Numerical simulation of JCO-E line pipe manufacturing and its influence on the mechanical behavior and strength of offsore pipelines

Abstract

Οι αγωγοί με σχετικά μεγάλη διάμετρο χρησιμοποιούνται ευρέως σε υποθαλάσσιες εφαρμογές μεγάλου βάθους. Στις συνθήκες αυτές, η πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς και της αντοχής σε εξωτερική πίεση των επιμέρους σωλήνων, που αποτελούν τα μέρη ενός αγωγού αποτελεί σημαντική παράμετρο για τη βελτιστοποίηση της κατασκευής τους. Η μέθοδος κατασκευής σωλήνα JCO-E είναι αποτελεσματική ως προς το απαιτούμενο φορτίο κατεργασίας [1]. Η πρώτη ύλη από την οποία παράγεται ο σωλήνας JCO-E έχει τη μορφή χαλύβδινης πλάκας (χαλύβδινο φύλλο). Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην αριθμητική προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής σωλήνα με τη μέθοδο JCO-E, λαμβάνοντας υπόψη τις παραμέτρους της γραμμής παραγωγής. Η αριθμητική προσομοίωση πιστοποιείται συγκρίνοντας αριθμητικά αποτελέσματα με μετρήσεις που προέρχονται από τη γραμμή παραγωγής. Μετά την ολοκλήρωση της προσομοίωσης JCO-E, προβλέπεται η επίδραση της κατεργασίας στην αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση.Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής σωλήνα με τη μέθοδο JCO-E, χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Με την προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων υπολογίζονται οι τάσεις και οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια των σταδίων κατασκευής, τα οποία αποτελούνται από τη διαμόρφωση των άκρων της πλάκας (edge crimping), τη διαμόρφωση JCO (JCO forming), τη συγκόλληση ευθείας ραφής των άκρων (LSAW welding) και τη διαμόρφωση διαστολής (expansion (E) operation). Επιπρόσθετα, δοκίμια εξάγονται από την πρώτη ύλη και υποβάλλονται σε μονοτονική και κυκλική φόρτιση, με σκοπό το χαρακτηρισμό του υλικού. Οι πειραματικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση του καταστατικού μοντέλου της προσομοίωσης. Η ελαστο-πλαστική συμπεριφορά της πλάκας κατά τη διαμόρφωσή της μοντελοποιείται με ένα καταστατικό μοντέλο μικτής κράτυνσης, με το οποίο μπορεί να ληφθεί υπόψη η πιθανή ανισοτροπία της πλάκας. Μετά το πέρας της προσομοίωσης της διαδικασίας κατασκευής, οι ιδιότητες του υλικού που προκύπτουν από την αριθμητική ανάλυση συγκρίνονται με αντίστοιχες ιδιότητες μετρούμενες από δοκίμια που εξάγονται από το σωλήνα, για λόγους πιστοποίησης του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Στο επόμενο στάδιο της προσομοίωσης, η δομική συμπεριφορά και η αντοχή του σωλήνα υπό την επίδραση εξωτερικής πίεσης προσδιορίζεται συναρτήσει διαφόρων αλλαγών στις παραμέτρους της γραμμής παραγωγής.Σύμφωνα με τις παραμέτρους παραγωγής της Σωληνουργεία Κορίνθου Α.Ε., η παραπάνω αριθμητική ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία εφαρμόζεται για να προσομοιωθεί η διαδικασία JCO-E, ενός «σχετικά λεπτότοιχου» σωλήνα με διάμετρο 26 ίντσες και ποιότητα χάλυβα X65 και ενός σωλήνα X60 με «παχύ τοίχωμα» και διάμετρο 30 ιντσών, οι οποίοι προορίζονται για υποθαλάσσιες εφαρμογές. Ο πρώτος σωλήνας αφορά σε υποθαλάσσιες εφαρμογές σε σχετικά βαθειά νερά, ενώ ο δεύτερος σωλήνας προορίζεται για χρήση σε βάθη που ενδεχομένως ξεπερνούν τα 2000 μέτρα. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του υλικού του σωλήνα που προβλέπονται από τις αναλύσεις τίθενται σε αντιπαραβολή με τη γεωμετρία και τις ιδιότητες του υλικού του πραγματικού σωλήνα, για λόγους πιστοποίησης των αναλύσεων. Η παρούσα μέθοδος αριθμητικής προσομοίωσης δίνει τη δυνατότητα πρόβλεψης της αντοχής του σωλήνα σε εξωτερική πίεση, πραγματοποιώντας μεταβολές στις παραμέτρους παραγωγής. Συγκεκριμένα, οι κύριες μεταβολές που εξετάζονται είναι το μέγεθος της επιβαλλόμενης διαστολής (expansion level) και η μετατόπιση της πρέσας κατά τη διαμόρφωση JCO. Στην πρώτη εφαρμογή της αριθμητικής ανάλυσης (σχετικά λεπτότοιχος σωλήνας), προέκυψε ότι οι παραμένουσες τάσεις που αναπτύσσονται κατά τη συγκόλληση μειώνονται αρκετά και η επίδρασή τους στην αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση είναι μικρή. Ως εκ τούτου, η συγκόλληση στη δεύτερη αριθμητική ανάλυση προσομοιώνεται ως μια «απλή» ένωση των άκρων της πλάκας, που δεν επιτρέπει την μεταξύ τους ολίσθηση και λαμβάνει χώρα μετά τη διαμόρφωση JCO. Και στις δύο περιπτώσεις, τα βασικά αποτελέσματα είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα. Καθώς αυξάνεται το μέγεθος της επιβαλλόμενης διαστολής μειώνεται η οβαλότητα και οι παραμένουσες τάσεις του σωλήνα. Παράλληλα, αυξάνεται η αντοχή του σε εξωτερική πίεση μέχρι ένα συγκεκριμένο επίπεδο διαστολής. Αυτό αναφέρεται ως βέλτιστο επίπεδο διαστολής (optimum level of expansion) και αντιστοιχεί στη μέγιστη αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση. Επιβάλλοντας διαστολή μεγαλύτερη του βέλτιστου μεγέθους, η αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση μειώνεται, λόγω μείωσης της αντοχής του υλικού σε θλίψη, που προκαλείται από το φαινόμενο Bauschinger (Bauschinger effect).Στο τελευταίο μέρος της διατριβής, αναπτύσσεται μια ημι-αναλυτική μεθοδολογία που απλουστεύει την προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων, της διαδικασίας διαμόρφωσης σωλήνα με τη μέθοδο JCO-E, με βάση την κινηματική της πλάκας και του προαναφερθέντος καταστατικού μοντέλου. Η παρούσα απλοποιημένη μέθοδος στοχεύει στην κατανόηση της διαδικασίας διαμόρφωσης και στην πρόβλεψη της γεωμετρίας, των παραμενουσών τάσεων και των μηχανικών ιδιοτήτων του σωλήνα JCO-E, όπως επίσης και της αντοχής του σε εξωτερική πίεση, απλούστερα και με χαμηλότερο υπολογιστικό κόστος σε σχέση με τη μέθοδο προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία.