Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов
Рассмотрены условия образования коррозионных трещин в зоне кольцевых монтажных и продольных заводских сварных стыков магистральных газопроводов. Для конкретного случая аварии выполнен анализ силовых условий и сопротивляемости материала образованию и развитию коррозионных трещин под напряжением вплот...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100818 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов / В.И. Махненко, В.М. Шекера, Е.А. Великоиваненко, О.И. Олейник, Г.Ф. Розынка, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 5-11. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859744933737398272 |
|---|---|
| author | Махненко, В.И. Шекера, В.М. Великоиваненко, Е.А. Олейник, О.И. Розынка, Г.Ф. Пивторак, Н.И. |
| author_facet | Махненко, В.И. Шекера, В.М. Великоиваненко, Е.А. Олейник, О.И. Розынка, Г.Ф. Пивторак, Н.И. |
| citation_txt | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов / В.И. Махненко, В.М. Шекера, Е.А. Великоиваненко, О.И. Олейник, Г.Ф. Розынка, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 5-11. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрены условия образования коррозионных трещин в зоне кольцевых монтажных и продольных заводских сварных стыков магистральных газопроводов. Для конкретного случая аварии выполнен анализ силовых условий и сопротивляемости материала образованию и развитию коррозионных трещин под напряжением вплоть до спонтанного разрушения.
The paper deals with conditions causing formation of corrosion cracks within the zones of circumferential field and longitudinal factory welded joints on main gas pipelines. Described is the case study of force conditions and resistance of material to initiation and propagation of stress corrosion cracks up to a spontaneous fracture.
|
| first_indexed | 2025-12-01T20:29:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.052:536.453:620.169.1
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
КОРРОЗИОННЫХ ТРЕЩИН В ЗОНЕ КОЛЬЦЕВЫХ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Академик НАН Украины В. И. МАХНЕНКО, В. М. ШЕКЕРА, канд. техн. наук,
Е. А. ВЕЛИКОИВАНЕНКО, канд. физ.-мат. наук, О. И. ОЛЕЙНИК, Г. Ф. РОЗЫНКА,
Н. И. ПИВТОРАК, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрены условия образования коррозионных трещин в зоне кольцевых монтажных и продольных заводских
сварных стыков магистральных газопроводов. Для конкретного случая аварии выполнен анализ силовых условий
и сопротивляемости материала образованию и развитию коррозионных трещин под напряжением вплоть до спон-
танного разрушения.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварные магистральные газопрово-
ды, кольцевые стыки, возникновение и развитие коррозион-
ных трещин, диаграмма трещиностойкости, номинальные
напряжения, концентрация напряжений, коэффициенты ин-
тенсивности напряжений
Наиболее опасными дефектами сварных магист-
ральных газопроводов являются коррозионные
трещины, которые относительно плохо выявля-
ются методом внутритрубной диагностики. Воз-
никновение и развитие таких дефектов до кри-
тических размеров, когда происходит спонтанное
разрушение трубопроводов, определяется рядом
факторов:
разрушением антикоррозионной изоляции по-
верхности трубопровода и соответственно обра-
зованием контакта с внешней средой (грунтом);
временем пребывания стенки трубы Δtк в ус-
ловиях коррозии под напряжением;
степенью агрессивности внешней среды (влаж-
ность грунта, его химический состав и т. п.);
уровнем растягивающих напряжений в стенке
трубопровода и наличием зон концентраций нап-
ряжений;
способностью материала стенки трубопровода
сопротивляться возникновению и росту корро-
зионных трещин.
Наличие перечисленных факторов является не-
обходимым условием для возникновения и раз-
вития коррозионных трещин, однако каждый из
них не является достаточным для образования де-
фекта указанного типа.
Как правило, длительность надежной работы
защитного покрытия трубопровода заметно ниже
проектной и реальной продолжительности работы
самого трубопровода. При этом вероятность раз-
рушения (отслоения) покрытия зависит от его ти-
па, условий нанесения и эксплуатации. В зави-
симости от условий нанесения покрытия зона
монтажных сварных соединений может быть дос-
таточно уязвимой.
Время Δtк пребывания стенки трубопровода
после разрушения покрытия в условиях коррозии
под напряжением трудно поддается детермини-
рованному расчету. Оценка этой величины в зна-
чительной степени зависит от периодичности кон-
троля состояния изоляции (либо переизоляции)
трубопровода, длительности остановок трубопро-
вода, изменения агрессивности среды и др. Дос-
таточно консервативной оценкой Δtк при надеж-
ных методах контроля состояния изоляционного
покрытия является период между очередными
контрольными проверками (около 2…5 лет), если
при этом они совмещены по времени с внутрит-
рубной диагностикой состояния стенки трубоп-
ровода. Очень важно, чтобы за время Δtк корро-
зионные трещины с учетом их возникновения и
роста (слияния) не достигли критических разме-
ров, при которых происходит спонтанное разру-
шение.
Степень агрессивности внешней среды для ма-
гистральных газопроводов в основном определя-
ется свойствами тех грунтов, в которые уклады-
вают трубопроводы (вопрос коррозионных пов-
реждений на внутренней поверхности, характер-
ный для нефтепроводов [1], в данной работе не
рассматривается). При этом большое значение
имеет степень влажности грунта, обусловленная
периодическими либо постоянными притоками
влаги.
Результаты исследований, проводимых в ИЭС
им. Е. О. Патона, показали, что при периодичес-
ком увлажнении грунта при его высыхании на
поверхности трещины появляется пленка из про-
дуктов коррозии, разрушение которой после ин-
тенсивного притока влаги занимает определенное
время, что заметно сказывается на средних зна-
© В. И. Махненко, В. М. Шекера, Е. А. Великоиваненко, О. И. Олейник, Г. Ф. Розынка, Н. И. Пивторак, 2009
5/2009 5
чениях скорости роста трещины по толщине стен-
ки при постоянных напряжениях от силовой наг-
рузки. Постоянная достаточно высокая влажность
агрессивной среды характерна для магистральных
трубопроводов, уложенных в болотистой мест-
ности, по дну озер, рек, морей. При укладке их
в твердый грунт высокая влажность, связанная с
атмосферными осадками, носит периодический
характер. С учетом отмеченных обстоятельств эк-
спериментальные исследования кинетики роста
коррозионных трещин в лабораторных условиях
при постоянной высокой влажности (водные рас-
творы вытяжек соответствующих грунтов [2]) да-
ют консервативные данные, что на определенном
этапе изучения проблемы вполне приемлемо для
получения расчетных прогнозов остаточного ре-
сурса безопасной эксплуатации.
Уровень номинальных растягивающих напря-
жений в стенке трубы определяется внутренним
давлением газа в ней, а также изгибными дефор-
мациями, связанными чаще всего с проседанием
грунта под трубой и изгибающими моментами от
собственного веса трубы и грунта засыпки. Боль-
шое значение имеют местные геометрические
особенности (например, зоны сварных соедине-
ний), обусловливающие концентрацию номиналь-
ных напряжений. Как правило, эти зоны в районе
продольных (заводских) и кольцевых (монтаж-
ных) сварных соединений являются наиболее уяз-
вимыми для возникновения и развития соответ-
ственно продольных и окружных коррозионных
трещин.
Из практики известно, что коррозионные тре-
щины возникают и развиваются в зоне как про-
дольного, так и окружного шва, хотя условия воз-
никновения относительно нормальных напряже-
ний, ответственных за образование и развитие та-
ких дефектов, разные. В обычных условиях при
хорошем прилегании трубы к грунту и незначи-
тельных изгибных деформациях по номинальным
нормальным напряжениям продольные сварные
соединения более уязвимы (при прочих равных
условиях), чем кольцевые. Однако заводские ус-
ловия получения продольных сварных соедине-
ний в ряде случаев обеспечивают более низкую
концентрацию напряжений, чем в кольцевых со-
единениях, что может затормозить зарождение и
рост коррозионной трещины на начальной стадии
ее развития.
При нагружении трубопроводов только внут-
ренним давлением указанный фактор будет иметь
место, если значения коэффициента концентрации
в зоне монтажного кольцевого сварного шва на
наружной поверхности трубы будут в 2 раза выше,
чем в зоне продольного сварного шва, выполнен-
ного в заводских условиях. Последнее подтвер-
ждается известными зависимостями, связываю-
щими источники концентрации напряжений в
сварных стыковых соединениях (рис. 1).
Суммарный коэффициент α концентрации но-
минальных нормальных напряжений σjj
н = Qj
⁄ s,
действующих поперек сварного соединения, ко-
торый связан с геометрией (формой) стыкового
шва αф возможным смещением кромок αсм и уг-
ловыми деформациями αу, выражается зависи-
мостью [3]
α = [1 + (αсм + αу – 2)]αф, (1)
где
αф = 1 + ⎛⎜
⎝
s
ρ
⎞
⎟
⎠
2 ⁄ 3
⎧⎨
⎩
s
g ctg θ + 4,0 + s
1 + l ⁄ s
⎫
⎬
⎭
–2 ⁄ 3
при 0,15 ≤ l/s ≤ 2,5; 0,01 < ρ/s ≤ 0,1; 0,1 ≤ g/s ≤ 0,2;
θ ≤ 30° (обозначения в (1) соответствуют геомет-
рическим параметрам стыкового соединения на
рис. 1).
Для стыкового соединения продольного шва
можно принять αсм = 1, αу = 1. Для кольцевого
шва, как правило, значения αсм и αу больше 1. Од-
нако, если принять их равными 1, т. е. при отсут-
ствии смещения кромок и угловатости, то даже за
счет αф при увеличении отношения s/ρ в 3 раза и
прочих равных условиях, α увеличивается в 2 раза.
Естественно, что при качестве выполнения коль-
цевого монтажного соединения на уровне такового
для продольного заводского, более уязвимым с по-
зиций зарождения коррозионных трещин будет зона
продольного шва.
Рис. 1. Геометрические параметры стыкового соединения,
определяющие концентрацию напряжений, обусловленную
формой шва (а), смещением кромок (б) и наличием угловых
деформаций (в)
6 5/2009
Тем не менее, в ряде работ (например, [4])
повышенное внимание уделяется коррозионным
трещинам и разрушению в зоне кольцевых мон-
тажных сварных стыковых соединений магист-
ральных газопроводов, при этом указанные яв-
ления связывают с наличием изгибающих момен-
тов, возникающих при проседании грунта по дли-
не трубопровода и соответствующем его прови-
сании l. Образующиеся при этом максимальные
напряжения от внутреннего давления Р распре-
деленной нагрузки (вес трубы и грунта засыпки)
вдоль оси z трубы составляют
σzz
max = P R
2δ
+ Mmax
⎛
⎜
⎝
1
πR2δ
+ 1
2πR3
⎞
⎟
⎠
,
(2)
где Mmax =
(qтр + qгр)l
2
B ; qтр — вес единицы длины
трубы, qтр = γтр2πRδ; qгр — вес грунта засыпки
на единицу длины трубы, qгр = γгрAгр; γi — удель-
ный вес металла трубы (i = тр) либо грунта (i =
= гр); Aгр — площадь поперечного сечения грунта
засыпки (рис. 2) высотой h над верхней образу-
ющей трубопровода
Aгр = R2 [4h + R(4 – π)].
(3)
Значения B меняются от 12 (в середине про-
висания пролета l) до 24 (на концах пролета). Для
рассмотренного в работе [4] случая: труба из ста-
ли типа Х70 (2R δ = 1420 15,5 мм) при γтр =
= 7,7 H/см3 и γгр = 4,9 H/см3, h = 120 см, Aгр =
= 19200 см2, получим qтр = 52,6 Н/см =
= 5,26 Н/мм, qгр = 941,8 Н/см = 94,18 Н/мм.
Соответственно значения максимальных номи-
нальных напряжений, полученные по (2), в за-
висимости от длины l провисания пролета при
P = 7,5 МПа приведены в табл. 1.
Поскольку окружные напряжения σββ от про-
висания трубы в пределах рассматриваемых зна-
чений l меняются мало и равны 343,6 МПа, то
из приведенных данных следует, что при l < 20 м
и одинаковом качестве заводского и монтажного
соединений (т. е. одинаковых значениях α) за-
рождение и развитие коррозионных трещин будет
происходить быстрее в продольном соединении.
