Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes
Gas pipes are submitted to three major types of damage: damages induced by impact of foreign objects, pits and craters produced by corrosion, weld defects produced during manufacturing. Damages induced by impact of foreign objects are considered as the most important problem for the gas pipes reliab...
Saved in:
| Date: | 2006 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2006
|
| Series: | Проблемы прочности |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47798 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes / R. Adib, C. Schmitt, G. Pluvinage // Проблемы прочности. — 2006. — № 4. — С. 109-117. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-47798 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-477982013-08-01T14:52:48Z Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes Adib, R. Schmitt, C. Pluvinage, G. Научно-технический раздел Gas pipes are submitted to three major types of damage: damages induced by impact of foreign objects, pits and craters produced by corrosion, weld defects produced during manufacturing. Damages induced by impact of foreign objects are considered as the most important problem for the gas pipes reliability and lead to dents, gouges or notches at the pipe failure. Geometrical effect of gauges or notches on brittle or elastoplastic failure of pipes submitted to internal pressure can be treated by the volumetric method. The volumetric method has been applied to a gas pipe submitted to internal pressure and exhibiting a longitudinal external and surface notch. We introduced a special procedure (SINTAP), which allows one to compute the safety factor value. Відомо три основні типи пошкодження труб газопроводів. Найбільш небезпечними з точки зору надійності газових трубопроводів є пошкодження внаслідок дії сторонніх предметів. Запропоновано об’ємний метод, який дозволяє враховувати вплив геометричного ефекту появи вибоїн та концентраторів напружень у трубах на характеристики крихкого або пружно-пластичного руйнування труб, що зазнають дії внутрішнього тиску. Розглянуто використання об’ємного методу за наявності зовнішнього поздовжнього поверхневого концентратора напружень у газовій трубі. Описано спеціальну методику SINTAP, за допомогою якої можна знайти коефіцієнт запасу міцності. Известны три основных типа повреждения труб газопроводов. Наибольшую опасность с точки зрения надежности газовых трубопроводов представляют повреждения, вызванные воздействием инородных предметов. Предложен объемный метод, который позволяет учитывать влияние геометрического эффекта появления выбоин и концентраторов напряжений в трубах на характеристики хрупкого или упругопластического разрушения труб, подвергнутых внутреннему давлению. Рассмотрено применение объемного метода при наличии внешнего продольного поверхностного концентратора напряжения в газовой трубе. Описана специальная методика SINTAP, с помощью которой можно вычислить значение коэффициента запаса прочности. 2006 Article Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes / R. Adib, C. Schmitt, G. Pluvinage // Проблемы прочности. — 2006. — № 4. — С. 109-117. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47798 539.4 en Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
English |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Adib, R. Schmitt, C. Pluvinage, G. Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes Проблемы прочности |
| description |
Gas pipes are submitted to three major types of damage: damages induced by impact of foreign objects, pits and craters produced by corrosion, weld defects produced during manufacturing. Damages induced by impact of foreign objects are considered as the most important problem for the gas pipes reliability and lead to dents, gouges or notches at the pipe failure. Geometrical effect of gauges or notches on brittle or elastoplastic failure of pipes submitted to internal pressure can be treated by the volumetric method. The volumetric method has been applied to a gas pipe submitted to internal pressure and exhibiting a longitudinal external and surface notch. We introduced a special procedure (SINTAP), which allows one to compute the safety factor value. |
| format |
Article |
| author |
Adib, R. Schmitt, C. Pluvinage, G. |
| author_facet |
Adib, R. Schmitt, C. Pluvinage, G. |
| author_sort |
Adib, R. |
| title |
Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes |
| title_short |
Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes |
| title_full |
Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes |
| title_fullStr |
Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes |
| title_full_unstemmed |
Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes |
| title_sort |
application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47798 |
| citation_txt |
Application of volumetric method to the assessment of damage induced by action of foreign object on gas pipes / R. Adib, C. Schmitt, G. Pluvinage // Проблемы прочности. — 2006. — № 4. — С. 109-117. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT adibr applicationofvolumetricmethodtotheassessmentofdamageinducedbyactionofforeignobjectongaspipes AT schmittc applicationofvolumetricmethodtotheassessmentofdamageinducedbyactionofforeignobjectongaspipes AT pluvinageg applicationofvolumetricmethodtotheassessmentofdamageinducedbyactionofforeignobjectongaspipes |
| first_indexed |
2025-07-04T07:50:09Z |
| last_indexed |
2025-07-04T07:50:09Z |
| _version_ |
1836701884899917824 |
| fulltext |
UDC 539.4
Application of Volumetric Method to the Assessment of Damage
Induced by Action of Foreign Object on Gas Pipes
R. Adib, C. Schmitt, and G. Pluvinage
Laboratoire de Fiabilité Mécanique, Université de Metz-ENIM, Metz, France
УДК 539.4
Применение метода объемных измерений для оценки повреждений,
вызванных воздействием инородных тел на газовые трубы
Р. Адиб, С. Шмитт, Г. Плювинаж
Лаборатория механической надежности, Университет г. Метц, Франция
Известны три основных типа повреждения труб газопроводов. Наибольшую опасность с
точки зрения надежности газовых трубопроводов представляют повреждения, вызванные
воздействием инородных предметов. Предложен объемный метод, который позволяет
учитывать влияние геометрического эффекта появления выбоин и концентраторов напря
жений в трубах на характеристики хрупкого или упругопластического разрушения труб,
подвергнутых внутреннему давлению. Рассмотрено применение объемного метода при
наличии внешнего продольного поверхностного концентратора напряжения в газовой трубе.
