지난 10년간 천연가스 운송을 위해 해저에 파이프라인을 설치하는 심해 연구 프로젝트가 진행되어 왔습니다. 장거리 천연가스 운송에서 파이프라인은 심해의 외부 수압에 견딜 수 있는 압축 강도를 가져야 하므로,UOE 강관UOE 강관은 일반적으로 냉간 스탬핑 성형 방식으로 제조되며, 강관의 강도는 이방성을 나타냅니다. UOE 강관의 압축 강도를 예측하고 강관의 파단 메커니즘을 규명하기 위해 일본강은 강관 성형 성능 평가를 통합한 수치 해석 시뮬레이션을 수행했습니다. 이 수치 해석 시뮬레이션은 강관의 2차원 성형 모델과 성형 형상 및 잔류 응력을 반영한 3차원 파단 모델로 구성됩니다. 실험을 통해 강관 원주 방향의 벽 두께 및 강도 이방성을 측정하고 잔류 응력을 측정했으며, 실제 강관 압축 강도 측정값을 기반으로 수치 해석 모델의 타당성을 평가했습니다.
1. UOE 강관의 강도 이방성 및 잔류 응력
강관의 압축강도에 영향을 미치는 요인으로는 불량한 형상(강관의 원형도 및 벽 두께의 불균일성), 항복강도(YS), 잔류응력이 잘 알려져 있다. 원주 방향의 압축 항복강도와 잔류응력은 높은 상관관계를 보인다. 직경 6mm의 원형 봉과 원통형 시편을 이용하여 측정한 벽 두께 단면의 항복강도 분포를 살펴보면, 강관의 외측 원주 방향으로 갈수록 압축 항복강도가 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다. 벽 두께 위치에서의 항복강도(SS) 곡선을 비교해 보면, 벽 두께 중심에서 시작하는 탄성 변형의 바우싱거 효과로 인해 외측에 원형의 항복강도 곡선이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 유정용 UOE 강관과 무이음 강관을 비교해 보면, 두 강관 모두 내면에서 압축 응력이 집중되는 경향을 보이지만, UOE 강관의 잔류응력 값이 더 작다.
2. 수치 해석 시뮬레이션
수치 해석 과정에서 UOE 강관의 성형-압축 강도를 평가하기 위해 통합 모델을 사용했습니다. UOE 강관의 성형 모델(2차원 평면 변형 요소)에는 판재의 전단 강도(SS) 곡선을 사용하고, 압축 모델(3차원 솔리드 요소)에는 잔류 응력을 적용했습니다. 수치 해석 시뮬레이션만으로는 판재에서 강관으로의 전단 강도 곡선 변화를 정확하게 예측하기 어렵기 때문에, 반실험적 방법(시뮬레이션 변형 시험)을 사용하여 전단 강도 곡선을 예측했습니다. 즉, 계산된 등가 소성 변형률 이력 곡선을 판재에서 채취한 원형 시편에 적용하고, 각 벽 두께 위치에 대한 압축 전단 강도 곡선을 도출했습니다.
3. 결과 및 연구
3.1. 크러시 모델의 타당성
예측 정확도는 요소 조합 수, 압력 증가 값, 모델의 수렴 판단 값에 의해 좌우됩니다. 이러한 영향 요인들을 보정하면 이 모델의 예측 오차는 약 5%로 추정됩니다. 오차를 보정하면 예측 정확도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 동일한 진원도를 적용했을 때 종합 모델과 타원 근사 모델의 파단값을 비교한 결과, 두 모델 간의 평균 차이가 크지 않아 진원도가 최대 외경과 최소 내경에 따라 달라진다는 것을 알 수 있습니다. 매개변수를 타원과 유사하게 설정함으로써 국부적인 곡률 변화가 있는 UOE 강관의 외경 분포를 모델로 나타낼 수 있습니다. 타원 모델로 예측한 파쇄 강도 값을 UOE 강관의 압축 강도 예측에 사용되는 일반적인 공식으로 계산한 값과 비교한 결과, 외경/벽 두께(D/t) 및 진원도에 관계없이 예측값이 일반적인 공식으로 예측한 값과 동일함을 확인했습니다. 따라서 성형-파쇄 종합 모델을 사용해도 동일한 결과를 얻을 수 있다고 추정할 수 있습니다. 그러므로 이 종합 모델은 파쇄 메커니즘을 분석하고 성형 조건이 압축 강도에 미치는 영향을 정량화하는 데 적용될 수 있다고 할 수 있습니다.
3.2. UOE 강관의 파쇄 메커니즘
UOE 강관 생산 공정에서 예측되는 등가 소성 변형 이력 현상을 원형 봉 시편을 이용하여 모사했을 때의 응력-변형률 관계를 조사하고, 예측된 응력-변형률(SS) 곡선과 모사된 곡선을 비교하였다. 그 결과, 벽 두께 방향으로 다른 변형 이력 현상이 나타나는 구간에서도 예측된 SS 곡선이 실제 강관의 SS 곡선과 더 잘 일치하였으며, 항복강도(YS) 또한 측정값과 동일하였다. 이러한 성형 조건에서 벽 두께 방향 외측 YS의 감소는 U 스탬핑 중 발생하는 인장 변형 하중에 의해 주로 발생한다. 또한, 강관 내부에서는 탄성 변형의 보르제신 효과로 인한 압축 YS의 감소가 거의 관찰되지 않았다. 본 연구에서 제안한 모사 변형률 시험을 이용하면 실제 강관의 원주 방향 강도를 더욱 정확하게 예측할 수 있다.
게시 시간: 2023년 8월 10일