Однако при более высоких значениях α в коль-
цевом монтажном соединении либо при l > 25 м
и одинаковых значениях α возникновение таких
дефектов вполне может происходить быстрее в
зоне этого соединения. Именно с этих позиций
в работе [4] объясняется образование в рассмат-
риваемом конкретном случае коррозионных ок-
ружных трещин в зоне монтажного кольцевого
шва газопровода Ямбург–Западная граница, что
привело в итоге к разрушению трубопровода. По
данным соответствующего осмотра, разрушению
предшествовало развитие кольцевых коррозион-
ных трещины до ее максимального размера (длина
2c = 525 мм, глубина a = 8 мм).
С помощью современных подходов механики
разрушения тел с трещинами [3] можно опреде-
лить, что при указанных размерах трещины 2c a
ее спонтанное распространение с большей веро-
ятностью происходит при l ≈ 20 м. Согласно [3],
критерий спонтанного роста рассматриваемой
трещины можно записать в виде
Y = Kr – f(Lr) > 0, (4)
где Kr = KI/KIC — отношение расчетного коэф-
фициента KI интенсивности напряжений на кон-
туре рассматриваемой трещины к критическому
значению KIC для определенного материала трубы
в этой зоне:
f(Lr) = (1 – 0,14Lr
2) [0,3 + 0,7 exp (–0,65Lr
6)] при Lr ≤ Lr
max;
f(Lr) = 0 при Lr > Lr
max. (5)
Для трубных сталей (система Fe–Mn–C) зна-
чение Lr
max = 1,3 по [5] на основании диаграм-
мы определения разрушения (ДОР) при стати-
ческом нагружении тел с трещинами (рис. 3); Lr =
= σref / σт (где σт — предел текучести материала;
σref — реферативное напряжение, соответству-
ющее возникновению пластической неустойчи-
вости в зоне трещины при данном виде нагру-
жения). Согласно работе [5], для рассматривае-
мого случая
Место
провисания
пролета
σzz
max (МПа) при l, м
0 10 20 30
Центр 171,8 206,3 309,8 482,3
Конец 171,8 189,0 240,8 327,0
Пр и м е ч а н и е . Стрелка прогиба f(1/2) ≈ 120(1/20)2 [мм]
трубы в центре провисания пролета.
Рис. 2. Схема поперечного разреза траншеи с уложенным
магистральным трубопроводом
Т а б л и ц а 1. Максимальные напряжения в различных
участках провисания пролета
5/2009 7
σref = 13 ⎡
⎣
σв + √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯σв
2 + (σm
3Z)2 ⎤
⎦
,
(6)
где σв — чисто изгибная составляющая напря-
жения σzz
max в (2); σв = Mmax 1
⁄ 2πR3; σm — мем-
бранные напряжения, σm = P (R ⁄ 2δ) + Mmax (1 ⁄ πR2δ)
(2); значения Z определяются по зависимости
Z = π
2 arccos(A sin θ) – a
δ
θ ⎡⎢
⎣
2 – 2δ ⁄ R + a ⁄ R
2 – δ ⁄ R
⎤
⎥
⎦
; (7)
где
θ = 2cπ
8R ;
A = a
δ
(1 – δ ⁄ R) (2 – 2δ ⁄ R + a ⁄ R) + (1 – δ ⁄ R + a ⁄ R)2
2 [1 + (2 – δ ⁄ R) (1 – δ ⁄ R)]
.
С учетом указанных выше значений a, δ, R,
c получим A = 0,565, θ = 0,290, Z = 1,177. Со-
ответствующие результаты расчета σref для но-
минальных напряжений σzz
max в сечениях на концах
и в центре пролета l приведены в табл. 2. Там
же приведены значения Lr при σт = 490 МПа.
Из таблицы видно, что значения Lr не превышают
Lr
max = 1,30. Согласно работе [5], значения KI в
вершине трещины при a/c < 0,01 находят из за-
висимости
KI = √⎯⎯⎯πa (G0σm + G1σв), (8)
где G0 = 2,3 и G1 = 1,1 [5].
В таблице также содержатся результаты рас-
чета KI по (8). Для вычисления Kr = KI/KIC не-
обходимо знать значения KIC в зоне трещины, по-
лученные для конкретной трубной стали типа Х70
при температуре наружной поверхности трубы.