Описана специальная методика SINTAP, с помощью которой можно вычислить значение
коэффициента запаса прочности.
К лю ч е вы е с ло в а : трубопровод, разрушение, надрез, объемный метод, опре
деление диаграмм поврежденности, запас прочности.
Introduction. Pipelines have been employed as one of the most practical and
low price method for large oil and gas transport since 1950. The pipe line
installations for oil and gas transmission are drastically increased in last three
decades. Consequently, the pipeline failure problems have been increasingly
occurred. The economical and environmental and eventually in human life
considerations involve the current issue as structural integrity and safety affair.
The explosive characteristics of gas provide high wakefulness about the structural
integrity. Therefore, the reliable structural integrity and safety of oil and gas
pipelines under various service conditions including presence of defects should be
warily evaluated. The external defects, e.g., corrosion defects, gouge, foreign
object scratches, and pipeline erection activities are major failure reasons of gas
pipelines. A typical example of a corrosion defect is given in Fig. 1. According to
numerous design codes, this kind of defects is considered as a semi elliptical
crack-like surface defect of aspect ratio a/c. This aspect ratio varies in range
[0.1-1] depending on corrosion rate anisotropy. Another example of dents
produce by impact of foreign object (IFO) is presented in Fig. 2.
Dents or gouges are considered as one the major reasons causing pipeline
defects. These defects contain complex geometries and they are mostly assumed
as semi-elliptical crack shape in some well-known codes.
© R. ADIB, C. SCHMITT, G. PLUVINAGE, 2006
ISSN 0556-I7IX . Проблемы прочности, 2006, N 4 109
R. Adib, C. Schmitt, and G. Pluvinage
Fig. 1. Example of corrosion defect on pipe. Fig. 2. Example of dents on pipe.
S e v e r a l t y p e s o f p i p e s f a i l u r e s c a n b e d i s t i n g u i s h e d a s l o n g i t u d i n a l ,
c i r c u m f e r e n t i a l o r h e l i c o i d a l l y f a i l u r e s . T h e s e t y p e s d e p e n d m a i n l y o n p i p e
d i a m e t e r . F o r s m a l l d i a m e t e r p i p e s , w h e r e b e n d i n g s t r e s s e s a r e p r e d o m i n a n t ,
c i r c u m f e r e n t i a l f a i l u r e o c c u r s . F o r l a r g e d i a m e t e r , h o o p s t r e s s e s a r e m o r e
i m p o r t a n t t h a n b e n d i n g s t r e s s e s a n d l o n g i t u d i n a l f a i l u r e a p p e a r s . W h e n b e n d i n g
a n d h o o p s t r e s s e s a r e o f t h e s a m e i m p o r t a n c e , f r a c t u r e p a t h b e c o m e s h e l i c o i d a l .
