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目。在天然氣的遠距離輸送中，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，鋼管強度各向異性。為預(yù)測UOE鋼管的抗壓強度和弄清鋼管的壓壞機理，新日鐵進行了鋼管成形－性能評價一體化的數(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。通過實驗，對鋼管的壁厚、圓周方向位置中的強度各向異性進行了測定，同時對殘留應(yīng)力進行了測定，根據(jù)鋼管的實際抗壓強度，對數(shù)值解析模型的妥當性進行了評價。
    1．UOE鋼管的強度各向異性和殘留應(yīng)力
    眾所周知，影響鋼管抗壓強度的因素有形狀不良(鋼管的正圓度和壁厚不均)、屈服強度(YS)和殘留應(yīng)力。圓周方向的壓縮屈服強度和殘留應(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度分布表明，鋼管外部圓周方向壓縮屈服強度的下降特別明顯。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．數(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－抗壓強度進行了評估。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，因此采用半實驗的方法(模擬變形試驗)預(yù)測S－S曲線。即，把計算的等效塑性應(yīng)變滯后作用于從板材取樣的圓棒試樣，然后對每個壁厚位置所得的壓縮S－S曲線進行定義。
    3．結(jié)果和研究
    3．1壓壞模型的妥當性
    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行校正，估計本模型的預(yù)測誤差在5％左右，通過校正誤差，可以進一步提高預(yù)測精度。
    在對給出相同正圓度時的綜合模型和橢圓近似模型的壓壞值進行比較后發(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鋼管抗壓強度的普通公式的計算值進行了比較，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理，可以應(yīng)用于成形條件對抗壓強度影響的量化。
    3．2UOE鋼管的壓壞機理
    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曲線和模擬曲線進行了比較，結(jié)果可知預(yù)測的S－S曲線與實際鋼管的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沖壓時的拉伸應(yīng)變負荷所支配。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，能更加精確預(yù)測實際鋼管圓周方向的強度。
    4．結(jié)束語
    根據(jù)UOE鋼管的強度分布、強度各向異性和殘留應(yīng)力實測值，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，因此抗壓強度比均質(zhì)材低，壓壞的起點和殘留應(yīng)力的效果與均質(zhì)材不同等。另外，還提出了用板材進行鋼管成形時預(yù)測機械特性能變化的有效方法