最近10年來，為輸送天然氣，開展了在海底鋪設(shè)管道管的深水研究項(xiàng)目。在天然氣的遠(yuǎn)距離輸送中，要求管道在深海下具有抵抗外部水壓的抗壓強(qiáng)度，因此一般使用UOE鋼管。UOE鋼管的制造方法為冷沖壓成形法，鋼管強(qiáng)度各向異性。為預(yù)測UOE鋼管的抗壓強(qiáng)度和弄清鋼管的壓壞機(jī)理，新日鐵進(jìn)行了鋼管成形－性能評價(jià)一體化的數(shù)值解析模擬。數(shù)值解析模擬由鋼管的二維成形模型和反映成形形狀及殘留應(yīng)力的鋼管三維壓壞模型構(gòu)成。通過實(shí)驗(yàn)，對鋼管的壁厚、圓周方向位置中的強(qiáng)度各向異性進(jìn)行了測定，同時(shí)對殘留應(yīng)力進(jìn)行了測定，根據(jù)鋼管的實(shí)際抗壓強(qiáng)度，對數(shù)值解析模型的妥當(dāng)性進(jìn)行了評價(jià)。
    1．UOE鋼管的強(qiáng)度各向異性和殘留應(yīng)力
    眾所周知，影響鋼管抗壓強(qiáng)度的因素有形狀不良(鋼管的正圓度和壁厚不均)、屈服強(qiáng)度(YS)和殘留應(yīng)力。圓周方向的壓縮屈服強(qiáng)度和殘留應(yīng)力有很大的相互關(guān)系。圓棒和圓柱試樣(直徑都是6mm)測定的壁厚斷面的屈服強(qiáng)度分布表明，鋼管外部圓周方向壓縮屈服強(qiáng)度的下降特別明顯。對壁厚位置中的S－S曲線比較表明，從壁厚中心開始出現(xiàn)在外部因彈性變形的鮑辛格效應(yīng)而產(chǎn)生的圓形的S－S曲線。根據(jù)UOE鋼管和油井用無縫鋼管的比較可知，兩種鋼管的殘留應(yīng)力都趨于內(nèi)面壓縮，但UOE鋼管殘留應(yīng)力值小。
    2．?dāng)?shù)值解析模擬
    在數(shù)值解析過程中，使用了綜合模型對UOE鋼管的成形－抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了評估。在UOE鋼管的成形模型(二維平面變形要素)中，使用了板材的S－S曲線，并將殘留應(yīng)力應(yīng)用于壓壞模型(三維固體要素)。由于只進(jìn)行數(shù)值解析模擬難以精確預(yù)測對從板材到鋼管的S－S曲線變化，因此采用半實(shí)驗(yàn)的方法(模擬變形試驗(yàn))預(yù)測S－S曲線。即，把計(jì)算的等效塑性應(yīng)變滯后作用于從板材取樣的圓棒試樣，然后對每個(gè)壁厚位置所得的壓縮S－S曲線進(jìn)行定義。
    3．結(jié)果和研究
    3．1壓壞模型的妥當(dāng)性
    預(yù)測精度受模型的要素組合數(shù)、壓力增量值、收斂判斷值的支配，如果對這些影響因素進(jìn)行校正，估計(jì)本模型的預(yù)測誤差在5％左右，通過校正誤差，可以進(jìn)一步提高預(yù)測精度。
    在對給出相同正圓度時(shí)的綜合模型和橢圓近似模型的壓壞值進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)兩者沒有比較大平均差，由此可知，通過將取決于最大外徑和最小內(nèi)徑的正圓度做成近似于橢圓的參數(shù)，就可以將局部曲率變化的UOE鋼管的外徑分布用模型表示。對用橢圓模型預(yù)測的壓壞值和預(yù)測UOE鋼管抗壓強(qiáng)度的普通公式的計(jì)算值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)不同D／t(外徑／壁厚)和正圓度的預(yù)測值與普通公式預(yù)測值相同，由此推定采用成形－壓壞綜合模型也能獲得相同的結(jié)果。因此，可以說綜合模型能解析壓壞機(jī)理，可以應(yīng)用于成形條件對抗壓強(qiáng)度影響的量化。
    3．2UOE鋼管的壓壞機(jī)理
    調(diào)查了采用圓棒試樣模擬UOE鋼管生產(chǎn)過程中預(yù)測的等效塑性應(yīng)變滯后時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，并對預(yù)測的S－S曲線和模擬曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果可知預(yù)測的S－S曲線與實(shí)際鋼管的S－S曲線較一致，即使是受到不同應(yīng)變滯后作用的壁厚斷面，其YS也與實(shí)測值相同。在此次成形條件下的應(yīng)變滯后中壁厚外部YS的下降受U沖壓時(shí)的拉伸應(yīng)變負(fù)荷所支配。另外，在鋼管內(nèi)側(cè)幾乎看不到因彈性變形的鮑格辛效應(yīng)而產(chǎn)生的壓縮YS下降。采用以上提出的模擬應(yīng)變試驗(yàn)，能更加精確預(yù)測實(shí)際鋼管圓周方向的強(qiáng)度。
    4．結(jié)束語
    根據(jù)UOE鋼管的強(qiáng)度分布、強(qiáng)度各向異性和殘留應(yīng)力實(shí)測值，通過數(shù)值解析，求出了這些因素對鋼管外部壓壞特性的影響。結(jié)果明確了UOE鋼管特有的現(xiàn)象，即由于圓周方向壓縮YS的下降，因此抗壓強(qiáng)度比均質(zhì)材低，壓壞的起點(diǎn)和殘留應(yīng)力的效果與均質(zhì)材不同等。另外，還提出了用板材進(jìn)行鋼管成形時(shí)預(yù)測機(jī)械特性能變化的有效方法