I n t h i s p a p e r , d a m a g e i n d u c e d b y f o r e i g n o b j e c t i s a s s u m e d t o b e r e p r e s e n t e d
b y a s u r f a c e e l l i p t i c a l n o t c h . F o r c o n s e r v a t i v e r e a s o n , t h i s n o t c h a s s u m e d t o b e
l o n g i t u d i n a l . T h e p i p e i s s u b m i t t e d t o a n i n t e r n a l p r e s s u r e o f 7 0 b a r s w h i c h i s t h e
s e r v i c e p r e s s u r e . S t r e s s e s a t n o t c h t i p h a v e b e e n c o m p u t e d b y f i n i t e - e l e m e n t
m e t h o d ( F E M ) a n d l o c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n p a r a m e t e r s s u c h a s e f f e c t i v e s t r e s s a n d
d i s t a n c e h a v e b e e n e x t r a c t e d . T h e y a r e i n t r o d u c e d i n t h e c o n c e p t o f n o t c h f r a c t u r e
m e c h a n i c s [ 1 ] . T h e c l a s s i c a l f a i l u r e a s s e s s m e n t d i a g r a m ( F A D ) h a s b e e n m o d i f i e d
f o r t h i s p u r p o s e a n d t h e s a f e t y f a c t o r a s s o c i a t e d t o s e r v i c e p r e s s u r e h a s b e e n
o b t a i n e d .
1 . F A D a n d S I N T A P P r o c e d u r e . T h e S I N T A P ( S t r u c t u r a l I n t e g r i t y
A s s e s s m e n t P r o c e d u r e f o r E u r o p e a n I n d u s t r y ) i s b a s e d o n f a i l u r e a s s e s s m e n t
d i a g r a m . I n t h e F A D m e t h o d , a f a i l u r e c u r v e o r “ i n t e r p o l a t i n g c u r v e ” i s u s e d t o
a s s e s s t h e f a i l u r e z o n e , s a f e z o n e , s e c u r i t y a n d s a f e t y f a c t o r . I n F i g . 3 , a t y p i c a l
f a i l u r e a s s e s s m e n t d i a g r a m i s i l l u s t r a t e d .
K
1.00
0.75
0.50
0.25
Fig. 3. Typical presentation of failure assessment diagram.
110 ISSN 0556-171X. npo6n.eMH npounocmu, 2006, N 4
Application o f Volumetric Method to the Assessment
T h e f a i l u r e a s s e s s m e n t d i a g r a m a c c o u n t s a n y k i n d s o f f a i l u r e : p l a s t i c c o l l a p s e
a s w e l l a s b r i t t l e f r a c t u r e a n d e l a s t i c - p l a s t i c f a i l u r e . T h e f a i l u r e a s s e s s m e n t
d i a g r a m e x h i b i t s a f a i l u r e c u r v e a s t h e c r i t i c a l n o n d i m e n s i o n a l s t r e s s i n t e n s i t y
f a c t o r v e r s u s n o n d i m e n s i o n a l s t r e s s o r l o a d i n g p a r a m e t e r a n d h a s b e e n a p p l i e d
i n t o s e v e r a l c o d e s i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e s t r u c t u r a l i n t e g r i t y o f c r a c k e d
s t r u c t u r e s . T h e m a i n o b j e c t i v e o f t h e p r e s e n t s t u d y i s t o i m p l y t h e i n t e r p o l a t i n g
c u r v e a n d F A D c o n c e p t i n t o n o t c h p r o b l e m b e c a u s e t h e f r a c t u r e m e c h a n i c s i s
b a s e d o n c r a c k a n d n o t o n b l u n t d e f e c t s s u c h a s d e n t s . F o r t h a t , t h e n o n
d i m e n s i o n a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r k r i s r e p l a c e d b y t h e n o n d i m e n s i o n a l s t r e s s
i n t e n s i t y f a c t o r k r , p . T h e S I N T A P p r o c e d u r e [ 2 ] i s d i v i d e d i n t o s e v e r a l d i s t i n c t
l e v e l s . A d e f a u l t l e v e l w i t h o u t y i e l d s t r e s s a s s u m p t i o n s i s u s e d a c c o r d i n g t o
l i m i t e d k n o w l e d g e o f t h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f t h e m a t e r i a l ( A P I X 5 2 ) . T h e
m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s o f S I N T A P d e f a u l t l e v e l p r o c e d u r e w i t h t h e
a f o r e m e n t i o n e d a s s u m p t i o n c a n b e w r i t t e n a s b e l o w [ 1] :
f ( L r ) =
w h e r e
l2 1 + —
2
- 1/2
[ 0 . 3 + 0 . 7 e x p ( - 0 . 6 L 2 ) ] f o r 0 < L r < 1 , ( 1 )
l 7 x _ , + M 25
l a Y I
f ( L r ) , L r , L r , a n d a Y a r e r e s p e c t i v e l y i n t e r p o l a t i n g f u n c t i o n , n o n d i m e n s i o n a l
l o a d i n g o r s t r e s s b a s e d p a r a m e t e r , t h e m a x i m u m v a l u e o f n o n d i m e n s i o n a l l o a d i n g
o r s t r e s s b a s e d p a r a m e t e r , a n d y i e l d s t r e s s , r e s p e c t i v e l y .
