J55与P110油管钢低温拉伸强度及缩比管模型弹性一致性校核

《Applied Sciences》：Low-Temperature Tensile Strength of J55 and P110 Tubular Steels and an Elastic Consistency Check of a Scaled Tubular Model

　　

本研究报道了J55与P110油管钢在低温条件下的抗拉强度，并评估了现有单管Abaqus/Explicit模型中几何、加载与材料输入的一致性。在?60至20 °C的五个腔室温度下开展了十次拉伸试验，每个钢级–温度条件各一个试样。在至少30 min热调节后，以3 mm/min的横梁速度记录力与引伸计测量值。在20至?60 °C之间，J55屈服强度从403增至436 MPa（8.2%），抗拉强度从609增至718 MPa（17.9%）。P110对应值分别从876增至952 MPa（8.7%）和从984增至1057 MPa（7.4%）。对于文档所述1000 mm模型，120 kN轴向力给出解析名义应力约551 MPa和弹性伸长2.71 mm。该模型包含一套通过处理两种钢实验曲线获得的温度依赖性塑性输入。该组合集不提供J55与P110各自的独立本构描述。其初始塑性应力均高于551 MPa，因此名义计算仅评估弹性一致性。结果记录了实测强度变化及现有模型的范围；钢级特定的塑性变形与断裂预测仍需独立验证。

研究背景方面，极地与冻土地区的油气作业面临低温、海冰及基础设施可达性受限等问题，管柱系统在服役中承受的载荷历史与预应变会影响钢的韧性断裂萌生，而低温还可能改变材料的强度、延性及失效行为，因此表征油管钢在低温条件下的力学响应对评估其极地作业适用性是必要环节。已有研究对多种铁基合金与结构钢的低温响应进行了表征，包括冲击变形与断裂、冲击韧性随微观组织与局部应力状态的变化、临界裂纹尖端张开位移与J积分随温度降低而下降，以及Q460C、Q890、Q960等钢种在低温下屈服强度与抗拉强度的提升；也有研究针对北极服役相关温度测量了普通强度钢与S690钢的应力–应变响应与弹性模量，并对冷成型高强钢空心截面提出了基于Ramberg–Osgood关系的本构描述。然而，对于J55与P110这类油管钢，低温拉伸强度的系统数据仍有限，且现有缩比单管有限元模型中材料输入的来源、组合方式及其适用范围缺乏明确交代，材料模型若要代表特定钢级，其输入值必须可追溯至该钢级的测量与处理过程，仅名义应力或强度上的一致并不足以验证断裂规律。基于此，研究人员开展了J55与P110在?60至20 °C的拉伸试验，并对既有缩比单管模型的几何、加载与材料输入进行弹性一致性解析校核，明确试验数据与模型设置各自的范围。

研究人员开展了十次低温拉伸试验（每个钢级–温度条件一个试样），并对文档所述1000 mm缩比单管模型进行名义应力与弹性伸长的解析计算，得出以下结论：自20冷却至?60 °C使两种试验钢的记录屈服强度与抗拉强度均升高，J55分别由403增至436 MPa（8.2%）和由609增至718 MPa（17.9%），P110分别由876增至952 MPa（8.7%）和由984增至1057 MPa（7.4%），J55抗拉强度的相对变化更大而P110保持更高的绝对强度；对于截面积约217.8 mm²的模型，120 kN力给出名义应力551 MPa与弹性伸长2.71 mm，该应力低于所赋材料卡中627–917 MPa的初始塑性应力，故解析结果仅校核该输入集的弹性一致性，并不验证塑性或损伤，也不能解释为J55在同一名义应力下保持弹性的证据。研究的意义在于将实测强度变化与对现有管模型所代表力学条件的明确校核相结合，指出J55/P110单独测量与由两种钢构建的单一塑性集之间必须加以区分，并通过比较施加名义应力与模型初始塑性应力厘清了计算范围；建立钢级特定本构行为还需对实验曲线处理过程给出可复现的说明。

关键技术方法方面，研究人员依据GB/T 228.3-2019从J55与P110管材线切割并加工板状试样，在250 kN SUNS UTM5000试验机上以3 mm/min横梁速度、于?60、?40、?20、0和20 °C五个腔室设定温度（保温至少30 min）开展拉伸试验，每种钢级–温度条件一个试样，共10次，实时采集力、轴向应变与横梁位移；采用Abaqus/CAE 2022建模并以Abaqus/Explicit分析，模型含80,000个C3D8R单元与120,240个节点，一端ENCASTRE固定、另一端经运动耦合参考点施加线性增至?120 kN的轴向力，启用几何非线性与固定质量缩放，并以五个均匀温度场选择相应塑性输入；此外采用解析计算由管几何、施加力与各向同性弹性常数求名义轴向应力与弹性伸长。试样来源为J55与P110管材产品。

