Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов

Показано, что использование математических моделей, основанных на отказе от таких допущений, как прямые нормали и плоское напряженное состояние, при деформировании зоны утонения стенки трубопроводов и наличии одной локальной критической точки с экстремальными (детерминированными) условиями разруше...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2010
Автори: Махненко, В.И., Великоиваненко, Е.А., Розынка, Г.Ф., Пивторак, Н.И.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Назва видання:Автоматическая сварка
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101699
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:Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов / В.И. Махненко, Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2010. — № 5 (685). — С. 16-21. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101699
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1016992025-02-09T13:35:51Z Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов Improvement of method of assessment of risk of fracture in the zone of wall thinning in main pipelines Махненко, В.И. Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Пивторак, Н.И. Научно-технический раздел Показано, что использование математических моделей, основанных на отказе от таких допущений, как прямые нормали и плоское напряженное состояние, при деформировании зоны утонения стенки трубопроводов и наличии одной локальной критической точки с экстремальными (детерминированными) условиями разрушения позволяет выявить влияние на предельное давление особенностей внутреннего либо внешнего дефекта, а также поведение материала в интервале деформирования от начала пластического течения до разрушения. It is shown that application of mathematical models based on elimination of such assumptions as direct normals and plane stressed state at deformation of the thinning zone and presence of one local critical point with extreme (determinate) fracture conditions, allows revealing the influence of the features of inner or outer defect on limit pressure, as well as material behaviour in the deformation range from the start of plastic flow to fracture. 2010 Article Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов / В.И. Махненко, Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2010. — № 5 (685). — С. 16-21. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101699 621.791:621.643.1/.2 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
spellingShingle Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
Махненко, В.И.
Великоиваненко, Е.А.
Розынка, Г.Ф.
Пивторак, Н.И.
Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов
Автоматическая сварка
description Показано, что использование математических моделей, основанных на отказе от таких допущений, как прямые нормали и плоское напряженное состояние, при деформировании зоны утонения стенки трубопроводов и наличии одной локальной критической точки с экстремальными (детерминированными) условиями разрушения позволяет выявить влияние на предельное давление особенностей внутреннего либо внешнего дефекта, а также поведение материала в интервале деформирования от начала пластического течения до разрушения.
format Article
author Махненко, В.И.
Великоиваненко, Е.А.
Розынка, Г.Ф.
Пивторак, Н.И.
author_facet Махненко, В.И.
Великоиваненко, Е.А.
Розынка, Г.Ф.
Пивторак, Н.И.
author_sort Махненко, В.И.
title Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов
title_short Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов
title_full Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов
title_fullStr Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов
title_full_unstemmed Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов
title_sort совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate 2010
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101699
citation_txt Совершенствование метода оценки риска разрушения в зоне утонений стенки магистральных трубопроводов / В.И. Махненко, Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2010. — № 5 (685). — С. 16-21. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series Автоматическая сварка
work_keys_str_mv AT mahnenkovi soveršenstvovaniemetodaocenkiriskarazrušeniâvzoneutonenijstenkimagistralʹnyhtruboprovodov