I n t h e p r e s e n t s t u d y , d e n t s a r e c o n s i d e r e d a s n o t c h e s a n d n o t c o n s i d e r i n g a s
c r a c k l i k e d e f e c t s a n d i n t h i s c a s e , t h e i n t e r p o l a t i o n f u n c t i o n f ( L r ) g i v e n b y
E q . ( 1) i s t a k e n a s s i m i l a r b e c a u s e w e u s e n o n d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r a n d t h e
n o t c h s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r ( S I F ) i s a f f e c t e d s i m i l a r l y t h a n t h e S I F .
2 . Volumetric Method and Notch Stress Intensity Factor. T h e c r i t i c a l
n o t c h s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r i s a l o c a l f r a c t u r e c r i t e r i o n t h a t a s s u m e s t h a t t h e
f r a c t u r e p r o c e s s r e q u i r e s a c e r t a i n f r a c t u r e p r o c e s s v o l u m e . T h i s v o l u m e i s
a s s u m e d a s c y l i n d e r w i t h d i a m e t e r c a l l e d e f f e c t i v e d i s t a n c e . D e t e r m i n a t i o n o f t h i s
e f f e c t i v e d i s t a n c e i s b a s e d o n t h e b i - l o g a r i t h m i c e l a s t i c - p l a s t i c s t r e s s d i s t r i b u t i o n
b e c a u s e t h e f r a c t u r e p r o c e s s z o n e i s t h e h i g h e s t s t r e s s e d z o n e . T h i s z o n e i s
c h a r a c t e r i z e d b y a n i n f l e x i o n p o i n t o n t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n a t t h e l i m i t o f z o n e I I
a n d z o n e I I I i n F i g . 4 . J u s t i f i c a t i o n o f t h i s m e t h o d h a s b e e n g i v e n i n r e f e r e n c e [ 1 ] .
T h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e e f f e c t i v e d i s t a n c e i s a c c o m p l i s h e d u s i n g t h e m i n i m u m o f
t h e r e l a t i v e s t r e s s g r a d i e n t % w h i c h c o r r e s p o n d s t o t h i s i n f l e x i o n p o i n t . T h e %
v a l u e i s g i v e n b y
1 d a yy ( r )
% ( r ) = „ ^ — a -------------, ( 2)
a y y ( r ) $r
w h e r e % ( r ) a n d a yy a r e t h e r e l a t i v e s t r e s s g r a d i e n t a n d m a x i m u m p r i n c i p a l
s t r e s s o r c r a c k o p e n i n g s t r e s s , r e s p e c t i v e l y .
ISSN 0556-171X. npodxeMbi npounocmu, 2006, N9 4 111
R. Adib, C. Schmitt, and G. Pluvinage
l 0 g ( ° y y ( r ) )
\ / Stress distribution along defect root
\ / Kp = ^ e f ^ X ef
I II hi Nv
/ Fracture process zone (FPZ) ^ —._
X e f ~ ~
log(r)
Geometrical defect
Fig. 4. Schematic elastic-plastic stress distribution along notch ligament and notch stress intensity
virtual crack concept.
T h e e f f e c t i v e s t r e s s i s c o n s i d e r e d a s t h e a v e r a g e v a l u e o f t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n
i n s i d e t h e f r a c t u r e p r o c e s s z o n e . T h i s s t r e s s d i s t r i b u t i o n i s c o r r e c t e d b y a w e i g h t
f u n c t i o n i n o r d e r t o t a k e i n t o a c c o u n t t h e d i s t a n c e f r o m n o t c h t i p o f t h e a c t i n g
p o i n t a n d t h e s t r e s s g r a d i e n t a t t h i s p o i n t
1 X { f
<*ef = ~ Y ~ J ° yy ( r ) $ ( r ) d r , ( 3 )
X ef 0
w h e r e o f , X f , o yy ( r ) , a n d 0 ( r ) a r e e f f e c t i v e s t r e s s , e f f e c t i v e d i s t a n c e ,
o p e n i n g s t r e s s a n d w e i g h t f u n c t i o n , r e s p e c t i v e l y .
I n T a b l e 1 , s o m e p r o p o s e d w e i g h t f u n c t i o n s a r e s h o w n .
T h e n o t c h s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r d e s c r i b e s t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n z o n e I I I .
