Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ

Узагальнено сучасні методи оцінки міцності та ризику руйнування елементів трубопровідних конструкцій за підходами механіки руйнування матеріалів із урахуванням особливостей впливу водневовмісних середовищ. Розроблено методологію та встановлено характеристичні значення концентрації водню в металі зал...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Фізико-хімічна механіка матеріалів
Дата:	2014
Автори:	Сиротюк, А.М., Дмитрах, І.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2014
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135913
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:	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ / А.М. Сиротюк, І.М. Дмитрах // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 4. — С. 7-17. — Бібліогр.: 22 назв. — укp.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859614051244441600
author	Сиротюк, А.М. Дмитрах, І.М.
author_facet	Сиротюк, А.М. Дмитрах, І.М.
citation_txt	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ / А.М. Сиротюк, І.М. Дмитрах // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 4. — С. 7-17. — Бібліогр.: 22 назв. — укp.
collection	DSpace DC
container_title	Фізико-хімічна механіка матеріалів
description	Узагальнено сучасні методи оцінки міцності та ризику руйнування елементів трубопровідних конструкцій за підходами механіки руйнування матеріалів із урахуванням особливостей впливу водневовмісних середовищ. Розроблено методологію та встановлено характеристичні значення концентрації водню в металі залежно від прикладених напружень та фізико-хімічних умов наводнювання. На цій основі запропоновані нові методи оцінювання міцності трубопровідних сталей за дії робочих водневовмісних середовищ. Обобщены современные методы оценки прочности и риска разрушения элементов трубопроводных конструкций за подходами механики разрушения материалов с учетом особенностей влияния водородосодержащих сред. Разработана методология и установлены характеристические значения концентрации водорода в металле в зависимости от приложенных напряжений и физико-химических условий наводороживания. Предложены новые методы оценки прочности трубопроводных сталей при воздействии рабочих водородосодержащих сред. The modern methods for strength and fracture risk assessment of pipeline structures are generalized on the base of fracture mechanics approaches and with account of specific influence of hydrogen-containing environments. The methodology was developed and the characteristic values of hydrogen concentration in the metal, depending on the applied stresses and physico-chemical conditions of hydrogenation, were established. On this basis the new methods for assessing the strength of the pipeline steels in hydrogen-containing environments were proposed.
first_indexed	2025-11-28T17:28:14Z
format	Article
fulltext	7 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 4. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 620.191.33 МЕТОДИ ОЦІНЮВАННЯ РУЙНУВАННЯ ТА МІЦНОСТІ ТРУБОПРОВІДНИХ СТАЛЕЙ ТА КОНСТРУКЦІЙ ЗА ДІЇ РОБОЧИХ СЕРЕДОВИЩ. Ч. ІI. ВПЛИВ ВОДНЕВОВМІСНИХ СЕРЕДОВИЩ А. М. СИРОТЮК, І. М. ДМИТРАХ Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів Узагальнено сучасні методи оцінки міцності та ризику руйнування елементів трубо- провідних конструкцій за підходами механіки руйнування матеріалів із урахуванням особливостей впливу водневовмісних середовищ. Розроблено методологію та вста- новлено характеристичні значення концентрації водню в металі залежно від прикла- дених напружень та фізико-хімічних умов наводнювання. На цій основі запропоно- вані нові методи оцінювання міцності трубопровідних сталей за дії робочих водне- вовмісних середовищ. Ключові слова: трубопровідні конструкції; низьколеговані сталі; водневовмісні се- редовища; статичні та циклічні навантаження; наводнюваність металу і кон- центрація водню: водневе окрихчення. На сьогодні загальновідомий факт різноманітності впливу водню на меха- нічні властивості конструкційних металів і сплавів залежно від класу матеріалів, а також умов їх наводнювання. Це підтверджують численні літературні дані (див. наприклад, [1–3]). Однак, не дивлячись на це, все ще відсутні достатньо повні уявлення про весь спектр фізичних механізмів дифузії водню в метал, його кон- центрації біля зон підвищеної напруженості в металі і руйнування металів за цих умов. Тому важливо встановити вплив водню в металі на міцність та роботоздат- ність конструкційних сталей за їх статичного та циклічного навантаження у вод- невовмісних середовищах. В останні роки у співпраці з іншими науковими колективами комплексно досліджували [4–8] низку низьколегованих сталей, які є найбільш типовими для систем транспортування водневовмісних середовищ. Зокрема, вивчали трубопро- відні сталі класу АРІ: X52; X70 та X100, а також феритно-перлітні сталі 20 та 16ГС, які також використовують для виготовлення трубопроводів. Випробовува- ли в умовах електролітичного наводнювання металу у спеціальному водному розчині NS4, що є найбільш загальноприйнятним та ефективним методом [4–6, 9–12]. Зауважимо, що під час наводнювання зразки були навантажені. Рівень на- вантаження відповідав номінальному напруженню розтягу  = exp , яке виникає в стінці труби під час її експлуатації з внутрішнім тиском pexp = 7 MPa. Для ви- значення об’ємної концентрації водню в матеріалі застосовували модифіковані електрохімічні підходи [4–6, 12, 13], що ґрунтуються на вивченні окиснення на- водненого металу [14]. Нижче подано узагальнені результати цих досліджень. Оцінювання схильності до наводнювання трубопровідних сталей. Ви- значення середньої об’ємної концентрації водню в матеріалі CH залежно від часу дії середовища τ та прикладених механічних напружень exp має принципово важливе значення для подальшого дослідження його міцності та довговічності в умовах тривалої експлуатації у водневовмісних середовищах. Контактна особа: А. М. СИРОТЮК, e-mail: syrotyuk@ipm.lviv.ua 8 Для цих сталей ефективність проникнення водню достатньо низька та зале- жить від тривалості наводнювання [4, 15]. Тут характерні немонотонні залежно- сті концентрації CH від часу наводнювання τ (рис. 1). Досягнувши максимуму, концентрація водню в металі з часом зменшується, і час H(max)C неоднаковий для різних сталей. Під час наводнювання ненавантажених зразків ( = 0) значення CH (max) досягається в такій послідовності: X100 – X70 – X52 (рис. 1a), а для на- вантажених ( = exp): X70 – X52 – X100 (рис. 1b). Значення CH (max) та H(max)C на- ведено в табл. 1. Рис. 1. Концентрація водню в металі залежно від часу наводнювання для ненавантажених (a) та навантажених (b) зразків зі сталей X52 (1); X70 (2) та X100 (3). Fig. 1. Hydrogen concentration in metal depending on hydrogenation time for non-loaded (a) and loaded (b) X52 (1), X70 (2) and X100 (3) steel specimens. Таблиця 1. Максимальна концентрація водню CH(max) та відповідний час її досягнення CH(max) Ненавантажений метал ( = 0) Під напруженням ( = exp) Сталь H(max)C , 106 mol/cm3 CH(max) , h H(max)C , 106 mol/cm3 CH(max) , h H(max) H(max) stressed unloaded C C X52 0,895 66 5,924 101 6,62 X70 0,665 17 2,133 64 3,21 X100 0,747 3 2,136 136,5 2,86 У діапазоні H(max)C   інтенсивність абсорбції водню сталями можна оціни- ти за нахилом кривих CH = f (τ). Ненавантажені зразки зі сталі Х52 мають най- нижчу початкову швидкість поглинання водню, а зі сталі Х100 – найвищу. На- вантаженим зразкам зі сталі Х70 властива найвища початкова швидкість абсорб- ції водню. З іншого боку, час досягнення максимуму його концентрації найкорот- ший для ненавантаженої Х100 та навантаженої Х70 сталей. Наведені результати свідчать про відмінність процесів на межі поділу “сере- довище–поверхня металу” для різних сталей, що спричинено їх мікроструктурни- ми особливостями та хімічним складом [4–6, 15, 16], а також про суттєву різни- цю значень CH (max) (табл. 1). Загалом така тенденція є очікуваною і відомою в лі- тературі, однак одержані нами дані мають практичну цінність, оскільки відтво- рюють вплив експлуатаційних напружень для розглянутих типорозмірів труб, 9 коли заданий внутрішній тиск. Встановлено, що абсорбція водню у сталі Х52 найчутливіша до прикладення напружень. Тут величина CH (max) зростає більш ніж у шість разів порівняно із ненавантаженим металом. Цей факт слід врахову- вати, розробляючи ефективні методи оцінювання роботоздатності трубопроводів транспортування водню чи водневовмісних середовищ. На нашу думку, певну умовну порівняльну оцінку схильності до наводню- вання цих сталей слід робити в діапазоні max0     , коли деякий час ще збері- гається первісний (“virgin”) стан поверхні металу. В таких умовах