioni residue in direzione circonferenziale presentano una forte correlazione. La distribuzione del limite di snervamento nella sezione dello spessore di parete misurata dalla barra tonda e dai campioni cilindrici (entrambi di 6 mm di diametro) mostra che la diminuzione del limite di snervamento a compressione nella direzione circonferenziale esterna del tubo in acciaio è particolarmente evidente. Un confronto delle curve SS in corrispondenza dello spessore di parete mostra che una curva SS circolare appare all'esterno a causa dell'effetto Bauschinger della deformazione elastica a partire dal centro dello spessore di parete. Secondo il confronto tra tubi in acciaio UOE e tubi in acciaio senza saldatura per pozzi petroliferi, le tensioni residue dei due tubi in acciaio tendono a essere compresse sulla superficie interna, ma il valore delle tensioni residue dei tubi in acciaio UOE è piccolo.
2. Simulazione di analisi numerica
Durante l'analisi numerica, è stato utilizzato un modello integrato per valutare la resistenza a compressione e formatura dei tubi in acciaio UOE. Nel modello di formatura (elemento di deformazione piana bidimensionale) del tubo in acciaio UOE, viene utilizzata la curva SS della piastra e la tensione residua viene applicata al modello di schiacciamento (elemento solido tridimensionale). Poiché è difficile prevedere con precisione la variazione della curva SS dalla piastra al tubo in acciaio solo tramite simulazione numerica, viene utilizzato un metodo semi-sperimentale (test di deformazione simulata) per prevedere la curva SS. In altre parole, l'isteresi di deformazione plastica equivalente calcolata viene applicata al campione di barra tonda prelevato dalla piastra e quindi la curva SS di compressione risultante viene definita per ciascuna posizione dello spessore di parete.
3. Risultati e ricerca
3.1. Validità del modello di schiacciamento
L'accuratezza della previsione è determinata dal numero di combinazioni di elementi, dal valore di incremento di pressione e dal valore di giudizio di convergenza del modello. Se questi fattori influenti vengono corretti, l'errore di previsione di questo modello è stimato a circa il 5%. Correggendo l'errore, l'accuratezza della previsione può essere ulteriormente migliorata. Dopo aver confrontato i valori di schiacciamento del modello completo e del modello di approssimazione dell'ellisse quando viene fornita la stessa rotondità, si riscontra che non vi è una grande differenza media tra i due, quindi si può osservare che la rotondità dipenderà dal diametro esterno massimo e dal diametro interno più piccolo. Rendendo i parametri simili a quelli di un'ellisse, la distribuzione del diametro esterno dei tubi in acciaio UOE con variazioni locali di curvatura può essere rappresentata da un modello. Confrontando il valore di schiacciamento previsto dal modello ellittico con il valore calcolato dalla formula comune per la previsione della resistenza a compressione dei tubi in acciaio UOE, si riscontra che i valori previsti per i diversi D/t (diametro esterno/spessore di parete) e rotondità sono gli stessi previsti dalla formula comune, quindi si presume che lo stesso risultato possa essere ottenuto utilizzando il modello completo di formatura-schiacciamento. Pertanto, si può affermare che il modello completo può analizzare il meccanismo di schiacciamento e può essere applicato per quantificare l'influenza delle condizioni di formatura sulla resistenza a compressione.
3.2. Il meccanismo di schiacciamento del tubo in acciaio UOE
È stata studiata la relazione sforzo-deformazione simulando l'isteresi di deformazione plastica equivalente prevista nel processo di produzione di tubi in acciaio UOE utilizzando un campione di barra tonda e confrontando la curva SS prevista con la curva simulata. I risultati hanno mostrato che la curva SS prevista è più coerente con la curva SS del tubo in acciaio reale; anche se si tratta di una sezione di spessore di parete soggetta a diversa isteresi di deformazione, il suo YS è uguale al valore misurato. La diminuzione dello spessore di parete esterno YS nell'isteresi di deformazione in questa condizione di formatura è dominata dal carico di deformazione a trazione durante lo stampaggio a U. Inoltre, non si osserva quasi nessuna diminuzione della compressione YS dovuta all'effetto Borgesine della deformazione elastica all'interno del tubo in acciaio. Utilizzando il test di deformazione simulata proposto sopra, la resistenza nella direzione circonferenziale del tubo in acciaio reale può essere prevista con maggiore precisione.
Data di pubblicazione: 10-08-2023