B y e x t e n s i o n t h e n o t c h s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r c a n b e d e f i n e d a s a f u n c t i o n o f t h e
e f f e c t i v e d i s t a n c e a n d e f f e c t i v e s t r e s s [ 2 ] :
K p = o W 2 n X ef . ( 4 )
A t f a i l u r e , t h e n o t c h s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r r e a c h e s t h e c r i t i c a l v a l u e K p c .
T h e n o n d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r k r i s d e n o t e d f o r a n o t c h a s
i K Pk r = ■ ( 5 )
K p,c
T h e l o a d i n g p a r a m e t e r i n F A D c a n b e w r i t t e n a s f o l l o w s :
o g
L r = / , ( 6)
o f
112 ISSN 0556-171X. npoôëeMbi npounocmu, 2006, N 4
Application o f Volumetric Method to the Assessment
w h e r e o g a n d o f a r e t h e g l o b a l s t r e s s a n d f l o w s t r e s s ( o f = ( o Y + o u ) / 2) ,
r e s p e c t i v e l y . I n t h e p l a n e [ L r , k r ] , t h e a s s e s s m e n t p o i n t i s d e f i n e d b y t h e
* *
c o o r d i n a t e s [ L r , k r ] .
T a b l e 1
D if fe r e n t P ro p o s e d W e ig h t F u n c t io n s f o r C a lc u la t in g E ffe c tiv e S tre s s a r o u n d N o tc h T ip
Weight function Ф(г) Qef
Unit weight function Ф(г) = 1 1 Xef
Qef = X T f O УУ(r)dr X ef 0
Peterson’s
weight function [3]
Ф(г) = ô(r — Xef )
=ef
to
Qylafku’s
weight function [4]
Ф(г) = 1 — HC(h) 1 x /
Oef = T ^ f Oуу (r)[1— r (̂r)]dr
X ef 0
Kadi’s
weight function [5]
Ф(г) = exp[ HC(h)/2] 1 Xef
Oef = f OУУ (r)exp[ r (̂rV2]dr
X ef 0
Modified Qylafku’s
weight function [6]
Ф(г) = 1 — r x(r) 1 x /
O ef = ^ f O УУ (r)[1— H X(r)\]dr
X ef 0
A s s h o w n i n F i g . 3 , t h e s a f e t y f a c t o r S F i s d e f i n e d b y t h e r a d i a l d i s t a n c e
r a t i o b e t w e e n i n t e r p o l a t i n g f a i l u r e c u r v e a n d a s s e s s m e n t p o i n t a c c o r d i n g t o t h e
S I N T A P p r o c e d u r e ( S F = O C / O A ) .
B y d i v i d e d t h e F A D p a r a m e t e r b y a c o n v e n t i o n a l s a f e t y f a c t o r ( a v a l u e o f 2
i s m o s t l y u s e d f o r p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ) , w e d e f i n e d t h e s e c u r i t y
c u r v e . S i m i l a r l y , t h e s e c u r i t y f a c t o r S F o b t a i n e d a c c o r d i n g t o t h e p r o c e d u r e
( S F = O B / O A ) .
3 . M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f A P I X 5 2 . T h e A P I X 5 2 w a s t h e m o s t c o m m o n
g a s p i p e l i n e s m a t e r i a l f o r t r a n s m i s s i o n o f o i l a n d g a s d u r i n g 1 9 5 0 - 1 9 6 0 . T h e
c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f A P I X 5 2 i s s h o w n i n T a b l e 2 .
T a b l e 2
C h e m ic a l C o m p o s it io n o f A P I X 5 2 (w t.% )
C Mn Si Cr Ni Mo S Cu Ti Nb Al
0.22 1.22 0.24 0.16 0.14 0.06 0.0З6 0.19 0.04 < 0.05 0.0З2
I n T a b l e 3 , m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f A P I X 5 2 a r e p r e s e n t e d . T h i s m a t e r i a l
e x h i b i t s a l a r g e e l o n g a t i o n a n d d u c t i l e b e h a v i o r i s e x p e c t e d .
I n F i g . 5 a , t h e t r u e s t r e s s - s t r a i n c u r v e o f A P I X 5 2 i n c l u d i n g a b o v e h a r d e n i n g
e x p o n e n t a n d c o e f f i c i e n t i s i l l u s t r a t e d . T h e f r a c t u r e t o u g h n e s s h a s b e e n o b t a i n e d
b y e x p e r i m e n t a l s t u d i e s w h i c h a r e p r e s e n t e d i n F i g . 5 b . T h i s s p e c i a l d e v i c e a n d
s p e c i m e n h a v e b e e n d e v e l o p e d d u e t o i m p o s s i b i l i t y t o g e t f l a t s p e c i m e n f r o m
s m a l l - d i a m e t e r p i p e s .
ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 200б, № 4 113
R. Adib, C. Schmitt, and G. Pluvinage
T a b l e 3
Mechanical Properties of API X52
E, GPa ay , MPa au, MPa A, % n K , MPa K n c, MPaVmi ,c
203 410 528 32 0.164 876 116.6
Note. E, Oy, a u, A, n, K , and K pc are the modulus of elasticity, yield stress, ultimate stress,
relative elongation, hardening exponent, hardening coefficient, and fracture toughness, respectively.
Fig. 5. Simple tension test results as true stress-strain curve for API X52 material (a) and
experimental test setup for extracting the fracture toughness (b).
F r o m t h i s t e s t , t h e c r i t i c a l l o a d i s e x t r a c t e d . T h e n s t r e s s d i s t r i b u t i o n i s
c o m p u t e d b y F E M . T h e v a l u e s o f e f f e c t i v e s t r e s s a n d d i s t a n c e a r e i n t r o d u c e d i n
E q . ( 4 ) . W e n o t e t h a t f r a c t u r e t o u g h n e s s w h i c h d e p e n d s o n n o t c h r a d i u s a n d p i p e
c u r v a t u r e i s o b t a i n e d w i t h t h e s a m e c o n s t r a i n t t h a t i n p i p e .
4 . P i p e a n d D e f e c t G e o m e t r i e s . I n F i g . 6 , t h e g e o m e t r i c a l c o n f i g u r a t i o n s o f
p i p e a n d d e f e c t a r e p r e s e n t e d . P i p e h a s a n e x t e r n a l d i a m e t e r o f 2 1 9 . 1 m m a n d a w a l l
t h i c k n e s s o f 6 . 1 m m . T h e s e r v i c e p r e s s u r e o f t h e g a s p i p e i s a t m a x i m u m 7 0 b a r s .
6.1
V V
i ; y/
1000
Fig. 6. Pipe geometry (all dimensions in mm) (a); central semi-elliptical defect (a = t/2,
a/c = 0.1) (b).
114 ISSN 0556-171X. npoôneMU npoHuocmu, 2006, № 4
a
Application o f Volumetric Method to the Assessment
T h e d e f e c t d e p t h f o r a l l m o d e l s i s e q u a l t o o n e - h a l f o f p i p e t h i c k n e s s a n d t h e
d e f e c t a s p e c t r a t i o i s c o n s i d e r e d a s 0.1 ( a / c = 0 . 1) .
5 . F E M A s s e s s m e n t o f S t r e s s D i s t r i b u t i o n . T o a n a l y z e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n ,
o n e - f o u r t h s y m m e t r y c o n s i d e r a t i o n i n c l u d i n g 8- n o d e s o l i d e l e m e n t m e s h h a s b e e n
e m p l o y e d . I n F i g . 7 , t h e g e o m e t r i c a l a n d m e s h d e n s i t y a r o u n d t h e s e m i - e l l i p t i c a l
d e f e c t i s s h o w n f o r c o n s i d e r e d p i p e l i n e . T h e m a i n g o a l i n t h i s s t a g e i s t o
d e t e r m i n e a n d e v a l u a t e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n p a t t e r n a n d c o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r s
s u c h a s e f f e c t i v e s t r e s s a n d e f f e c t i v e d i s t a n c e . T o t e a s e o u t t h e b o u n d a r y
c o n d i t i o n s s i d e e f f e c t s a n d o b t a i n p u r e i n d u c e d s t r e s s d i s t r i b u t i o n d u e t o t h e
d e f e c t s e x i s t e n c e , i t i s a s s u m e d t h a t t h e m e n t i o n e d d e f e c t s a r e m a t h e m a t i c a l l y
p o s i t i o n e d i n t o a n i n f i n i t e p i p e l i n e . I t i s n e c e s s a r y t o r e m i n d t h a t t h e p r e s e n t
a s s u m p t i o n c a n b e p h y s i c a l l y f u l f i l l e d b y s u f f i c i e n t p i p e l e n g t h w h i c h c a n b e
f o u n d v i a t r i a l a n d e r r o r p r o c e d u r e . A n e x a m p l e o f t h e c o m p u t e d s t r e s s d i s t r i b u t i o n
i s g i v e n i n F i g . 7 b .
a b
Fig. 7. Detail mesh density around the selected semi-elliptical defect (a); stress distribution
pattern (b).