研究结果方面，3.1低温拉伸强度观测：通过五个温度下的拉伸试验记录屈服与抗拉强度，得出两种钢在较低温度下记录强度均较高，J55屈服强度由?60 °C约436 MPa降至20 °C的403 MPa、抗拉强度由718降至609 MPa，P110屈服强度由952降至876 MPa、抗拉强度由1057降至984 MPa，20至?60 °C间J55屈服与抗拉强度分别增加8.2%与17.9%、P110分别增加8.7%与7.4%；这些值为单个试样观测，未量化离散性、置信区间或钢级间统计显著差异，且强度值本身不能确定断裂应变、断裂能或断裂韧性。3.2结构模型的解析校核：通过由模型截面积约217.8 mm²、120,000 N力、E=203,000 MPa与L=1000 mm计算名义应力约551 MPa与弹性伸长约2.71 mm，得出所赋材料卡初始塑性应力（20 °C的627 MPa至?60 °C的917 MPa）均高于该名义应力，故均匀轴向计算处于塑性萌生以下，塑性与损伤条目不影响解析结果，且因几何、载荷与弹性模量不变，名义应力与弹性伸长在五个温度下相同；该结论仅适用于所赋材料卡，不能直接移植到任一试验钢，551 MPa超过J55在20与?60 °C的记录屈服强度403与436 MPa，故本校核不能确立J55管在同一名义应力下的弹性行为，也不能表明Explicit模拟中每个积分点保持弹性，端部约束与瞬态效应需考察有限元场与能量历史。3.3研究局限性：通过分析试验与模型记录得出每个钢级–温度条件仅一个试样、重复性与统计离散性未评估，引伸计测量不能分辨颈缩后局部应变，表5虽源于处理作者拉伸曲线但其逐点构建过程记录不足以独立复现，仍为无钢级特定校准证明的组合模型输入，损伤参数在实验加载速率下缺乏校准，数值评估仅限于解析校核，未提供能量平衡、加载速率、时间步与网格收敛研究。

讨论部分总结指出，表4与表5记录的是所赋模型输入而非独立验证的钢级特定本构与断裂性能，验证塑性与断裂响应需额外的钢级特定测量与校准；表5组合输入须与表6钢级特定测量区分，20 °C时其初始塑性应力为627 MPa而记录屈服强度J55为403 MPa、P110为876 MPa，?60 °C时对应值为917、436与952 MPa，这些差异排除了将表5值认定为两种钢实测屈服强度的可能，组合集保留仅为记录现有模型，不能确立任一钢级的塑性或断裂响应，可复现的材料校准需要原始曲线标识、钢级与温度归属以及实际转换与组合过程，且与构建输入集所用同一数据比较属校准检查而非独立验证。研究结论译为：自20冷却至?60 °C使两种试验钢的记录屈服强度与抗拉强度均升高，J55分别由403增至436 MPa（8.2%）和由609增至718 MPa（17.9%），P110分别由876增至952 MPa（8.7%）和由984增至1057 MPa（7.4%），J55抗拉强度相对变化更大而P110保持更高绝对强度，这些发现描述的是试验试样，量化变异性需重复测量；对于文档所述1000 mm、截面积约217.8 mm²的模型，120 kN力给出551 MPa名义应力与2.71 mm弹性伸长，该应力低于所赋材料卡627–917 MPa的初始塑性应力，故解析结果校核该输入集的弹性一致性，但不验证塑性或损伤，也不能解释为J55在同一名义应力下保持弹性的证据；本研究将实测强度变化与对现有管模型所代表力学条件的明确校核相结合，指出J55/P110单独测量与由两种钢构建的单一塑性集之间必要的区分，通过比较施加名义应力与模型初始塑性应力使计算范围清晰，建立钢级特定本构行为还需对实验曲线处理过程给出可复现说明；就工程评估而言，实测强度提供冷却响应的试样级信息，抗拉强度提高本身并不确立断裂抗力改善，材料选择还应考虑延性、韧性、缺陷与服役载荷，现有组合材料输入不支持J55与P110的结构排序，此类比较需各自独立校准的本构与断裂描述；后续工作应记录各钢级拉伸曲线的完整处理并纳入重复试验、完整力–位移记录与断裂测量，缺口或其他多轴试验可支持相关温度与应变速率下的损伤校准，数值验证应在构件尺度验证前考察能量平衡、加载速率、质量缩放、时间步敏感性与网格依赖性。