DIC数字图像相关法用于油气管道载荷下应力应变演变特征分析

油气管道在施工和服役过程中由于增压会引发局部变形、凹陷等缺陷，从而改变应力和应变分布特征，影响管道的服役可靠性。

利用非接触式XTDIC三维全场应变测量系统，结合有限元分析，可分析外部载荷作用下油气管道随增压引发的局部变形、凹陷深度变化的应变场分布特征，通过实物凹陷预制试验探明相关区域应变分布特征，发现其应变分布规律，为准确预测受力和凹陷过程中的应力应变演变规律及机械损伤对油气管道服役安全影响研究提供理论基础和试验依据。

管道凹陷状态下应变演变特征测试

管体承受的应变并非单一应变，有限元模拟可以较好地模拟凹陷参数对等效塑性应变分布等特征的影响，有助于判断含凹陷管体的危险位置，更好地研究钢管的失效行为。

基于此，利用有限元分析不同内压及外部载荷作用下含单纯凹陷钢管的等效塑性应变分布情况，并采用XTDIC三维全场应变测量系统实时采集管道钢管凹陷区，通过验证模型结果，分析单纯凹陷下钢管的等效塑性应变分布规律，探讨管线钢应变硬化规律。

预制管道凹陷模型图

采用 XTDIC 三维全场应变测量系统，对钢管内表面凹陷区域应变场进行实时测量，得到不同凹陷深度下管体的应变云图。

工作内压条件下管道凹陷深度对应变的分布影响

6 MPa工作内压下不同管道凹陷深度下的应变云图

6 MPa工作内压下不同管道凹陷深度下应变分布曲线图

内压对凹陷状态应变分布的影响

无内压下不同管道凹陷深度下模拟应变结果图

不同管道凹陷深度有无内压情况下的应变分布曲线图

凹陷过程中的应变硬化分析

为了研究管道凹陷过程中的实时应变变化，采用 XTDIC 三维全场应变测量系统对管道凹陷过程中的应变进行采集，研究发现凹陷深度为 1%OD 时，最大应变出现在凹陷中心，随着凹陷深度增加，凹陷区的最大应变出现在凹陷的边缘，其结果与模拟结果相同。

不同管道凹陷深度的应变云图

无内压模拟和实测在不同管道凹陷深度下应变分布曲线图

凹陷状态下管线钢的应变硬化示意图

外腐蚀复合凹陷状态下管线钢应变分析

油气输送管道由于受输送介质和土壤中酸性物质以及微生物的影响，管道内壁和外壁会产生腐蚀，使管壁整体或局部变薄，削弱管道的承压能力。一旦凹陷发生在体积缺陷处，形成腐蚀与凹陷叠加的复合缺陷，将大大增加管道的失效概率。

通过在管线钢管的管体预制缺陷，采用XTDIC三维全场应变测量系统，测量含外腐蚀及凹陷的复合缺陷的管线钢管的应变场分布规律，旨在为管道的安全评估提供相应的参考，从而指导管道的安全运行及维护。

凹陷区实时应变测量结果

从下图可以看出，应变量增幅与凹陷深度的增大呈线性相关，但腐蚀凹陷应变量 的增幅小于单纯凹陷；当凹陷深度≥5%时，随凹陷深度继续增大，腐蚀凹陷的应变增幅急速上升。由 此可见，当凹陷深度≥5%时，腐蚀缺陷可使管体的应力集中急剧增大。

凹陷深度与应变的关系

含焊缝区管线钢应变响应特征分析

分析预变形（1%、3%和5%）对含焊缝区域管线钢应变响应特征和力学性能变化规律，采用 XTDIC 系统测量拉伸过程中管线钢母材区域和焊缝区域应变的实时响应情况，以此来模拟管线钢在服役环境中受到塑性变形形成的微应变，以及这种微应变在焊缝区域形成的应变硬化对管材整体性的影响规律，以期为高通量管线钢增压过程的安全评价提供依据。

预应变过程中焊缝和母材区域的协同应变分析

金属材料在变形过程中会产生应变硬化现象，即阻止继续塑性变形的能力。下图为含焊缝区域的管线钢在拉应力下的应变云图，可以将含焊缝区域的管线钢的在拉应力作用下的应变过程划分为典型的 4 个阶段，即均匀变形阶段、焊缝区域变形阶段、母材颈缩区域变形阶段和断裂阶段。

含焊缝区域的管线钢 DIC 应变云图

金属材料在应力—应变曲线均匀塑性变形阶段（第Ⅰ和Ⅱ阶段）产生的应变， 可以对材料形成有效的应变硬化。

不同预变形量下各区域硬化程度图

预应变对拉伸性能的影响

经历预变形材料的屈服强度和抗拉强度均得到提高，屈强比增大，而延性（总延伸率或最大载荷或失效点的应变）降低。

不同预变形量下的应力—应变曲线图

未发生预变形时，管线钢具有较高的应变硬化指数、断裂强度和断裂延性，发生塑性变形时，焊缝区域会阻止塑性变形继续发展，并将变形推移到别的未变形部位。

XTDIC三维全场应变测量系统基于数字图像相关法（DIC）原理，是一种光学非接触式变形测量系统，适用于天然气管道在载荷条件下的应力应变特征分析，验证在施工和服役过程中由于增压引发的局部变形、凹陷等缺陷的有限元模拟情况，为在高通量条件下的天然气管道安全评价提供理论基础和实验数据依据。

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