6 . A p p l i e d N o t c h S t r e s s I n t e n s i t y F a c t o r a n d S a f e t y F a c t o r . A s d i s c u s s e d
i n s e c t i o n 2 , t h e n o t c h s t r e s s i n t e n s i t y c o n c e p t i s i m p l e m e n t e d i n t o t h e S I N T A P
p r o c e d u r e ( d e f a u l t l e v e l ) . T o p r e d i c t t h e s t r u c t u r a l i n t e g r i t y o f t h e p r e s e n t
s e m i - e l l i p t i c a l d e f e c t , i t i s r e q u i r e d t o a c q u i r e t h e o p e n i n g s t r e s s a l o n g t h e
l i g a m e n t . T h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s p r o v i d e s t h e n e c e s s a r y p a r a m e t e r s f o r
“ N o t c h - B a s e d F a i l u r e A s s e s s m e n t D i a g r a m ” ( N B F A D ) . I n F i g . 8, t h e s t r e s s
d i s t r i b u t i o n a l o n g l i g a m e n t i s s h o w n a s b i - l o g a r i t h m i c a n d d i a g r a m . T h e
b i - l o g a r i t h m i c d i a g r a m e a s i l y h i g h l i g h t s t h e t h r e e m e n t i o n e d z o n e s a n d t h e
e f f e c t i v e d i s t a n c e , e f f e c t i v e s t r e s s a n d o t h e r r e q u i r e d p a r a m e t e r s a r e c a l c u l a t e d f o r
N B F A D .
T a b l e 4
Coordinates of the Failure Assessment Point
°ef ■ X f ■ K p ■ aee ■ a 0, kr Sr
MPa mm MPaVm MPa MPa
343 0.67 15.8 125 469 0.136 0.27
Note. a gg = p D / I t , a o = a u + O y/2, md Sr = o gg/ a 0.
ISSN 0556-171X. npoôëeuu npounocmu, 2006, N 4 115
R. Adib, C. Schmitt, and G. Pluvinage
0.1
D istance (mm )
Fig. 8. Bi-logarithmic stress distribution and relative stress gradient versus ligament distance and
corresponding relative stress gradient (Xef = 0.6736 mm, a ej = 343.45 MPa).
T h e n o t c h - b a s e d f a i l u r e a s s e s s m e n t d i a g r a m o r s o c a l l e d “ N B F A D ” s a f e t y
f a c t o r e v a l u a t i o n i s p r e s e n t e d i n F i g . 9 . T h e c o o r d i n a t e s o f t h e a s s e s s m e n t p o i n t
a r e g i v e n i n T a b l e 4 .
Fig. 9. Structural integrity evaluation via SINTAP procedure according to the FEM outcomes for
semi-elliptical defects.
A s s h o w n i n F i g . 9 , t h e s a f e t y f a c t o r a n d s e c u r i t y f a c t o r a r e e l u c i d a t e d b y
r a d i a l d i s t a n c e s r a t i o ( O C o r O B o v e r O A ) . T h e r e f o r e , t h e e x t r a c t e d a s s e s s m e n t
p o i n t i s p o s i t i o n e d i n s a f e t y a n d s e c u r i t y z o n e .
C o n c l u s i o n s . T h e f a i l u r e h a z a r d f o r g a s p i p e l i n e i n c l u d i n g s e m i - e l l i p t i c a l
g o u g e d e f e c t i s e v a l u a t e d v i a S I N T A P a n d e l a s t i c f i n i t e e l e m e n t m e t h o d o u t c o m e s .
