Trong 10 năm qua, để vận chuyển khí đốt tự nhiên, các dự án nghiên cứu dưới nước sâu về việc đặt đường ống trên đáy biển đã được thực hiện. Trong vận chuyển khí đốt tự nhiên đường dài, đường ống cần phải có khả năng chịu nén trước áp lực nước bên ngoài dưới đáy biển sâu, vì vậyống thép UOEỐng thép UOE thường được sử dụng. Phương pháp sản xuất ống thép UOE là phương pháp dập nguội, và độ bền của ống thép là không đẳng hướng. Để dự đoán độ bền nén của ống thép UOE và làm rõ cơ chế nghiền nát của ống thép, Nippon Steel đã tiến hành mô phỏng phân tích số tích hợp đánh giá hiệu suất tạo hình ống thép. Mô phỏng phân tích số bao gồm mô hình tạo hình hai chiều của ống thép và mô hình nghiền nát ba chiều của ống thép phản ánh hình dạng được tạo hình và ứng suất dư. Thông qua các thí nghiệm, độ dày thành và tính không đẳng hướng về độ bền theo hướng chu vi của ống thép đã được đo, ứng suất dư được đo và tính hợp lệ của mô hình phân tích số được đánh giá dựa trên độ bền nén thực tế của ống thép.
1. Tính dị hướng về cường độ và ứng suất dư của ống thép UOE
Ai cũng biết rằng các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của ống thép là hình dạng kém (độ tròn và độ dày thành ống không đồng đều), giới hạn chảy (YS) và ứng suất dư. Giới hạn chảy nén và ứng suất dư theo phương chu vi có mối tương quan chặt chẽ. Phân bố giới hạn chảy của tiết diện độ dày thành ống được đo bằng mẫu thanh tròn và mẫu hình trụ (cả hai đều có đường kính 6 mm) cho thấy sự giảm giới hạn chảy nén theo phương chu vi ngoài của ống thép là đặc biệt rõ rệt. So sánh các đường cong SS tại vị trí độ dày thành ống cho thấy một đường cong SS hình tròn xuất hiện ở bên ngoài do hiệu ứng Bauschinger của biến dạng đàn hồi bắt đầu từ tâm của độ dày thành ống. Theo so sánh giữa ống thép UOE và ống thép liền mạch dùng cho giếng dầu, ứng suất dư của hai loại ống thép có xu hướng bị nén ở bề mặt bên trong, nhưng giá trị ứng suất dư của ống thép UOE nhỏ hơn.
2. Mô phỏng phân tích số
Trong quá trình phân tích số, một mô hình tích hợp đã được sử dụng để đánh giá cường độ nén khi tạo hình của ống thép UOE. Trong mô hình tạo hình (phần tử biến dạng phẳng hai chiều) của ống thép UOE, đường cong SS của tấm được sử dụng, và ứng suất dư được áp dụng cho mô hình nghiền (phần tử rắn ba chiều). Vì khó có thể dự đoán chính xác sự thay đổi của đường cong SS từ tấm sang ống thép chỉ bằng mô phỏng phân tích số, nên một phương pháp bán thực nghiệm (thử nghiệm biến dạng mô phỏng) được sử dụng để dự đoán đường cong SS. Cụ thể, độ trễ biến dạng dẻo tương đương được tính toán được áp dụng cho mẫu thanh tròn lấy từ tấm, và sau đó đường cong SS nén thu được được xác định cho từng vị trí độ dày thành ống.
3. Kết quả và nghiên cứu
3.1. Tính hợp lệ của mô hình nghiền
Độ chính xác dự đoán chủ yếu phụ thuộc vào số lượng tổ hợp phần tử, giá trị gia tăng áp suất và giá trị đánh giá hội tụ của mô hình. Nếu các yếu tố ảnh hưởng này được hiệu chỉnh, sai số dự đoán của mô hình này ước tính khoảng 5%. Bằng cách hiệu chỉnh sai số, độ chính xác dự đoán có thể được cải thiện hơn nữa. Sau khi so sánh giá trị độ biến dạng của mô hình tổng hợp và mô hình xấp xỉ hình elip khi cho cùng một độ tròn, người ta thấy rằng không có sự khác biệt trung bình lớn giữa hai mô hình, do đó có thể thấy rằng độ tròn sẽ phụ thuộc vào đường kính ngoài lớn nhất và đường kính trong nhỏ nhất. Bằng cách làm cho các tham số tương tự như của hình elip, sự phân bố đường kính ngoài của ống thép UOE với sự thay đổi độ cong cục bộ có thể được biểu diễn bằng một mô hình. So sánh giá trị biến dạng nén dự đoán bởi mô hình hình elip với giá trị tính toán của công thức thông thường để dự đoán cường độ nén của ống thép UOE, nhận thấy rằng các giá trị dự đoán của các tỷ lệ D/t (đường kính ngoài/độ dày thành) và độ tròn khác nhau đều giống với các giá trị dự đoán bằng công thức thông thường. Do đó, có thể giả định rằng kết quả tương tự có thể đạt được bằng cách sử dụng mô hình tổng hợp tạo hình-biến dạng nén. Vì vậy, có thể nói rằng mô hình tổng hợp có thể phân tích cơ chế biến dạng nén và có thể được áp dụng để định lượng ảnh hưởng của điều kiện tạo hình đến cường độ nén.
3.2. Cơ chế nghiền ống thép UOE
Nghiên cứu mối quan hệ ứng suất-biến dạng khi mô phỏng hiện tượng trễ biến dạng dẻo tương đương dự đoán trong quá trình sản xuất ống thép UOE bằng cách sử dụng mẫu thanh tròn, và so sánh đường cong ứng suất-biến dạng (SS) dự đoán với đường cong mô phỏng. Kết quả cho thấy đường cong SS dự đoán phù hợp hơn với đường cong SS của ống thép thực tế, ngay cả khi đó là tiết diện có độ dày thành chịu hiện tượng trễ biến dạng khác nhau, giới hạn chảy (YS) của nó cũng giống với giá trị đo được. Sự giảm giới hạn chảy bên ngoài của thành ống trong hiện tượng trễ biến dạng dưới điều kiện tạo hình này chủ yếu là do tải trọng biến dạng kéo trong quá trình dập chữ U. Ngoài ra, hầu như không quan sát thấy sự giảm giới hạn chảy nén do hiệu ứng Borgesine của biến dạng đàn hồi bên trong ống thép. Sử dụng thử nghiệm biến dạng mô phỏng được đề xuất ở trên, cường độ theo hướng chu vi của ống thép thực tế có thể được dự đoán chính xác hơn.
Thời gian đăng bài: 10/08/2023