双金属衬里复合管内衬弹塑性失稳有限元分析_谷天平.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:谷天平,练章华,王 斌,等.双金属衬里复合管内衬弹塑性失稳有限元分析 J.塑性工程学报,2023,30(2):177-184.GU Tianping,LIAN Zhanghua,WANG Bin,et al.Finite element analysis of elastic-plastic instability of liner for bimetallic lined composite pipe J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):177-184.基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51974271);中石油 CPECC 项目(CPECC2019KJ13)第一作者:谷天平(通信作者),男,1994 年生,博士研究生,主要从事双金属衬里复合管失效机理与控制研究,E-mail: 收稿日期:2022-03-17;修订日期:2022-12-13双金属衬里复合管内衬弹塑性失稳有限元分析谷天平1,练章华1,王 斌2,史君林1,陈俊文3(1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川 成都 610500;2.西安向阳航天材料股份有限公司,陕西 西安 710025;3.中国石油工程建设有限公司西南分公司,四川 成都 610041)摘 要:采用数值模拟的方法建立了含初始缺陷的受限衬管失稳力学模型,重点研究了受限衬管的临界失稳载荷和后屈曲构型之间的相互作用行为,并讨论了临界失稳载荷的缺陷敏感性,最后通过试验验证了仿真结果的计算精度。结果表明,相对于衬管半径 1%幅度的内衬不圆度缺陷会使内衬的临界失稳载荷下降约 65%;在相同的初始椭圆度缺陷 0前提下,随着内衬径厚比的增大,其临界失稳载荷不断减小;复合管内衬临界失稳载荷的有限元计算结果与试验结果的相对误差为 1.82%。建立的平面应变有限元力学模型不仅可以准确求解出受限内衬的临界失稳载荷,还能够大量节约试验成本。关键词:双金属衬里复合管;内衬失稳;临界失稳载荷;有限元中图分类号:TE973 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0177-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.021Finite element analysis of elastic-plastic instability of liner for bimetallic lined composite pipeGU Tian-ping1,LIAN Zhang-hua1,WANG Bin2,SHI Jun-lin1,CHEN Jun-wen3(1.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Xian Sunward Aeromat Co.,Ltd.,Xian 710025,China;3.China Petroleum Engineering&Construction Corporation Southwest Company,Chengdu 610041,China)Abstract:The instability mechanical model of confined liner pipe with initial defects was established by means of numerical simulation,the interaction behavior between critical instability load and post-buckling configuration of confined liner pipe was studied emphatically,and the defect sensitivity of critical instability load was discussed.Finally,the calculation accuracy of the simulation results was verified by tests.The results show that the non-roundness defect of liner with the amplitude of 1%relative to the liner pipe radius can reduce the critical instability load of liner by about 65%;with the premise of the same initial ellipticity defect 0,with the increase of the diameter-thickness ratio of liner,its critical instability load decreases constantly;the relative error of critical instability load of composite pipe liner between the finite element calculation results and the test results is 1.82%.The established plane strain finite element mechanical model not only can solve the critical instability load of the confined liner,but also save a large number of test cost.Key words:bimetallic lined composite pipe;liner instability;critical instability load;finite element 引言双金属衬里复合管由主要起承载作用的基管和起防腐作用的不锈钢衬管通过机械工艺制造而成1-4。