S I N T A P p r o c e d u r e h a s b e e n m o d i f i e d i n o r d e r t o t a k e i n t o a c c o u n t t h a t t h e d e f e c t
i s n o t a c r a c k l i k e d e f e c t b u t h a s a f i n i t e t i p r a d i u s . F o r t h a t , t h e c o n c e p t o f n o t c h
116 ISSN 0556-171X. npo6n.eMH npounocmu, 2006, N 4
Application o f Volumetric Method to the Assessment
s t r e s s i n t e n s i t y d e s c r i b e d b y e f f e c t i v e s t r e s s a n d e f f e c t i v e d i s t a n c e h a s b e e n u s e d
a n d t h e c o r r e s p o n d i n g f r a c t u r e t o u g h n e s s m e a s u r e d u s i n g a s p e c i a l s p e c i m e n
c a l l e d “ r o m a n t i l e . ” T h e c l a s s i c a l d e t e r m i n i s t i c a p p r o a c h l e a d s t o t h e c o n c l u s i o n
t h a t t h e n e c e s s a r y e n g i n e e r i n g s a f e t y f a c t o r o f a g a s p i p e e x h i b i t i n g a s e v e r e
g o u g e t y p e d e f e c t ( d e p t h e q u a l t o h a l f t h e t h i c k n e s s ) a n d s u b m i t t e d t o a n i n t e r n a l
s e r v i c e p r e s s u r e o f 7 0 b a r s w h i c h i s n o r m a l s e r v i c e p r e s s u r e c o n d i t i o n f o r g a s
t r a n s m i s s i o n i s w i d e l y s a t i s f y ( S F = 3 . 4 > S F = 2 ) . T h e s e c u r i t y f a c t o r h a s b e e n
f o u n d e q u a l t o 1 . 7
Р е з ю м е
В і д о м о т р и о с н о в н і т и п и п о ш к о д ж е н н я т р у б г а з о п р о в о д і в . Н а й б і л ь ш н е б е з
п е ч н и м и з т о ч к и з о р у н а д і й н о с т і г а з о в и х т р у б о п р о в о д і в є п о ш к о д ж е н н я
в н а с л і д о к д і ї с т о р о н н і х п р е д м е т і в . З а п р о п о н о в а н о о б ’ є м н и й м е т о д , я к и й
д о з в о л я є в р а х о в у в а т и в п л и в г е о м е т р и ч н о г о е ф е к т у п о я в и в и б о ї н т а к о н ц е н т
р а т о р і в н а п р у ж е н ь у т р у б а х н а х а р а к т е р и с т и к и к р и х к о г о а б о п р у ж н о - п л а с
т и ч н о г о р у й н у в а н н я т р у б , щ о з а з н а ю т ь д і ї в н у т р і ш н ь о г о т и с к у . Р о з г л я н у т о
в и к о р и с т а н н я о б ’ є м н о г о м е т о д у з а н а я в н о с т і з о в н і ш н ь о г о п о з д о в ж н ь о г о
п о в е р х н е в о г о к о н ц е н т р а т о р а н а п р у ж е н ь у г а з о в і й т р у б і . О п и с а н о с п е ц і а л ь
н у м е т о д и к у S I N T A P , з а д о п о м о г о ю я к о ї м о ж н а з н а й т и к о е ф і ц і є н т з а п а с у
м і ц н о с т і .
1 . G . P l u v i n a g e , F r a c t u r e a n d F a t i g u e E m a n a t i n g f r o m S t r e s s C o n c e n t r a t o r s ,
K l u w e r A c a d e m i c P u b l i s h e r s , D o r d r e c h t ( 2 0 0 3 ) .
2 . S I N T A P . S t r u c t u r a l I n t e g r i t y A s s e s s m e n t P r o c e d u r e , F i n a l R e p o r t E - U
P r o j e c t B E 9 5 - 1 4 6 2 , B r i t e E U R A M P r o g r a m m e , B r u s s e l s ( 1 9 9 9 ) .
3 . R . E . P e t e r s o n , “ I n m e t a l f a t i g u e , ” i n : G . S i n e s ( E d . ) , M c G r a w - H i l l ( 1 9 5 9 ) ,
p p . 2 9 3 - 3 0 6 .
4 . G . Q y l a f k u , Z . A z a r i , N . K a d i , M . G j o n a j , G . P l u v i n a g e , “ A p p l i c a t i o n o f a
n e w m o d e l p r o p o s a l f o r f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n o n t h e n o t c h e s a n d k e y - s e a t s , ”
I n t . J . F a t i g u e , 2 1 , 7 5 3 - 7 6 0 , ( 1 9 9 9 ) .
5 . N . K a d i , P h . D . T h e s i s , U n i v e r s i t y o f M e t z , M e t z , F r a n c e ( 2 0 0 1 ) .
6 . H . A d i b , J . J e o n g , G . P l u v i n a g e , a n d M . L e b i e n v e n u , “ R o l e o f s t r e s s g r a d i e n t
a t n o t c h r o o t s u s i n g v o l u m e t r i c m e t h o d , ” I n t . J . F r a c t u r e , S u b m i t t e d , A p r i l
( 2 0 0 5 ) .
Received 04. 11. 2005
ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2006, № 4 117
|