AT velikoivanenkoea soveršenstvovaniemetodaocenkiriskarazrušeniâvzoneutonenijstenkimagistralʹnyhtruboprovodov
AT rozynkagf soveršenstvovaniemetodaocenkiriskarazrušeniâvzoneutonenijstenkimagistralʹnyhtruboprovodov
AT pivtorakni soveršenstvovaniemetodaocenkiriskarazrušeniâvzoneutonenijstenkimagistralʹnyhtruboprovodov
AT mahnenkovi improvementofmethodofassessmentofriskoffractureinthezoneofwallthinninginmainpipelines
AT velikoivanenkoea improvementofmethodofassessmentofriskoffractureinthezoneofwallthinninginmainpipelines
AT rozynkagf improvementofmethodofassessmentofriskoffractureinthezoneofwallthinninginmainpipelines
AT pivtorakni improvementofmethodofassessmentofriskoffractureinthezoneofwallthinninginmainpipelines
first_indexed 2025-11-26T06:17:49Z
last_indexed 2025-11-26T06:17:49Z
_version_ 1849832638544609280
fulltext УДК 621.791:621.643.1/.2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ РИСКА РАЗРУШЕНИЯ В ЗОНЕ УТОНЕНИЙ СТЕНКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Академик НАН Украины В. И. МАХНЕНКО, Е. А. ВЕЛИКОИВАНЕНКО, канд. физ.-мат. наук, Г. Ф. РОЗЫНКА, Н. И. ПИВТОРАК, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Показано, что использование математических моделей, основанных на отказе от таких допущений, как прямые нормали и плоское напряженное состояние, при деформировании зоны утонения стенки трубопроводов и наличии одной локальной критической точки с экстремальными (детерминированными) условиями разрушения позволяет выявить влияние на предельное давление особенностей внутреннего либо внешнего дефекта, а также поведение материала в интервале деформирования от начала пластического течения до разрушения. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварные трубопроводы, утонение стенки, риск разрушения, совершенствование метода оцен- ки, вероятность разрушения, параметры закона Вейбулла, предельное давление, наружный (внутренний) дефект уто- нения Многочисленные экспериментальные испытания и обработка аварийных разрушений современных магистральных газопроводов показывают, что разрушение металла в зоне различных утонений стенки в условиях интенсивного двухосного наг- ружения происходит при относительно невысоких пластических деформациях в этом участке (до 2,5…3,0 %). При таких деформациях основным механизмом разрушения является отрыв под дейс- твием соответствующих нормальных напряжений в очаге разрушения. Такая концепция разрушения используется и в рекомендациях [1], где для тру- бопроводов в зоне утонения в качестве критерия предельного состояния используется допустимая минимальная толщина δmin стенки трубы в зоне утонения с исходными габаритными размерами s0 вдоль образующей трубы и c0 вдоль окруж- ности, определяемая в виде δmin ≤ [δ]Rj(s0, c0, D, [δ]), (j = s, c), (1) где [δ] — расчетная допускаемая толщина трубы в данном месте в отсутствие утонения; Rj — ве- личина, зависящая от [δ], s0, c0 и диаметра трубы D [1] (0,2 ≤ Rj < 1,0). Эти рекомендации [1] достаточно хорошо ап- робированы экспериментально и признаются в ка- честве приближенного достаточно консерватив- ного подхода оценки допустимости дефектов уто- нения. При этом за пределами рассмотрения ос- таются такие факторы, как наружный либо внут- ренний дефект утонения, геометрия дефекта в пределах габаритных размеров s0, c0, (δ – δmin) = = a, свойства материала в виде сопротивления де- формированию на участке выше предела текучес- ти и до разрушения отрывом при критических деформациях порядка 2,5…3,0 %, что примерно на порядок выше таковых за пределами утонения, при которых определяется величина [δ] на стадии проектирования трубопровода. При практических оценках риска разрушения очень часто возникает вопрос стохастичности це- лого ряда геометрических данных относительно утонений, а также механических свойств мате- риала в зоне утонения после длительного срока эксплуатации. Задачей данной работы являлась разработка расчетных алгоритмов, с помощью которых при разумных затратах можно получать ответы на пе- речисленные вопросы при исследовании поведе- ния под нагрузкой различных локальных утоне- ний на трубопроводах. При этом необходимо было выбрать модель деформирования стенки трубы, не связывая ее с основными гипотезами тонкостенных оболочек (прямые нормали и плоское напряженное состо- яние), а также модель разрушения материала при относительно невысоких