Materials for oil and gas application are often subjected to a series of thermo-mechanical loadings with maximum values near material yield strength. Drill pipes, tubing, connections and rods for the oil and gas industry belong to this category. These components are subjected to high cyclic stresses and strains which cause plastic deformation in each load cycle and may result in a low number of cycles to failure. The American Petroleum Institute (API) is the trade association which establishes the standards for the manufacturing and testing of these products. Testing these parts is often expensive and understanding the material behavior regarding the accumulation of plastic strain is important. High values of stresses and low number of cycles up to failure are common factor of low-cycle fatigue (LCF) which is one of the dominant failure modes in high temperature structural component. Extensive research on the behavior of various metals under LCF condition has been carried out in last years. This work is based on a research activity proposed by Tenaris Spa to Politecnico di Milano. In this activity experimental and numerical analysis have been carried out on P110 steel in LCF regime. This material is widespread used for the fabrication of pipes and tubing connections in the oil and gas industry. Experimental tests in very low-cycle fatigue condition have been carried out both in uniaxial and multiaxial conditions. Uniaxial tests results have been elaborated to identify material parameter to set-up the cyclic elastoplastic Chaboche model. This latter has been implemented in Abaqus commercial software and multiaxial tests have been simulated and compared with experimental results.
I materiali per applicazioni nel settore petrolifero sono spesso soggetti a sequenze di carichi termici e meccanici con valori massimi tali da generare sforzi vicino al valore di snervamento del materiale. Tubi, giunzioni e barre per l'industria petrolifera appartengono a questa categoria di materiali. Questi componenti sono soggetti a alti valori ciclici di sforzi e deformazioni che causano deformazioni plastiche in ogni ciclo di carico e conseguente basso numero di cicli per raggiungere il cedimento. L'American Petroleum Institute (API) è l'ente che si occupa di stabilire normative per la produzione e test di questi componenti. Esperimenti su questi componenti sono, in genere, economicamente dispendiosi e capire il comportamento del materiale soggetto a deformazione plastica ciclica è di notevole importanza. Alti valori di sforzi e basso numero di cicli di vita sono fattori comuni della fatica a basso numero di cicli (low cycle fatigue, LCF), una delle modalità di cedimento dominanti in componenti strutturali impiegati ad alta temperatura. Negli ultimi anni sono state effettuate molte ricerche riguardo il comportamento dei materiali soggetti a fatica a basso numero di cicli. Questa tesi è basata su un'attività di ricerca proposta da Tenaris S.P.A. al Politecnico di MIlano. All'interno di questa attività sono state svolte analisi sperimentali e numeriche su acciaio P110 sottoposto a fatica a basso numero di cicli. Questo materiale è largamente utilizzato per la fabbricazione di tubi e barre per l'industria petrolifera. I test sono stati svolti in condizione monoassiale e multiassiale. Il risultato dei test monoassiali è stato utilizzato per calibrare i parametri di un modello plastico ciclico di Chaboche. Quest'ultimo è stato implementato nel software commerciale Abaqus dove i test multiassiali sono stati simulati con l'aiuto dell'analisi con elementi finiti. I risultati dell'analisi numerica sono stati confrontati con i risultati ottenuti sperimentalmente.
Experimental and numerical analysis of the cyclic plastic behavior of a steel for oil and gas application in multiaxial condition
BAGNOLO, UMBERTO
2017/2018
Abstract
Materials for oil and gas application are often subjected to a series of thermo-mechanical loadings with maximum values near material yield strength. Drill pipes, tubing, connections and rods for the oil and gas industry belong to this category. These components are subjected to high cyclic stresses and strains which cause plastic deformation in each load cycle and may result in a low number of cycles to failure. The American Petroleum Institute (API) is the trade association which establishes the standards for the manufacturing and testing of these products. Testing these parts is often expensive and understanding the material behavior regarding the accumulation of plastic strain is important. High values of stresses and low number of cycles up to failure are common factor of low-cycle fatigue (LCF) which is one of the dominant failure modes in high temperature structural component. Extensive research on the behavior of various metals under LCF condition has been carried out in last years. This work is based on a research activity proposed by Tenaris Spa to Politecnico di Milano. In this activity experimental and numerical analysis have been carried out on P110 steel in LCF regime. This material is widespread used for the fabrication of pipes and tubing connections in the oil and gas industry. Experimental tests in very low-cycle fatigue condition have been carried out both in uniaxial and multiaxial conditions. Uniaxial tests results have been elaborated to identify material parameter to set-up the cyclic elastoplastic Chaboche model. This latter has been implemented in Abaqus commercial software and multiaxial tests have been simulated and compared with experimental results.| File | Dimensione | Formato | |
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