钢管折叠缺陷案例分析

王 鹏，杨佐英, 冯 春，王新虎，韩礼红

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.长庆油田分公司工程技术管理部 陕西 西安 710018 )



·失效分析与预防·

钢管折叠缺陷案例分析

王 鹏1，杨佐英2, 冯 春1，王新虎1，韩礼红1

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.长庆油田分公司工程技术管理部 陕西 西安 710018 )

折叠是一种常见的钢管热加工缺陷。基于两个典型的折叠缺陷钢管失效分析案例，简明介绍了其共有的失效特征，通过对折叠缺陷部位承压爆裂过程的数值模拟分析阐述了其对钢管服役性能的影响。

钢管; 折叠; 失效分析; 数值模拟

0 引 言

钢管是石油天然气行业中大量使用的重要部件，管材性能的好坏直接决定了其服役的安全可靠性。折叠是一种常见的钢管热加工缺陷，严重影响钢管产品质量。作者通过两个钢管折叠典型案例分析，总结其共有的失效特征，并运用扩展有限元法(XFEM)[1,2]对径向深度2 mm折叠的Φ60 mm×7 mm无缝钢管爆裂实例进行了数值模拟分析，阐述了折叠对钢管服役性能的影响。

1 外壁折叠案例分析

某Φ88.9 mm×6.45 mm 110 Ksi钢级油管外表面修磨处发现线性缺欠，该缺欠基本位于修磨区域中央，为平行于管体轴向的细线状，目测连续长度约20 mm并具有一定的深度，形貌如图1(a)所示。按照API Spec 5CT标准L2检验等级的超声波检测发现该部位存在回波显示，经磁粉检测其存在线性缺欠磁痕显示，缺欠轴向长度约18 mm，如图1(b)所示。

图1 油管外壁折叠宏观形貌

对缺欠及附近的微观形貌、金相组织及能谱分析显示(如图2)：缺欠裂纹特征明显，起始于管体外表面，具有多个分支，裂纹内填充灰色物质，裂纹周边组织脱碳明显，裂纹最大深度为0.305 mm(名义壁厚的4.7%)，裂纹内部灰色填充物富含氧元素，判断其主要为金属氧化物。根据以上各种特征判断为轧制折叠类缺欠，其裂纹附近脱碳严重，裂纹尖端不是非常尖锐，推测缺欠形成于轧制管坯，轧制过程进一步破坏了该区域组织连续性，接近5%名义壁厚的裂纹深度势必造成油管承载能力大幅降低。

图2 油管外壁缺欠微观形貌、金相组织及能谱分析

2 内壁折叠爆裂案例分析

某石油公司的管线压力试验中内压加至约35 MPa时，Ф60 mm×7 mm 20 G锅炉钢管发生爆裂，爆裂宏观形貌如图3所示。参考API TR 5C3标准中有关钢管在内压作用下的屈服强度计算公式，按照GB 5310标准规定材料屈服强度下限245 MPa，估算管体可承受内压为50.02 MPa，爆裂试验内压远低于此数值。

经过理化检验和分析发现在管体开裂断口面处存在纵向带状脱碳区域，如图4(a)所示，其长度至少大于66 mm、径向深度约为2 mm，该脱碳区域位于断口靠近管体内壁的带状台阶状区域外侧，如图4(b)所示，由这些特征判断管体存在纵向呈细线状分布的内表面折叠缺陷，爆裂即在此位置[3]。热轧无缝钢管的内折缺陷一直是影响钢管一次合格率和成材率指标的主要原因之一，主要在穿孔过程中产生，其产生的主要原因与连铸管坯质量有关，也与穿孔工艺制度合理与否有关[4]。该折叠缺陷不仅大大降低了管体的有效承载壁厚，同时缺陷尖端又会造成此处的应力集中。