Авторы работы [5] рекомендуют для расчета
значений KIC при отсутствии экспериментальных
данных использовать соответствующие корреля-
ционные зависимости, связывающие KIC с интег-
ралом JIC либо ударной вязкостью KCV. В час-
тности, если использовать корреляционную зави-
симость Rolve–Navak [5] в виде
KIC = 8,47(KCV)0,63, (9)
что соответствует минимальному уровню значе-
ний KIC, при которых вероятность неразрушения
не ниже 0,05, то при KCV+20 ≈ 59,2 Дж/см2 для
трубной стали типа Х70 получим KIC(0,05) =
= 110,8 МПа⋅м1/2.
Для вероятности неразрушения p > 0,05 ис-
пользуем зависимость [5]
KIC(p) = 20 + Kd[– ln (1 – p)0,25 [МПа⋅м1/2]. (10)
При KIC (0,05) = 110,8 МПа⋅м1/2, Kd = 190,8 МПа⋅м1/2;
соответственно при p = 0,5KIC (0,50) = 194,1 МПа⋅м1/2
и p = 0,95KIC (0,95) = 271 МПа⋅м1/2. На рис. 3, а
приведены расчетные кривые Kr(Lr) для случая,
когда коррозионная трещина находится в сечении
центра провисания пролета длиной l при различ-
ных значениях KIC(p). Точки пересечения этих ли-
ний с кривой ДОР показывают, при каких усло-
Т а б л и ц а 2. Расчетные значения σref, Lr и KI для кольцевой трещины размером 2c a = 525 8 мм в трубе
(1420 15,5 мм) на различных участках провисания пролета l
l, мм
Центр пролета Конец пролета
σref , МПа Lr KI, МПа⋅м1/2 σref , МПа Lr KI, МПа⋅м1/2
0 202,2 0,413 62,6 202,2 0,413 62,6
10 242,8 0,495 75,2 222,4 0,453 68,9
20 364,6 0,744 112,9 283,4 0,578 87,8
30 567,7 1,160 175,8 384,9 0,785 119,2
Рис. 3. ДОР (1) и расчетные кривые Kr (Lr), полученные для
окружной трещины размером 2c a = 525 8 мм в трубе Ду
1420 15,5 мм из стали типа Х70 при p = 0,05 (2), 0,50 (3),
0,95 (4) для сечений в центре провисания пролета (а) и на его
концах (б): — l = 0; — 10; Δ — 20; — 30 м
8 5/2009
виях вероятно спонтанное разрушение рассмат-
риваемой коррозионной трещины в зависимости
от l и p. На рисунке видно, что при сопротивлении
материала хрупкому разрушению KIC =
= 110,8 МПа⋅м1/2, соответствующему вероятнос-
ти неразрушения p = 0,05, критическая длина
lкр = 17,2, при p = 0,50 lкр = 23,7 м, а при p = 0,95
lкр = 27,0 м.
Эти результаты получены для положения мон-
тажного стыка в центре провисания пролета при
проседании грунта под трубой. Результаты, полу-
ченные для стыка в зоне концов провисания про-
лета, при p = 0,05 lкр = 25 м и p ≥ 0,5 lкр < 30 м
приведены на рис. 3, б. При расстоянии между коль-
цевыми сварными соединениями 8…12 м на длине
l > 30 м помещаются 2…3 трубы, т. е. всегда вблизи
центра провисания пролета имеется стык, поэтому
данные, представленные на рис. 3, определяют вер-
хнюю и нижнюю границы реальных значений. Это
дает основание полагать, что в рассматриваемом
случае значения l находились в пределах 20…25 м,
что, очевидно, достаточно для спонтанного роста
рассматриваемой трещины размером 2c a =
= 525 8 мм. Однако с позиций ее образования без
заметного увеличения концентрации напряжений α
в зоне кольцевого соединения не обошлось. Процесс
образования и развития коррозионной трещины до
критических размеров при рабочем давлении P =
= 7,5 МПа и l = 20…25 м можно представить сле-
дующим образом.
