Numerical simulation of JCO-E line pipe manufacturing and its influence on the mechanical behavior and strength of offsore pipelines

Abstract

Large-diameter pipelines are increasingly used in deep-water offshore applications. In this context, reliable predictions of the mechanical properties and the collapse pressure of the line pipe product constitute important challenges towards optimization of line pipe fabrication process. The JCO-E line pipe fabrication process, from a flat plate to a circular pipe, is a cost effective method regarding the required forming force tooling [1]. The present study focuses on the numerical modelling of JCO-E process, using information from the fabrication process directly from the pipe mill. The validity of the proposed numerical model is verified by comparing numerical results with actual measurements from JCO-E pipes. Following the modelling of manufacturing process, the collapse performance of as-fabricated JCO-E line pipe is investigated.In the first part of the PhD thesis, the finite element simulation of JCO-E line pipe fabrication process is presented using a numerical model, developed for the purposes of the present study. The deformation and stresses induced by manufacturing process, namely the edge crimping, the JCO forming, the LSAW welding, and the expansion (E) operation are calculated utilizing finite element simulation tools. In addition to numerical modelling, strip specimens are extracted from the steel plate (raw material) and subjected to monotonic and cyclic uniaxial loading to measure the material properties. Using stress-strain curves obtained from the experiments, an efficient constitutive model is calibrated and incorporated in the finite element model, as a material user subroutine. The elastic-plastic behavior of the steel plate is described by a (combined) kinematic/isotropic hardening plasticity model, which can also takes into account the anisotropy of plate. Once the numerical analysis of JCO-E process is completed, the predicted material properties of JCO-E pipe are compared with experimental results from strip specimens extracted from the final line pipe aimed at validation of the numerical model. Following the simulation of the fabrication process, and using the same finite element model, the analysis is continued, so that the mechanical response of JCO-E pipe under external pressure is obtained, and its collapse pressure is calculated for different values of the manufacturing parameters.Considering the parameters provided by Corinth Pipeworks S.A., the above methodology is applied on the JCO-E process of (a) a 26-inch-diameter X65 “relatively thin-walled” line pipe and (b) a 30-inch-diameter X60 “thick-walled” line pipe, which are candidates for offshore pipeline applications. The first pipe is used in moderately deep water applications, whereas the latter pipe is candidate for deep-water applications that may exceed 2,000 meters of water depth. Using the finite element model, comparisons of numerical results with geometric characteristics of the pipe, provided by the pipe mill, and material properties of the “actual” pipe are presented, in order to validate the model. The simulation of JCO-E process enables the prediction of ultimate external pressure capacity of the corresponding as-fabricated JCO-E pipe taking into account different values of the manufacturing parameters. In particular, the expansion level and the displacement size of the JCO press are the main parameters under consideration. In the first application of finite element analysis (relatively thin-walled pipe), it was found that the residual stresses induced by welding stage are eliminated after the expansion process, and have minor effect on collapse pressure. Hence, in the second application of finite element analysis, the welding process is modeled through a “simple” no-slip condition activated, after JCO steps, and upon contact of the plate edges. A main conclusion of the above finite element analyzes is that the expansion process reduces ovalization and residual stresses in the pipe. Furthermore, there is an optimum level of expansion corresponding to maximum collapse pressure; beyond that level, the collapse pressure is reduced primarily because of the degradation of circumferential compressive strength, due to Bauschinger effect.The last part of the PhD thesis presents the development of a simplified semi-analytical methodology of JCO-E forming process, based on plate kinematics and the constitutive model adopted above. This numerical modelling is aimed at better understanding of the forming process and offers a simple and efficient prediction of geometry, residual stresses, mechanical properties, and collapse pressure of JCO-E pipe with respect to the corresponding predictions obtained from finite element modelling.

Οι αγωγοί με σχετικά μεγάλη διάμετρο χρησιμοποιούνται ευρέως σε υποθαλάσσιες εφαρμογές μεγάλου βάθους. Στις συνθήκες αυτές, η πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς και της αντοχής σε εξωτερική πίεση των επιμέρους σωλήνων, που αποτελούν τα μέρη ενός αγωγού αποτελεί σημαντική παράμετρο για τη βελτιστοποίηση της κατασκευής τους. Η μέθοδος κατασκευής σωλήνα JCO-E είναι αποτελεσματική ως προς το απαιτούμενο φορτίο κατεργασίας [1]. Η πρώτη ύλη από την οποία παράγεται ο σωλήνας JCO-E έχει τη μορφή χαλύβδινης πλάκας (χαλύβδινο φύλλο). Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην αριθμητική προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής σωλήνα με τη μέθοδο JCO-E, λαμβάνοντας υπόψη τις παραμέτρους της γραμμής παραγωγής. Η αριθμητική προσομοίωση πιστοποιείται συγκρίνοντας αριθμητικά αποτελέσματα με μετρήσεις που προέρχονται από τη γραμμή παραγωγής. Μετά την ολοκλήρωση της προσομοίωσης JCO-E, προβλέπεται η επίδραση της κατεργασίας στην αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση.Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής σωλήνα με τη μέθοδο JCO-E, χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Με την προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων υπολογίζονται οι τάσεις και οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια των σταδίων κατασκευής, τα οποία αποτελούνται από τη διαμόρφωση των άκρων της πλάκας (edge crimping), τη διαμόρφωση JCO (JCO forming), τη συγκόλληση ευθείας ραφής των άκρων (LSAW welding) και τη διαμόρφωση διαστολής (expansion (E) operation). Επιπρόσθετα, δοκίμια εξάγονται από την πρώτη ύλη και υποβάλλονται σε μονοτονική και κυκλική φόρτιση, με σκοπό το χαρακτηρισμό του υλικού. Οι πειραματικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση του καταστατικού μοντέλου της προσομοίωσης. Η ελαστο-πλαστική συμπεριφορά της πλάκας κατά τη διαμόρφωσή της μοντελοποιείται με ένα καταστατικό μοντέλο μικτής κράτυνσης, με το οποίο μπορεί να ληφθεί υπόψη η πιθανή ανισοτροπία της πλάκας. Μετά το πέρας της προσομοίωσης της διαδικασίας κατασκευής, οι ιδιότητες του υλικού που προκύπτουν από την αριθμητική ανάλυση συγκρίνονται με αντίστοιχες ιδιότητες μετρούμενες από δοκίμια που εξάγονται από το σωλήνα, για λόγους πιστοποίησης του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Στο επόμενο στάδιο της προσομοίωσης, η δομική συμπεριφορά και η αντοχή του σωλήνα υπό την επίδραση εξωτερικής πίεσης προσδιορίζεται συναρτήσει διαφόρων αλλαγών στις παραμέτρους της γραμμής παραγωγής.Σύμφωνα με τις παραμέτρους παραγωγής της Σωληνουργεία Κορίνθου Α.Ε., η παραπάνω αριθμητική ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία εφαρμόζεται για να προσομοιωθεί η διαδικασία JCO-E, ενός «σχετικά λεπτότοιχου» σωλήνα με διάμετρο 26 ίντσες και ποιότητα χάλυβα X65 και ενός σωλήνα X60 με «παχύ τοίχωμα» και διάμετρο 30 ιντσών, οι οποίοι προορίζονται για υποθαλάσσιες εφαρμογές. Ο πρώτος σωλήνας αφορά σε υποθαλάσσιες εφαρμογές σε σχετικά βαθειά νερά, ενώ ο δεύτερος σωλήνας προορίζεται για χρήση σε βάθη που ενδεχομένως ξεπερνούν τα 2000 μέτρα. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του υλικού του σωλήνα που προβλέπονται από τις αναλύσεις τίθενται σε αντιπαραβολή με τη γεωμετρία και τις ιδιότητες του υλικού του πραγματικού σωλήνα, για λόγους πιστοποίησης των αναλύσεων. Η παρούσα μέθοδος αριθμητικής προσομοίωσης δίνει τη δυνατότητα πρόβλεψης της αντοχής του σωλήνα σε εξωτερική πίεση, πραγματοποιώντας μεταβολές στις παραμέτρους παραγωγής. Συγκεκριμένα, οι κύριες μεταβολές που εξετάζονται είναι το μέγεθος της επιβαλλόμενης διαστολής (expansion level) και η μετατόπιση της πρέσας κατά τη διαμόρφωση JCO. Στην πρώτη εφαρμογή της αριθμητικής ανάλυσης (σχετικά λεπτότοιχος σωλήνας), προέκυψε ότι οι παραμένουσες τάσεις που αναπτύσσονται κατά τη συγκόλληση μειώνονται αρκετά και η επίδρασή τους στην αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση είναι μικρή. Ως εκ τούτου, η συγκόλληση στη δεύτερη αριθμητική ανάλυση προσομοιώνεται ως μια «απλή» ένωση των άκρων της πλάκας, που δεν επιτρέπει την μεταξύ τους ολίσθηση και λαμβάνει χώρα μετά τη διαμόρφωση JCO. Και στις δύο περιπτώσεις, τα βασικά αποτελέσματα είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα. Καθώς αυξάνεται το μέγεθος της επιβαλλόμενης διαστολής μειώνεται η οβαλότητα και οι παραμένουσες τάσεις του σωλήνα. Παράλληλα, αυξάνεται η αντοχή του σε εξωτερική πίεση μέχρι ένα συγκεκριμένο επίπεδο διαστολής. Αυτό αναφέρεται ως βέλτιστο επίπεδο διαστολής (optimum level of expansion) και αντιστοιχεί στη μέγιστη αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση. Επιβάλλοντας διαστολή μεγαλύτερη του βέλτιστου μεγέθους, η αντοχή του σωλήνα σε εξωτερική πίεση μειώνεται, λόγω μείωσης της αντοχής του υλικού σε θλίψη, που προκαλείται από το φαινόμενο Bauschinger (Bauschinger effect).Στο τελευταίο μέρος της διατριβής, αναπτύσσεται μια ημι-αναλυτική μεθοδολογία που απλουστεύει την προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων, της διαδικασίας διαμόρφωσης σωλήνα με τη μέθοδο JCO-E, με βάση την κινηματική της πλάκας και του προαναφερθέντος καταστατικού μοντέλου. Η παρούσα απλοποιημένη μέθοδος στοχεύει στην κατανόηση της διαδικασίας διαμόρφωσης και στην πρόβλεψη της γεωμετρίας, των παραμενουσών τάσεων και των μηχανικών ιδιοτήτων του σωλήνα JCO-E, όπως επίσης και της αντοχής του σε εξωτερική πίεση, απλούστερα και με χαμηλότερο υπολογιστικό κόστος σε σχέση με τη μέθοδο προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία.