油氣管道在施工和服役過程中由于增壓會引發(fā)局部變形、凹陷等缺陷，從而改變應(yīng)力和應(yīng)變分布特征，影響管道的服役可靠性。
數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital Image Correlation, DIC)技術(shù)是一種非接觸式現(xiàn)代光學(xué)測量實驗技術(shù),由于具有光路簡單、環(huán)境適應(yīng)性好、測量范圍廣以及自動化程度高等諸多優(yōu)點。利用非接觸式XTDIC三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，結(jié)合有限元分析，可分析外部載荷作用下油氣管道隨增壓引發(fā)的局部變形、凹陷深度變化的應(yīng)變場分布特征，通過實物凹陷預(yù)制試驗探明相關(guān)區(qū)域應(yīng)變分布特征，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)變分布規(guī)律，為準(zhǔn)確預(yù)測受力和凹陷過程中的應(yīng)力應(yīng)變演變規(guī)律及機械損傷對油氣管道服役安全影響研究提供理論基礎(chǔ)和試驗依據(jù)。

管道凹陷狀態(tài)下應(yīng)變演變特征測試

管體承受的應(yīng)變并非單一應(yīng)變，有限元模擬可以較好地模擬凹陷參數(shù)對等效塑性應(yīng)變分布等特征的影響，有助于判斷含凹陷管體的危險位置，更好地研究鋼管的失效行為。

基于此，利用有限元分析不同內(nèi)壓及外部載荷作用下含單純凹陷鋼管的等效塑性應(yīng)變分布情況，并采用XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)-數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation method,DIC)是對未變形和變形狀態(tài)下的試件圖像進行計算機處理，獲得全場位移的一種方法，實時采集管道鋼管凹陷區(qū)，通過驗證模型結(jié)果，分析單純凹陷下鋼管的等效塑性應(yīng)變分布規(guī)律，探討管線鋼應(yīng)變硬化規(guī)律。 

預(yù)制管道凹陷模型圖

采用 XTDIC 三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，對鋼管內(nèi)表面凹陷區(qū)域應(yīng)變場進行實時測量，得到不同凹陷深度下管體的應(yīng)變云圖。

工作內(nèi)壓條件下管道凹陷深度對應(yīng)變的分布影響

6 MPa工作內(nèi)壓下不同管道凹陷深度下的應(yīng)變云圖

6 MPa工作內(nèi)壓下不同管道凹陷深度下應(yīng)變分布曲線圖

內(nèi)壓對凹陷狀態(tài)應(yīng)變分布的影響

無內(nèi)壓下不同管道凹陷深度下模擬應(yīng)變結(jié)果圖

不同管道凹陷深度有無內(nèi)壓情況下的應(yīng)變分布曲線圖

凹陷過程中的應(yīng)變硬化分析

為了研究管道凹陷過程中的實時應(yīng)變變化，采用 XTDIC 三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)對管道凹陷過程中的應(yīng)變進行采集，研究發(fā)現(xiàn)凹陷深度為 1%OD 時，最大應(yīng)變出現(xiàn)在凹陷中心，隨著凹陷深度增加，凹陷區(qū)的最大應(yīng)變出現(xiàn)在凹陷的邊緣，其結(jié)果與模擬結(jié)果相同。

不同管道凹陷深度的應(yīng)變云圖

無內(nèi)壓模擬和實測在不同管道凹陷深度下應(yīng)變分布曲線圖

凹陷狀態(tài)下管線鋼的應(yīng)變硬化示意圖

外腐蝕復(fù)合凹陷狀態(tài)下管線鋼應(yīng)變分析

油氣輸送管道由于受輸送介質(zhì)和土壤中酸性物質(zhì)以及微生物的影響，管道內(nèi)壁和外壁會產(chǎn)生腐蝕，使管壁整體或局部變薄，削弱管道的承壓能力。一旦凹陷發(fā)生在體積缺陷處，形成腐蝕與凹陷疊加的復(fù)合缺陷，將大大增加管道的失效概率。

通過在管線鋼管的管體預(yù)制缺陷，采用XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，測量含外腐蝕及凹陷的復(fù)合缺陷的管線鋼管的應(yīng)變場分布規(guī)律，旨在為管道的安全評估提供相應(yīng)的參考，從而指導(dǎo)管道的安全運行及維護。

凹陷區(qū)實時應(yīng)變測量結(jié)果

從下圖可以看出，應(yīng)變量增幅與凹陷深度的增大呈線性相關(guān)，但腐蝕凹陷應(yīng)變量 的增幅小于單純凹陷；當(dāng)凹陷深度≥5%時，隨凹陷深度繼續(xù)增大，腐蝕凹陷的應(yīng)變增幅急速上升。由 此可見，當(dāng)凹陷深度≥5%時，腐蝕缺陷可使管體的應(yīng)力集中急劇增大。

凹陷深度與應(yīng)變的關(guān)系

含焊縫區(qū)管線鋼應(yīng)變響應(yīng)特征分析

分析預(yù)變形（1%、3%和5%）對含焊縫區(qū)域管線鋼應(yīng)變響應(yīng)特征和力學(xué)性能變化規(guī)律，采用 XTDIC 系統(tǒng)測量拉伸過程中管線鋼母材區(qū)域和焊縫區(qū)域應(yīng)變的實時響應(yīng)情況，以此來模擬管線鋼在服役環(huán)境中受到塑性變形形成的微應(yīng)變，以及這種微應(yīng)變在焊縫區(qū)域形成的應(yīng)變硬化對管材整體性的影響規(guī)律，以期為高通量管線鋼增壓過程的安全評價提供依據(jù)。

預(yù)應(yīng)變過程中焊縫和母材區(qū)域的協(xié)同應(yīng)變分析

金屬材料在變形過程中會產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即阻止繼續(xù)塑性變形的能力。下圖為含焊縫區(qū)域的管線鋼在拉應(yīng)力下的應(yīng)變云圖，可以將含焊縫區(qū)域的管線鋼的在拉應(yīng)力作用下的應(yīng)變過程劃分為典型的 4 個階段，即均勻變形階段、焊縫區(qū)域變形階段、母材頸縮區(qū)域變形階段和斷裂階段。

含焊縫區(qū)域的管線鋼 DIC 應(yīng)變云圖

金屬材料在應(yīng)力—應(yīng)變曲線均勻塑性變形階段（第Ⅰ和Ⅱ階段）產(chǎn)生的應(yīng)變， 可以對材料形成有效的應(yīng)變硬化。

不同預(yù)變形量下各區(qū)域硬化程度圖

預(yù)應(yīng)變對拉伸性能的影響

經(jīng)歷預(yù)變形材料的屈服強度和抗拉強度均得到提高，屈強比增大，而延性（總延伸率或最大載荷或失效點的應(yīng)變）降低。

不同預(yù)變形量下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

未發(fā)生預(yù)變形時，管線鋼具有較高的應(yīng)變硬化指數(shù)、斷裂強度和斷裂延性，發(fā)生塑性變形時，焊縫區(qū)域會阻止塑性變形繼續(xù)發(fā)展，并將變形推移到別的未變形部位。

XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)基于數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）原理，是一種光學(xué)非接觸式變形測量系統(tǒng)，適用于天然氣管道在載荷條件下的應(yīng)力應(yīng)變特征分析，驗證在施工和服役過程中由于增壓引發(fā)的局部變形、凹陷等缺陷的有限元模擬情況，為在高通量條件下的天然氣管道安全評價提供理論基礎(chǔ)和實驗數(shù)據(jù)依據(jù)。