После разрушения изоляции начинается про-
цесс коррозии под напряжением по механизму
анодного растворения, когда поверхность трубы
покрывается сеткой мелких трещин, вытянутых
в направлении, перпендикулярном действию мак-
симальных растягивающих напряжений. Появле-
ние таких трещин зависит как от уровня указан-
ных напряжений, так и от сопротивляемости ма-
териала их образованию. Поэтому они могут воз-
никать не обязательно в вершине концентратора
напряжений (см. рис. 1), где за счет термодефор-
мационного цикла сварки материал упрочняется
и может приобретать более высокое сопротивле-
ние стресс-коррозии, нежели материал перифе-
рийной зоны, на которую распространяется вли-
яние этого концентратора. Поскольку на свобод-
ной поверхности поперек протяженного вдоль оси
x концентратора (см. рис. 1) напряжения σyy оп-
ределяются зависимостью
σyy(y) = σyy(yк) + ∫
y
к
y ∂σxy
∂x
dy, (11)
где yк — координата вершины концентратора нап-
ряжений σyy, то с увеличением значений y процесс
снижения напряжений σyy(y) происходит доста-
точно медленно по сравнению с σyy(yк), так как
σxy по оси x меняется мало.
В этой связи вполне объяснимо наблюдаемое
на практике образование коррозионных трещин в
основном металле параллельно сварному шву на
некотором расстоянии от линии сплавления [4], где
сопротивляемость появлению дефекта ниже.
По мере развития мелких трещин происходит
их слияние с образованием магистральных тре-
щин, рост которых определяется уже диаграммой
статической коррозионной трещиностойкости
данного материала в агрессивной среде [2]
(рис. 4). В соответствии с этой диаграммой ско-
рость роста трещины v определяется коэффици-
ентом интенсивности напряжений KI в соответ-
ствующих точках вдоль контура трещины. Начи-
ная с некоторых размеров таких трещин, когда
KI > KISCC, изменяется основной механизм их рос-
та — с анодного растворения на водородное ох-
рупчивание, при котором скорость роста трещины
значительно возрастает.
Для неглубоких трещин, вытянутых вдоль
кольцевого шва, когда c >> a при номинальных
напряжениях σzz
max на уровне 300 МПа (l ≈ 20 м)
и KISCC ≈ 10…15 МПа⋅м1/2, этот переход имеет
место при глубине трещины a = 0,1 мм и ее длине
2c = 10…15 мм [2]. На скорость роста таких кор-
розионных трещин по их длине значительное вли-
яние оказывает процесс слияния соседних трещин,
а по глубине — интенсивность отвода продуктов
коррозии. Указанные обстоятельства затрудняют
получение расчетной оценки развития трещины в
реальных условиях. Однако при наличии диаграмм
статической коррозионной трещиностойкости, типа
приведенных на рис. 5 и 6, можно с определенной
консервативностью проводить отдельные характер-
ные оценки.
Например, для рассматриваемой окружной
трещины размером 2c a = 525 8 мм можно оце-
нить время ее развития от исходных размеров
(примерно 2c0 = 10 мм, a0 = 0,1 мм), когда на-
чинается ее рост по механизму водородного ох-
Рис. 4. Диаграмма статической коррозионной трещиностой-
кости трубной стали
5/2009 9
рупчивания, т. е. от KI = KISCC ≈ 12,5 МПа⋅м1/2
до KI
max ≈ 0,9KIC, хотя данные, типа приведенных
на рис. 5 и 6, полученные при кратковременных
испытаниях по методике [2], ограничиваются обыч-
но значениями на уровне KI = 30…40 МПа⋅м1/2.
Рис. 5. Диаграммы статической коррозионной трещиностойкости, полученные для трубной стали 17Г1С при кратковремен-
ных испытаниях: а — 3%-й раствор NaCl, время испытания t = 534 ч, средняя скорость роста трещины vср = 3,16 мм/год; б —
водная вытяжка чернозема, t = 265 ч, vср = 2,12 мм/год; в — водная вытяжка суглинка, t = 271 ч, vср = 3,1 мм/год; г — водная
вытяжка песчаной почвы, t = 163 ч, vср = 7,25 мм/г
Рис. 6. Диаграммы статической коррозионной трещиностойкости, полученные для трубных сталей Х60 (а, б) и 13Г1СУ (в, г)
при кратковременных испытаниях: а — 3%-й раствор NaCl, t = 449 ч, vср = 0,41 мм/год; б — водная вытяжка суглинка, t =
= 167 ч, vср = 1,84 мм/год; в — 3%-й раствор NaCl, t = 168 ч, vср = 2,24 мм/год; г — водная вытяжка суглинка, t = 134 ч,
vср = 4,2 мм/год
10 5/2009
С этой целью используем известную зависимость
[2]
da
dt = НKI
2,
(12)
где Н — постоянный коэффициент пропорцио-
нальности для данных условий, определяется при
KI > KISCC.
