CN103760018A - 钢管临界屈曲应变的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢管临界屈曲应变的测量方法，属于钢管性能检测技术领域，包括以下步骤：S1，在钢管管体上取纵向试样，通过拉伸试验获得应力—应变曲线，在所述应力—应变曲线上取应变5.0%对应的应力定义为Rt5.0、取应变1.0%对应的应力定义为Rt1.0，Rt5.0/Rt1.0定义为应力比；S2，按照以下公式计算钢管的临界屈曲应变：εcrit=7.051515×Rt5.0/Rt1.0-6.079985。本发明通过通过控制管线钢管的拉伸性能，快速确定钢管在弯曲变形模式下的临界屈曲应变。通过临界屈曲水平上的小试样拉伸曲线应力比，可以通过常规的生产控制试验来确定钢管应变水平，从而改进工艺，生产出满足临界屈曲应变水平要求的钢管。
Description
技术领域
本发明涉及钢管性能检测技术领域，特别涉及一种钢管临界屈曲应变的测量方法。
背景技术
随着石油和天然气跨地域输送技术的发展，野外油气管线的铺设也越来越广泛，油气管线的安全性能也日益受到重视。通常情况下，油气管线失效是由于载荷控制的失效，采用的是基于应力极限的设计准则，但是对于在地震、泥石流、滑坡等地质灾害多发区、冻土带及海底等恶劣环境下铺设的管线，其所受载荷大小无法控制，而变形也只有在位移达到了一定程度后才会停止，此时载荷是受位移或应变控制的。在这种情况下单纯采用应力极限准则进行设计已无法保证管线的安全，必须采用应变极限准则，即管线的设计应变必须小于管线的许用应变。管线的许用应变一方面与管线钢管的几何因素有关，如管体的外径与壁厚的比值、位移的作用范围等，另一方面，与管体材料性能的关系也是不容忽视的，如管线钢的屈强比、延伸率、应变强化指数等。工程上一般采用管线钢管的临界屈曲应变作为其许用应变，例如可规定为钢管屈曲时、两倍外径长度上的平均应变为其许用应变。
对于确定规格（管径、壁厚、钢级）的钢管，其受到弯曲载荷作用时，临界屈曲应变的大小，完全取决于钢管材料的力学性能，包括弹性模量，屈服强度，以及形变强化性能。因此开发用于恶劣环境地区使用的高应变能力管线钢管就具有重要的工程意义。
目前，衡量钢管产品的弯曲变形能力，最常规的方法就是通过进行全尺寸实管弯曲试验得到其临界屈曲应变，或在试验的基础上进行精确的有限元计算，得到其临界屈曲应变。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：全尺寸实管弯曲试验的成本很高，不能用于生产控制试验，而有限元计算的高度复杂也使其无法用于生产控制。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种钢管临界屈曲应变的测量方法。所述技术方案如下：
提供了一种钢管临界屈曲应变的测量方法，所述方法适用于1016㎜×21㎜的钢管，所述方法包括：
S1，在钢管管体上取纵向试样，通过拉伸试验获得应力—应变曲线，所述拉伸试验的方法是：在试样的两端分别连接上着力臂，将其中一端的着力臂固定连接于实验定点位置，在另一端的着力臂上施加水平强制位移；在所述应力—应变曲线上取应变5.0%对应的应力定义为Rt5.0、取应变1.0%对应的应力定义为Rt1.0，Rt5.0/Rt1.0定义为应力比；
S2，按照以下公式计算钢管的临界屈曲应变：
εcrit=7.051515×Rt5.0/Rt1.0-6.079985 （1）。
进一步地，步骤S1中所述应力—应变曲线的获取步骤是：
S11，通过拉伸试验机对试样进行拉伸试验，记录每一次拉伸试验的应力—应变数据；
S12，建立xoy坐标系，x轴定义为应变，y轴定义为应力，将步骤S11中记录的应力—应变数据在xoy坐标系中一一标记；
S13，拟合步骤S12中在xoy坐标系中标记的各应力—应变点，即构成所述应力—应变曲线。
进一步地，步骤S1中所取的试样规格为：标距内宽度38.1mm，标距长度50.8mm±0.1mm。
进一步地，步骤S1中所取试样所采用钢管是X70钢管，所述X70钢管的规格是：外径1016mm、壁厚21mm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明的测量方法可以通过控制管线钢管的拉伸性能，快速确定钢管在弯曲变形模式下的临界屈曲应变。通过临界屈曲水平上的小试样拉伸曲线应力比，可以通过常规的生产控制试验来确定钢管应变水平，从而改进工艺，生产出满足临界屈曲应变水平要求的钢管。