деформациях, когда сто- хастичность зарождения разрушения не успевает забыться за счет развитого пластического течения. Модель деформирования основана на трехмер- ном математическом описании в цилиндрической системе координат r, z, β деформирования участка стенки трубопровода (рис. 1), вырезанного коор- динатными плоскостями z = const, β = const с внут- ренним либо наружным дефектом, поверхность которого задана уравнением r = D2 – f(β, z). (2) © В. И. Махненко, Е. А. Великоиваненко, Г. Ф. Розынка, Н. И. Пивторак, 2010 16 5/2010 На граничных плоскостях (рис. 1) и поверх- ности дефекта заданы граничные условия, соот- ветствующие таковым для целой трубы без учета утонения, что вполне приемлемо при достаточно локальных габаритных размерах утонения s0 и c0. Внутри области V, ограниченной указанными граничными плоскостями и поверхностью дефек- та, имеют место классические соотношения меж- ду компонентами тензора деформаций εij и век- тором перемещений Ui в рамках теории малых упругопластических деформаций [2], т. е. εrr = ∂Ur ∂r , εββ = Ur r + ∂Uβ r∂β , εzz = ∂Uz ∂z , 2εrβ = 1r ∂Ur ∂β + r ∂ ∂r ⎛ ⎜ ⎝ Uβ r ⎞ ⎟ ⎠ , 2εzβ = ∂Uβ ∂z + ∂Uz r∂β , 2εrz = ∂Ur ∂z + ∂Uz ∂r . (3) Соотношения (3) сохраняются и для компо- нентов тензора приращений деформаций Δεij и вектора приращений перемещений ΔUi, исполь- зуемых при пластическом деформировании в рам- ках теории упругопластического течения. Компоненты тензора напряжений σij внутри области V удовлетворяют уравнениям равнове- сия, т. е. ∂ ∂r (rσrr) + 1r ∂σrβ ∂β + ∂σrz ∂z = σββ, ∂ ∂r (rσrβ) + 1r ∂σββ ∂β + ∂σβz ∂z = 0, ∂ ∂r (rσrz) + 1r ∂σzβ ∂β + ∂σzz ∂z = 0. (4) Связь между тензором напряжений и прира- щением перемещений в рамках теории упругоп- ластического течения представляется в виде dεij = d ⎡ ⎢ ⎣ ⎛ ⎜ ⎝ σij – σ 2G ⎞ ⎟ ⎠ + Kσ ⎤ ⎥ ⎦ + dλ(σij – σ), (i, j = r, z, β), (5) где dλ — скалярная функция координат, которая определяется условием текучести Мизеса с изот- ропным упрочнением, т. е. dλ = 0, если f = σэкв 2 – σs 2(ω) < 0, либо f = 0, но df < 0, dλ > 0, если f = 0 и df > 0. (6) Состояние f > 0 недопустимо. Здесь σ = 1 ⁄ 3(σrr + σββ + σzz); σэкв — эквива- лентное напряжение для тензора σij; σs(ω) — де- формирующие напряжения для данного матери- ала в зависимости от параметра деформационного упрочнения ω; ω = ∫dεэквp — параметр Одквиста; dεэкв p — приращение эквивалентной пластической деформации для тензора εij p dεij p = dλ(σij – σ). (7) Для реализации модели (2)–(4) в работе ис- пользуется метод последовательного прослежива- ния нагружения объема V возрастающей внешней нагрузкой (например, внутренним давлением P–). На каждом шаге прослеживания учет условия те- кучести (6) проводится итерационным путем [3]. Модель разрушения основана на идее вероят- ного разрушения отрывом в зоне утонения (объеме V), когда максимальные главные напря- жения σ1 в этом объеме удовлетворяют условию p = 1 – exp ⎡ ⎢ ⎣ ⎢ ⎢ –∫ V ⎛ ⎜ ⎝ σ1 – A B ⎞ ⎟ ⎠ η dV V0 ⎤ ⎥ ⎦ ⎥ ⎥ , σ1 > A. (8) Интегрирование проводится только по элемен- тарным объемам ΔV, для которых σ1 > A; A, B, η — параметры трехпараметрического закона рас- пределения Вейбулла; V0 — структурный пара- метр данной стали, при хрупком разрушении в вершине трещины V0 хр ~ (0,05 мм)3, при вязком ~h3, где h — характерный размер конечных эле- ментов, обеспечивающих достаточно точное чис- ленное решение для σ1 по модели деформирова- ния в зоне утонения (2)–(7). Иными словами, ве- личину V0 можно принимать равной ΔV в разбивке объема V (рис. 1) на конечные элементы. Осталь- ные параметры в модели (8) определяются со- поставлением расчета по моделям (2)–(7) с со- ответствующими экспериментальными данными. Наши исследования показывают, что в качестве Рис. 1. Схема участка стенки трубопровода (область V), вы- резанного координатными плоскостями z = const и β = const и дефекта утонения с габаритными размерами a, s0, c0 5/2010 17 первого приближения можно использовать реко- мендации работы [1], основанные на многочис- ленных экспериментах, т. е. выражение (1), по- лагая, что при этом вероятность разрушения p не превышает 0,05. Определенные упрощения можно сделать и в модели разрушения (8), учитывая наличие экс- тремальных плоскостей β = const и z = const, в которых нормальные напряжения σββ либо σzz близки к σ1 и в качестве объема интегрирования в (8) можно принимать слой, соответствующий β = const, толщиной ΔβR, либо z = const толщиной Δz. C учетом такого рассмотрения на основе со- ответствующих экспериментальных данных, нап- ример [1], руководствуясь принципом наиболь- шего правдоподобия (минимизации невязки по ве- роятности p) при вариации размеров утонения (s0, δmin) при заданных геометрических размерах и механических свойствах материала трубопровода определяются параметры A, B, η. Результаты та- кого подхода показывают, что достаточно хоро- шие результаты получаются при η = 4,0; A = σв + σт 2 (σв, σт — соответственно временное сопротивление и предел текучести материала в зоне утонения). Величина B при указанных выше рекоменда- циях относительно V0 легко может быть уточнена на основе модели (8). В итоге, имея для конк- ретной стали данные относительно A, B, η, раз- меров утонения различной формы, для различных геометрических параметров трубопровода и внут- реннего давления P– на основе моделей (2)–(8) можно рассчитывать вероятность разрушения. На рис. 2, 3 приведены результаты для тру- бопровода D δ = 1420 20 мм из стали 17Г1С при наличии поверхностного дефекта утонения Рис. 2. Вероятность разрушения в зоне дефекта (утонения стенки) a = 14 мм, c = 40 мм в зависимости от s и P– для наружного (а) и внутреннего (б) дефекта в трубе 1420 20 мм при σт = 440 МПа, A = 500 МПа, B = 420 МПа ( — экспериментальные данные): 1 — P– = 10; 2 — 9; 3 — 8; 4 — 7 МПа Рис. 3. Вероятность разрушения в зоне дефекта (утонения стенки) a = 10 мм, B = 830 МПа в зависимости от величин s и P– для наружного (а) и внутреннего (б) его расположения (остальные обозначения те же, что и на рис. 2) 18 5/2010 стенки, форма поверхности которого описывается в зависимости от координат z, r, β следующим уравнением второго порядка: ⎛ ⎜ ⎝ Rq – r a ⎞ ⎟ ⎠ 2 + ⎛⎜ ⎝ 2z s0 ⎞ ⎟ ⎠ 2 + ⎛⎜ ⎝ Dβ c0 ⎞ ⎟ ⎠ 2 = 1, (9) где Rq = D/2 для наружного и Rq = (D – 2δ) ⁄ 2 для внутреннего дефекта; a, s0, c0 — габаритные раз- меры дефекта, имеющего плоскости симметрии z = 0 и β = 0. Из данных на рис. 2, 3 обращает внимание различная несущая способность наружного и внутреннего дефекта утонения противостоять внутреннему давлению, а также существенное влияние глубины дефекта (величины а). Как видно из рис. 2, 3, наружный дефект от- личается более низкой сопротивляемостью внут- реннему давлению, чем внутренний. Однако это различие велико в зоне высоких вероятностей раз- рушения (p > 0,1), что для практики не очень интересно. Поэтому отсутствие дифференциации в работе [1] дефектов утонения на внутренний либо наружный, опираясь на данные для наруж- ного дефекта утонения в стенках трубопроводов, является достаточно оправданным. Тем не менее об этом факте следует помнить. Данные на рис. 3 для более мелких дефектов (а = 10 мм) по сравнению с данными на рис. 2 для глубоких дефектов (а = 14 мм) характеризу- ются меньшей стесненностью деформирования, более низкими напряжениями и соответственно меньшими вероятностями отказа, что определя- ется не только более низкими напряжениями, но Рис. 4. Влияние ширины дефекта c на вероятность разрушения p в трубе 1420 20 мм, σт = 440 МПа для различных P– и постоянных s = 66 мм при глубине дефекта: a — a = 14 мм, B = 420 МПа; б — а = 10 мм, B = 830 МПа; 1 — P– = 10; 2 — 9; 3 — 8; 4 — 7 МПа Рис. 5. Распределение окружных напряжений σββ в плоскости симметрии β = βкр при Pпред – = 10 МПа, σт = 440 МПа, a = = 14 мм, s = 66 мм, c = 40 (а) и 20 мм (б) 5/2010 19 и величиной B при постоянных A = 500 МПа и η = 4,0. Так, на основе указанного выше выбора, опирающегося на данные рекомендации [1], для а = 14 мм на рис. 2 B = 420 МПа, а для а = = 10 мм B = 830 МПа. Определенный интерес представляют данные, приведенные на рис. 4, 5, иллюстрирующие вли- яние размера c для глубокого утонения а = 14 мм при постоянной величине s = 66 мм на вероят- ность разрушения по используемой модели. Эти данные относительно малого влияния величины c дефекта утонения при достаточно больших s и c на сопротивляемость разрушению хорошо сог- ласуются с опытными данными работы [1] и дру- гих исследователей. Новым по сравнению с этим положением являются данные типа приведенных на рис. 4 при c < 20 мм (сопоставимых с толщиной стенки трубы). В этом случае канавочный дефект утонения приближается к трещине и соответс- твенно возрастает концентрация напряжений, что отражается на значении вероятности отказа. При оценке несущей способности дефектов утонения важно как распределяется нагрузка в ме- талле при пластическом деформировании, приво- дящем к снижению концентрации напряжений. На рис. 6, а приведены данные относительно влияния отношения σв/σт при постоянном зна- чении 1/2(σв + σт) = A = 500 МПа на предельное давление Pпред – в рассматриваемой трубе D δ = = 1420 20 мм при вероятности разрушения p = = 0,05 и наличии дефекта утонения глубиной a = = 10 мм, вытянутого вдоль оси s = 140 мм и вдоль окружности c = 40 мм. В зависимости от параметра упрочнения Од- квиста ω (6) использовали степенной закон уп- рочнения материала при деформировании σs (ω) = σт ⎛ ⎜ ⎝ 1 + ω ε0 ⎞ ⎟ ⎠ m , где ε0 = σт E , m = 0,14. Отношение σв/σт менялось в пределах, когда σт = 350…440 МПа при A = 500 МПа. Для труб- ных сталей такой широкий диапазон изменения σв/σт является малореальным, однако позволяет более рельефно демонстрировать условия дефор- мирования материала за пределами упругости на предельное состояние в зоне дефекта утонения. Видно, что с увеличением отношения σв/σт при постоянных A = 1/2(σв + σт) предельное давление Pпред – возрастает. Этот эффект объясняется харак- тером перераспределения нагрузки в зоне дефекта в зависимости от уровня предела текучести ма- териала σт. Чем ниже значение σт, тем более рав- номернее распределяются нормальные напряже- Рис. 6. Влияние отношения σв/σт на значение предельного давления Pпред – для трубы 1420 20 мм при наружном дефекте утонения a s c = 10 140 40 мм, B = 830 МПа и A = 500 МПа (а) и распределение напряжений σββ в сечении β = 0 в зоне дефекта 10 140 40 мм, Pпред – = 8,5 МПа, σт = 440 МПа (б); Pпред – = 11,5 МПа, σт = 350 МПа (в) 20 5/2010 ния в зоне дефекта при нагрузке, что в итоге при- водит к снижению вероятности p. На рис. 6, б, в приведены расчетные данные, подтверждающие отмеченное выше. Выводы 1. При расчетной оценке риска разрушения в зоне дефектов утонения современных магистральных газо- и нефтепроводов заслуживает внимания ис- пользование более общих подходов в описании как деформирования, так и разрушения, основан- ных на отказе от таких допущений, как прямые нормали и плоское напряженное состояние при деформировании зоны утонения и наличии одной локальной критической точки с экстремальными (детерминированными) условиями разрушения [1]. 2. Предложенный метод расчета, свободный от указанных выше допущений, позволил выявить влияние, обусловленное особенностями внутрен- него либо внешнего дефекта утонения, а также с поведением материала в интервале деформиро- вания от начала пластического течения до раз- рушения. 1. Fitness-for-service. American Petroleum Institute. Recom- mended Practice. — 2000. — 625 p. 2. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник в 3 т. — Т. 1. / Под общ. ред. И. А. Биргера, Я.Г. Пановко. — М.: Машиностроение, 1968. — 831 с. 3. Махненко В. И. Расчетные методы исследования кинети- ки сварочных напряжений и деформаций. — Киев: Наук. думка, 1976. — 318 с. It is shown that application of mathematical models based on elimination of such assumptions as direct normals and plane stressed state at deformation of the thinning zone and presence of one local critical point with extreme (determinate) fracture conditions, allows revealing the influence of the features of inner or outer defect on limit pressure, as well as material behaviour in the deformation range from the start of plastic flow to fracture. Поступила в редакцию 05.10.2009 Вышел в свет очередной выпуск журнала Weld+vision № 23 (ноябрь 2009 г.) на русском языке (издатель — «Фрониус Украина») Содержание От редактора Множество контактов формируют нашу повседневную жизнь — от биологии до технологии Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы Компетентность в проектировании TransSteel Предлагаем СМТ с улучшенными характеристиками Автономная сварка — революция в техническом обслуживании Экономный способ обучения сварке Кратко и по существу Новости от «Fronius» Практические примеры СМТ исключает 24-часовое ожидание Сварочные системы фирмы «Fronius» на швейцарской фирме-производителе грузовых вагонов О фирме Случайные контакты помогают войти в мир новых технологий Информация для путешественников Милтон Кейнс — образец пригорода Лондона Бесплатную подписку можно оформить в редакции журнала «Автоматическая сварка» 5/2010 21