С учетом такого приема, интегрируя (12) во
времени от t0 (исходный размер трещины сос-
тавляет 0,1 10 мм) до t (a = 8 мм), получим
t – t0 = 1,2 год (при этом использовали экспери-
ментальные данные: KI = 25 МПа⋅м1/2 da ⁄ dt =
= 1/4 мм/год, рис. 7). Соответственно средняя
скорость роста трещины по глубине равна
6,7 мм/год. Начальная длина одиночной трещины
2c0 = 10 мм увеличивается за это время примерно
на 5…6 мм, поскольку KI(c) на поверхности тре-
щин меньше KI(a) в ее глубине [3], т. е. для
достижения трещиной критической длины 2c =
= 525 мм необходимо слияние n одиночных мак-
ротрещин с начальными размерами 2c0, где n =
= 525 ⁄ (2c0 + 6) ≈ 33 при 2с0 = 10 м, что вполне
реально.
Отметим характерную особенность роста кор-
розионных трещин, вытекающую из результатов,
полученных по методике [2] при испытаниях на
трехточечный изгиб образцов типа Шарпи с пред-
варительно выращенной усталостной трещиной
длиной около 10 мм вдоль всего фронта. По ана-
логии с циклическим нагружением [3] регистри-
руемые приращения трещины Δl (рис. 7) соот-
ветствуют равномерному распределению прира-
щения Δа вдоль всего фронта распространения
трещины. На рис. 7 такие данные приведены при
постоянном значении KI = 25 МПа⋅м1/2 за время
испытания около 168 ч, в течение которого было
зарегистрировано 17 сигналов акустической
эмиссии, т. е. каждому сигналу примерно соот-
ветствует Δa = 0,0016 мм. С учетом высокой из-
бирательности процесса роста трещины вдоль
фронта имеются все основания полагать, что в
отличие от роста усталостной трещины процесс
ее распространения проходит не одновременно
вдоль фронта, т. е. в данном случае каждому сиг-
налу в среднем соответствует приращение пло-
щади трещины ΔS = 10Δа = 0,016 мм2 при
средних ее размерах Δа > 0,0016 мм и 2Δc < 10 мм.
Однако этот вопрос требует специальных иссле-
дований.
Выводы
1. Проседание грунта в траншее под магистраль-
ным трубопроводом на длине 20…30 м является
источником дополнительных номинальных осе-
вых напряжений в стенке трубы, которые сущес-
твенно повышают склонность к образованию кор-
розионных трещин под напряжением в зоне
кольцевых соединений по сравнению с продоль-
ными.
2. Подходы механики разрушения тел с тре-
щинами и наличие соответствующих диаграмм
статической коррозионной трещиностойкости
позволяют достаточно глубоко анализировать
процесс кинетики развития указанных дефектов
во времени, что имеет большое значение для прог-
нозирования ресурса безопасной эксплуатации
магистральных трубопроводов.
1. Андрейків О. Є., Кушнір Р. М., Цирульник О. Т. Визна-
чення залишкового ресурсу труби нафтопроводу з ура-
хуванням наявних дефектів у її стінці і реальних умов
експлуатації // Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації
конструкцій, споруд та машин.— К.: ІЕЗ ім. Є. О. Пато-
на, 2006. — С. 328–331.
2. Махненко В. И., Шекера В. М., Оноприенко Е. М. Опре-
деление параметров упрощенной диаграммы статичес-
кой коррозионной трещиностойкости трубных сталей
при почвенной коррозии // Автомат. сварка. — 2008. —
№ 10. — С. 31–35.
3. Махненко В. И. Ресурс безопасной эксплуатации свар-
ных соединений и узлов современных конструкций. —
Киев: Наук. думка, 2006. — 618 с.
4. Романенко С. В. Анализ причин разрушения магистраль-
ного газопровода в поперечном направлении // Газ.
пром-сть. — 2008. — № 1. — С. 55–57.
5. Fitness-for-service: Recommended practice 579. — Washin-
gton: American Petroleum Institute, 2000. — 625 p.