本发明的测量方法经过对一些具有不同纵向拉伸性能的钢管临界屈曲应变有限元计算，并对这些钢管的不同纵向拉伸应力比Rt2.0/Rt1.0、Rt1.5/Rt0.5、Rt5.0/Rt1.0等与临界屈曲应变的关系进行分析，结果表明应力比Rt5.0/Rt1.0可以与临界屈曲应变呈线性关系。这样，在生产中如果期望生产出临界屈曲应变达到1.5%的Ф1016mm×21.0mm规格钢管，则根据上述结论，就必须控制钢管产品纵向拉伸性能的应力比Rt5.0/Rt1.0，使其高于约1.0749，则该型钢管产品的临界屈曲应变可以达到约1.5%的水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的管体纵向拉伸试样示意图；
图2是本发明实施例提供的临界屈曲应变与应力比Rt5.0/Rt1.0的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本实施例提供了一种钢管临界屈曲应变的测量方法，本方法是通过确定外径为1016mm、壁厚为21mm规格管线钢管的纵向拉伸力学性能，快速确定该钢管屈曲应变能力的。参考图1和图2，该测量方法包括如下的步骤：
S1，在钢管管体上取纵向试样，通过拉伸试验获得应力—应变曲线，该拉伸试验的方法是：在试样的两端分别连接上着力臂，将其中一端的着力臂固定连接于实验定点位置，在另一端的着力臂上施加水平强制位移；在所述应力—应变曲线上取应变5.0%对应的应力定义为Rt5.0、取应变1.0%对应的应力定义为Rt1.0，Rt5.0/Rt1.0定义为应力比。其中，所取试样规格为：标距内宽度38.1mm、标距长度50.8mm±0.1mm。所取试样所采用钢管是X70钢管，该X70钢管的规格是：外径1016mm、壁厚21mm。应力比是拉伸试验的工程应力-工程应变曲线上，对应不同应变时的应力的比值，它可以反映拉伸试验过程中，材料在某一阶段应力随着应变的增大而上升的趋势。所以它表达了材料变形时的强化能力。可以定义材料在不同变形阶段的应力比，所以应力比能够更有针对性的体现材料在某一特定变形水平时的强化能力。5.0%和1.0%应变下的应力比值，代表了该规格钢管在弯曲载荷下，开始变形到发生屈曲，管体上主要变形部分的应变强化幅度。
优选地，步骤S1中应力—应变曲线的获取步骤是：
S11，通过拉伸试验机对试样进行拉伸试验，记录每一次拉伸试验的应力—应变数据。
S12，建立xoy坐标系，x轴定义为应变，y轴定义为应力，将步骤S11中记录的应力—应变数据在xoy坐标系中一一标记。
S13，拟合步骤S12中在xoy坐标系中标记的各应力—应变点，即构成应力—应变曲线。
S2，按照以下公式计算钢管的临界屈曲应变：
εcrit=7.051515×Rt5.0/Rt1.0-6.079985 （1）。
其中，εcrit为钢管在弯曲变形模式下发生屈曲时，弯曲的内侧管体上，以发生屈曲处为中心，向两边延伸两倍钢管外径长度上的平均应变。
管线钢管弯曲的变形有限元分析可以很好的被全尺寸实物试验所验证，而使用经过验证的有限元模型，可以有效的对相关钢管的变形行为进行研究。通过对生产出的各种应力比水平的钢管进行分析计算，最终获得了上述的关系表达式。最终通过简单地小试样力学性能试验结果，预测钢管产品的变形能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种钢管临界屈曲应变的测量方法，其特征在于，所述方法适用于1016㎜×21㎜的钢管，包括以下步骤：
S1，在钢管管体上取纵向试样，通过拉伸试验获得应力—应变曲线，所述拉伸试验的方法是：在试样的两端分别连接上着力臂，将其中一端的着力臂固定连接于实验定点位置，在另一端的着力臂上施加水平强制位移；在所述应力—应变曲线上取应变5.0%对应的应力定义为Rt5.0、取应变1.0%对应的应力定义为Rt1.0，Rt5.0/Rt1.0定义为应力比；
S2，按照以下公式计算钢管的临界屈曲应变：
εcrit=7.051515×Rt5.0/Rt1.0-6.079985 （1）。
2.根据权利要求1所述的钢管临界屈曲应变的测量方法，其特征在于，步骤S1中所述应力—应变曲线的获取步骤是：
S11，通过拉伸试验机对试样进行拉伸试验，记录每一次拉伸试验的应力—应变数据；
S12，建立xoy坐标系，x轴定义为应变，y轴定义为应力，将步骤S11中记录的应力—应变数据在xoy坐标系中一一标记；
S13，拟合步骤S12中在xoy坐标系中标记的各应力—应变点，即构成所述应力—应变曲线。
3.根据权利要求2所述的钢管临界屈曲应变的测量方法，其特征在于，步骤S1中所取的试样规格为：标距内宽度38.1mm，标距长度50.8mm±0.1mm。
4.根据权利要求3所述的钢管临界屈曲应变的测量方法，其特征在于，步骤S1中所取试样所采用钢管是X70钢管，所述X70钢管的规格是：外径1016mm、壁厚21mm。
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