因其兼顾了管线建设的经济性和耐腐蚀性,近年来被广泛应用于高腐蚀性环境油气集输系统中5-6。然而,双金属衬里复合管在实际应用过程中遇到了很多问题,最为严重的就是内衬的失稳问题,即衬管的鼓包和坍塌现象7。国内外用于酸性油气田集输系统中的双金属复合管均出现过内衬鼓包坍塌问题的报道8-9。我国西部某油田集输系统双金属复合管内衬鼓包形貌如图 1 所示,其失稳形貌特征为典型的“单耳坠”型失稳。图 1 某油田集输系统中双金属衬里复合管内衬鼓包形貌Fig.1 Morphology of liner collapse for bimetallic lined composite pipe in oilfield gathering system内衬发生鼓包失稳变形后会影响管线的运载能力和管内检测设备的通过性能,同时也对衬管材料的疲劳性能和应力腐蚀开裂性能提出了考验10。这使得油气田集输系统对双金属衬里复合管的安全可靠性提出了质疑。因此,研究双金属复合管的内衬失稳机理,提出科学合理的防止内衬失稳措施对复合管线的安全稳定服役至关重要。双金属复合管的内衬失稳属于典型的限制失稳问题。限制失稳是指构件失稳时其屈曲变形不能自由发展而受到某种限制性约束的失稳,有时又称单向失稳、接触失稳、约束失稳11。限制失稳涉及接触问题、单向屈曲、非保守问题等而显得十分复杂,一直没有得到很好的解决。工程结构中圆管限制失稳问题十分普遍,如用于管道修复的柔性衬里、隧道建设中的衬砌结构和油气井中的套管等受限的圆管(圆拱)结构12-16。双金属衬里复合管的内衬稳定性研究就是在圆管结构限制失稳问题的研究基础上发展而来。在衬里复合管线运行阶段,管内流体在腐蚀和应力腐蚀等因素作用下形成的泄漏通道会进入基衬之间的环形间隙,使得环形间隙内存在一定体积和压力的流体,管线在压力波动或停输检修操作时导致的管内压力变化,当衬管外壁的流体净压力大小超过临界值时,内衬就会出现坍塌。魏帆等7通过试验确定了结合强度和运行温度对衬管临界失稳载荷的影响,并提出了从控制成形质量角度来防止内衬屈曲的建议。YUAN L 等17使用增量理论和有限元方法研究了双金属复合管成形阶段的力学响应,从优化制管参数的角度提出了增大基衬管之间的结合强度可以提高衬管的稳定性(即止屈能力)。练章华等18设计了塌陷内衬的管道修复机器人结构,并使用有限元方法确定了不同塌陷位移所需的修复载荷。GU T P 等19建立了在役双金属复合管道系统轴向受力模型,并使用有限元方法分析了温压耦合作用下受限衬管的轴向稳定性。以往的研究成果对于认识复杂载荷作用下内衬的失稳行为起到了积极的作用。然而,这些研究主要集中于得到了受限内衬的临界失稳载荷,对于内衬的后屈曲行为却鲜见公开的文献报道,特别是屈曲变形后的构型与外载荷之间的相互关系还不明确,该过程中内衬的屈曲响应问题亟待解决。因此,本文采用数值模拟的方法建立了含初始缺陷的受限衬管失稳力学模型,重点研究了其临界失稳载荷和后屈曲构型之间的相互作用行为,并讨论临界失稳载荷的缺陷敏感性,最后通过试验验证验证仿真结果的计算精度,为双金属复合管的内衬止屈设计提供理论依据。1 内衬弹塑性失稳有限元模型建立1.1 材料本构以国内某厂家生产的 168.3 mm(14.2+2)mm X60-825 双金属复合管为研究对象,其中基管材质为 X60,衬管材质为 825 镍基合金,通过在 MTS 单轴拉伸试验机上测量获得基管和衬管材料的应力-应变曲线,如图 2 所示。图 2 X60-825 双金属衬里复合管基衬材料的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of matrix and liner materials of X60-825 bimetallic lined composite pipe衬管在鼓包与塌陷过程中会经历较大的应变水871塑性工程学报第 30 卷平,其材料屈服后的强化行为对后屈曲行为影响较大,不能仅由一个材料的屈服强度值来定义20。为此,采用 Ramberg-Osgood(R-O)本构模型对基衬材料的应力-应变关系进行拟合,其中 R-O 本构模型表达式为:=E1+37ReLn-1()(1)式中:为应变;为应力;ReL为材料的屈服强度;n 为材料应变硬化指数;E 为弹性模量。拟合后得到两种材料的参数,如表 1 所示。表 1 X60-825 双金属衬里复合管材料力学性能参数Tab.1 Material mechanical property parameters of X60-825 bimetallic lined composite pipe名称弹性模量/GPa屈服强度/MPa应变硬化指数 n泊松比 基管20743510.00.30衬管1972758.60.271.2 边界条件与有限元力学模型根据双金属复合管的结构和载荷特点,假定载荷和变形沿圆管轴向不发生变化,从而考虑将复合管的内衬稳定性问题简化为平面应变力学问题,从受限圆管屈曲形状的对称性出发,建立双金属复合管的 1/2 平面应变有限元力学模型。为了避免因模型网格疏密原因造成计算误差,在保证求解精度与效率兼顾的前提下,对复合管模型进行了网格无关性试算,获得了最优的网格密度为:基衬环向的单元数量相同,都是均布 180 个单元,基管径向均布 14 个单元,衬管径向均布 4 个单元。模型共计 3240 个单元。基衬均采用 CPE4R 四节点平面应变单元建模。复合管有限元力学模型边界条件与网格划分如图 3 所示。图 3 复合管有限