The paper deals with the conditions of formation of corrosion cracks in the zone of circumferential site and longitudinal
shop butt welded joints of the main gas pipelines. Analysis of force conditions and material resistance to stress corrosion
cracking initiation and propagation up to spontaneous fracture has been performed for a specific accident case.
Поступила в редакцию 21.11.2008
Рис. 7. Приращения Δl трещины, соответствующие одному
сигналу акустической эмиссии при испытании образца из
стали типа Х60 в 3%-м растворе NaCl при KI = 25 МПа⋅м1/2
5/2009 11
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100818 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T20:29:55Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Махненко, В.И. Шекера, В.М. Великоиваненко, Е.А. Олейник, О.И. Розынка, Г.Ф. Пивторак, Н.И. 2016-05-27T08:21:02Z 2016-05-27T08:21:02Z 2009 Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов / В.И. Махненко, В.М. Шекера, Е.А. Великоиваненко, О.И. Олейник, Г.Ф. Розынка, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 5-11. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100818 621.791.052:536.453:620.169.1 Рассмотрены условия образования коррозионных трещин в зоне кольцевых монтажных и продольных заводских сварных стыков магистральных газопроводов. Для конкретного случая аварии выполнен анализ силовых условий и сопротивляемости материала образованию и развитию коррозионных трещин под напряжением вплоть до спонтанного разрушения. The paper deals with conditions causing formation of corrosion cracks within the zones of circumferential field and longitudinal factory welded joints on main gas pipelines. Described is the case study of force conditions and resistance of material to initiation and propagation of stress corrosion cracks up to a spontaneous fracture. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов Analysis of conditions causing initiation and propagation of corrosion cracks in zones of circumferential joints on main gas pipelines Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов Махненко, В.И. Шекера, В.М. Великоиваненко, Е.А. Олейник, О.И. Розынка, Г.Ф. Пивторак, Н.И. Научно-технический раздел |
| title | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов |
| title_alt | Analysis of conditions causing initiation and propagation of corrosion cracks in zones of circumferential joints on main gas pipelines |
| title_full | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов |
| title_fullStr | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов |
| title_full_unstemmed | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов |
| title_short | Анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов |
| title_sort | анализ условий возникновения и развития коррозионных трещин в зоне кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100818 |
| work_keys_str_mv | AT mahnenkovi analizusloviivozniknoveniâirazvitiâkorrozionnyhtreŝinvzonekolʹcevyhsvarnyhsoedineniimagistralʹnyhgazoprovodov AT šekeravm analizusloviivozniknoveniâirazvitiâkorrozionnyhtreŝinvzonekolʹcevyhsvarnyhsoedineniimagistralʹnyhgazoprovodov AT velikoivanenkoea analizusloviivozniknoveniâirazvitiâkorrozionnyhtreŝinvzonekolʹcevyhsvarnyhsoedineniimagistralʹnyhgazoprovodov AT oleinikoi analizusloviivozniknoveniâirazvitiâkorrozionnyhtreŝinvzonekolʹcevyhsvarnyhsoedineniimagistralʹnyhgazoprovodov AT rozynkagf analizusloviivozniknoveniâirazvitiâkorrozionnyhtreŝinvzonekolʹcevyhsvarnyhsoedineniimagistralʹnyhgazoprovodov AT pivtorakni analizusloviivozniknoveniâirazvitiâkorrozionnyhtreŝinvzonekolʹcevyhsvarnyhsoedineniimagistralʹnyhgazoprovodov AT mahnenkovi analysisofconditionscausinginitiationandpropagationofcorrosioncracksinzonesofcircumferentialjointsonmaingaspipelines AT šekeravm analysisofconditionscausinginitiationandpropagationofcorrosioncracksinzonesofcircumferentialjointsonmaingaspipelines AT velikoivanenkoea analysisofconditionscausinginitiationandpropagationofcorrosioncracksinzonesofcircumferentialjointsonmaingaspipelines AT oleinikoi analysisofconditionscausinginitiationandpropagationofcorrosioncracksinzonesofcircumferentialjointsonmaingaspipelines AT rozynkagf analysisofconditionscausinginitiationandpropagationofcorrosioncracksinzonesofcircumferentialjointsonmaingaspipelines AT pivtorakni analysisofconditionscausinginitiationandpropagationofcorrosioncracksinzonesofcircumferentialjointsonmaingaspipelines |