图3 爆裂的无缝钢管

图4 爆裂断口分析

3 内壁折叠爆裂数值模拟

金属材料断裂是一种复杂的强不连续力学问题，其复杂性由几何界面处的位移不连续性和端部的奇异性引起物体内部物理界面的脱粘或起裂。于1999年由以美国西北大学Belytschko教授为代表的研究组首先提出的扩展有限元法(XFEM)继承了CFEM的框架，划分网格时不需要考虑结构内部的几何或物理界面，克服了裂纹尖端等高应力和应变集中等问题所带来的计算困难。

借助ABAQUS/Standard商用有限元软件平台，基于XFEM对无缝钢管在内压作用下的整个爆裂过程进行模拟分析。通过设置损伤起始和扩展的判据等相关参数实现裂纹扩展计算，模拟裂纹起始时，选取最大主应力损伤准则作为判据，即

(1)

模拟裂纹扩展时，选取基于能量的混合型幂指数损伤演化法则作为判据，即

(2)

式中，GI、GII和GIII分别表示I、II和III型能量释放率；GIC、GIIC和GIIIC分别表示I、II和III型临界能量释放率。

建立平面应变计算模型，在管体内壁上构造深2 mm的原始缺陷，管体施加内压为：从0 MPa增至35 MPa，材料参数选取试验检测值[3]。采用四节点四边形单元，单元数为1875，节点数为2020，其中对裂纹区域的网格进行了加密以保证计算精度。

图5为数值模拟得到的有缺陷无缝钢管在施加35 MPa内压作用下的裂纹起裂和扩展过程以及材料内部的等效应力分布演变。可以看出，在内压的作用下，管体内应力分布极不均匀，在原始缺陷尖端有明显的应力集中。当管体内压从0 MPa加至约7 MPa时，承受较大应力的缺陷尖端就逐步产生了细微的起始裂纹，随后裂纹尖端应力加剧集中，裂纹附近的材料受到周向拉应力和剪应力的综合作用，裂纹逐步扩展延伸，管体截面不断削弱，内压升至约35 MPa最终导致管体完全断裂。折叠爆裂处未见塑性变形，低应力脆断特征明显。

图5 裂纹起裂及扩展过程等效应力分布

4 结 论

本文基于钢管折叠分析案例介绍了该类缺陷典型特征，并运用XFEM模拟技术对折叠缺陷无缝钢管纵向爆裂实例进行了有限元分析，为相关工程技术人员提供借鉴参考。

[1] Moes N, Dolbow J, Belytschko T. A finite element method for

crack growth without remeshing [J]. International journal for numerical methods in engineering, 1999, 46: 131-150.

[2] 李录贤，王铁军. 扩展有限元法(XFEM)及其应用[J].力学进展，2005，35(1): 5-20.

[3] 王 鹏，李方坡，路彩虹，等. 高压锅炉无缝钢管爆裂原因分析[J].理化检验-物理分册，2011，47(6): 375-378.

[4] 周晓锋. 热轧无缝钢管内折缺陷分析[J]. 钢管, 2009, 38(10): 48-51.

Cases Analysis of Steel Pipe with Folding Defect

WANG Peng1, YANG Zuoyin2，FENG Chun1, WANG Xinhu1, HAN Lihong1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China；2.PetroChinaChangqingOilField,Xi′an,Shaanxi710018,China)

The folding is a common hot-working defect for steel pipe. Based on two typical cases analysis of steel pipe with folding, the common failure characters were introduced. Through numerical simulation analysis of the busting process of steel pipe with folding under internal pressure, its influence on the working performance is described.

steel pipe; folding; failure analysis; numerical simulation

王 鹏，男，1980年生，高级工程师，2009年毕业于上海交通大学材料加工工程专业，获博士学位，主要从事石油管失效分析与安全评价技术研究。E-mail: wangpeng008@cnpc.com.cn

TH142

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2096-0077(2016)05-0036-02

2016-07-05 编辑：葛明君)