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ABAQUS在高应变输送钢管变形性能指标分

析中的应用

陈宏远1,2,3,吉玲康1,2,3,王海涛1,2,黄呈帅1,2

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安陕西710065；

2.中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室,西安陕西710065；

3.西安交通大学材料科学与工程学院，西安,陕西710049）

摘要：中国石油集团石油管工程技术研究院在基于应变设计管道用高强度管线钢材料的试验和研

究具有多年的经验。基于应变设计地区用的高应变输送钢管性能指标的分析包括屈服强度、抗拉

强度、冲击韧性等传统力学性能，和钢管变形容量相关的应力比、均匀延伸率，以及抗应变时效

的性能等指标。除此之外，管体变形的全尺寸试验和数值仿真计算也是至关重要的研究内容。本

文介绍了以大量进行精确建模的数值仿真计算代替全尺寸钢管变形试验的方法对基于应变设计

地区使用的钢管进行评价的方法，其研究结果最终支持了产品技术条件的起草和发布。

关键词：基于应变设计；管线；高应变管线钢管；初始几何缺陷；数值仿真

1引言

基于应变设计是一种新的管线设计方法，它是指在油气管线承受一定的塑性应变之后，仍然

能维持正常服役状态和完整性。一般将设计应变大于0.5%的条件视为塑性应变【1】。基于应变

设计的研究一般包括两个方面，应变需求（又称许用应变）和应变容量（又称应变极限）。前者

是指管线在铺设和服役过程中预期达到的极限状态所对应的最大应变，后者是指管线或管线钢管

最大可以达到的最大应变。一般管线基于应变设计中包括两种极限状态：拉伸断裂和压缩屈曲。

拉伸断裂的产生一般是因为超过最大能够承受的压力，或者超过最大拉伸应变极限，因此它非常

危险。而压缩屈曲不会引起材料的直接失效，但是如果屈曲变形比较严重，以至于部分材料产生

断裂，那就会产生同样严重的后果。虽然轻微的屈曲不影响管线的正常服役，但是局部屈曲一般

还是被当做一种常见的失效形式。

本文对不同厂家使用热机械轧制方法（TMCP）生产的L485级别高应变直缝埋弧焊管

（SAWL）的应变容量进行了研究。钢管的规格为Φ1016mm×21mm。研究的对象包括了与应变

容量相关的几个问题：初始几何缺陷，材料性能，应变时效等等。首先对考虑了初始几何缺陷的

钢管整管变形有限元分析结果和不考虑几何缺陷的钢管有限元模型分析结果进行了对比，从而论

证了钢管的初始几何缺陷对其弹塑性屈曲应变极限的影响。其次，对多个厂家试制的高应变钢管

进行了拉伸应变性能的试验。试验结果获得的数据，被用来进行有限元分析。研究结果表明，具

有不同拉伸应变性能的钢管，他们对应着不同的屈曲应变容量。最后通过对不同拉伸性能的管线

钢管进行变形过程的有限元分析，得到了不同性能指标和钢管变形容量之间的对应关系，最终确

定了高应变管线钢管的性能指标。

2弯曲变形过程的分析

2.1管体外形的精确测量

初始几何缺陷对于钢管的屈曲响应有非常重要的影响【2】。不考虑初始几何缺陷的钢管变

形有限元模型会严重高估压缩应变极限。本文对初始几何缺陷的表达包括壁厚变化，钢管外表面

的波动。试图通过对这些因素的表达来进行压缩应变极限的精确测量。使用三维激光跟踪仪对钢

管表面超过1440个点进行定位，如图1~图3所示。使用激光跟踪仪，对钢管外表面轴向每隔

50mm，环向每隔30°进行一个数据点的采集，同时对这些点对应的壁厚使用超声测厚仪进行测

量。这样就可以通过外表面数据和对应的壁厚数据，获得内表面的坐标数据。内、外表面的数据

分别由240条B样条曲线进行表达，如图6所示。而图7则显示了理想钢管和考虑初始几何缺

陷的钢管分别进行弯曲变形的载荷-行程曲线对比。

图1.激光跟踪仪的测量现场

图2.超声测厚仪的测量现场

图3.初始几何缺陷的测量点云数据

图4.外表面的测量数据