найефективні- ше поглинає водень сталь Х100. Цей факт важливий, коли досліджувати навод- нювання металу зі свіжої поверхні, наприклад, під час розвитку дефектів типу тріщин. Тоді в сталі Х100 слід очікувати суттєве пришвидшення розвитку трі- щин. Для тривалої витримки, тобто для діапазону H(max)C   , зростання концен- трації водню у металі залежно від часу експозиції зразків в умовах наводнювання можна описати степеневою залежністю [6, 15] 6 3 H 10 [mol/cm ]mC A     , (1) де А і m – константи системи “матеріал–середовище” (табл. 2). Таблиця 2. Значення констант у залежності (1) Ненавантажений метал ( = 0) Під напруженням ( = exp) Сталь A m A m X52 0,253 0,24 0,30 0,57 X70 0,049 0,67 0,40 0,42 X100 0,200 0,19 0,80 0,13 За схильністю до наводнювання за цих умов досліджені сталі можна розміс- тити у такий ряд: Х52 – Х70 – Х100 (табл. 3). Тобто їх здатність поглинати во- день слабшає за переходу від перлітно-феритної структури (X52) до структури полігонального фериту (X70), а відтак – до феритно-бейнітної (X100). Таблиця 3 . Концентрація водню в сталях залежно від їх механічних властивостей (τ = 200 h) Y U Сталь MPa CH , 106 mol/cm3 X52 410 528 6,14 X70 590 712 3,70 X100 866 890 1,59 Результат порівняльної оцінки схильності до наводнювання сталей X52, X70 та X100 ілюструє рис. 2. Як бачимо, різниця між значеннями CH (max) для ненаван- таженого металу практично відсутня, хоча дещо більша для сталі Х52, ніж для сталей Х70 та Х100. Однак при  = exp опір наводнюванню сталі Х52 суттєво падає, а сталі Х70 та Х100 приблизно однаково опираються поглинанню водню, хоча сталь Х100 – дещо сильніше. Отже, опірність до наводнювання сталей зни- жується зі зменшенням границі текучості матеріалу. Слід відзначити, що викладені результати одержані в умовах, дуже близьких до реальних, що робить їх придатними для розроблення критеріїв оцінювання міцності та роботоздатності трубопроводів. 10 Рис. 2. Залежність максимальної концентрації водню в сталях X52, X70, X100 від їх границі текучості Y : 1 –  = 0; 2 –  = exp . Fig. 2. Dependence of maximal hydrogen concentration in X52, X70, X100 steels on their yield stress Y : 1 –  = 0; 2 –  = exp . Вплив водню на руйнування та локальну міцність сталей біля дефектів – концентраторів напружень. Щоб забезпечити довготривалу міцність та оціни- ти ризик руйнування систем транспортування водню, принципово важливо ви- значити локальні характеристики міцності матеріалів біля модельних дефектів – концентраторів напружень у присутності водню. Ефективною характеристикою матеріалу вважають [5, 15] роботу його локального руйнування біля надрізу за різної концентрації водню в об’ємі. На цій основі для заданої системи “матеріал–середовище” будують від- повідні діаграми “робота локального руйнування–концентрація водню”. Ре- зультати для них одержують експери- ментально так. Зразки із дефектами – концентраторами напружень після ви- тримки в заданих умовах наводню- вання впродовж часу τ (коли досяга- ється об’ємна концентрація водню CH (τ) в металі) випробовують до руй- нування за монотонно зростального статичного навантаження. Під час до- сліджень за допомогою комп’ютера одночасно реєструють діаграму “на- вантаження–переміщення” та сигнали акустичної емісії (АЕ), що виникають під час деформування зразка. Початок локального руйнування встановлю- ють за методом АЕ [5, 15]. З діаграми “навантаження–переміщення” визначають (рис. 3) роботу початку локального руйнування матеріалу біля концентратора напружень Ui , а також загальну роботу руйнування зразка з таким концентратором Uf [5, 15]: 0 ( ) i iU P d      , (2) 0 ( ) f fU P d      . (3) Концентрацію водню в металі CH визначали за формулою (1) (табл. 4). Рис. 3. Схема визначення параметрів Ui та Uf : 1 – початок руйнування (за сигналом АЕ); 2 – руйнування зразка. Fig. 3. Scheme of determination of parameters Ui and Uf : 1 – start of fracture (according to AE-signal); 2 – fracture of specimen. 11 Таблиця 4. Значення параметрів Ui та Uf для сталей за умов їх наводнювання впродовж часу τ Ui Uf τ, h Nm CH , 106 mol/cm3 Сталь X52 0 27,23 226,47 0 46 32,12 170,84 2,660 101 26,57 126,33 4,165 118 15,53 132,98 4,551 167,3 10,47 124,90 5,553 Сталь X70 0 17,64 145,46 0 24 12,68 136,26 1,52 64 6,88 142,62 2,294 114,5 11,41 135,59 2,929 190 15,25 129,00 3,623 Сталь X100 0 119,00 318,00 0 29 114,75 312,63 1,239 96 102,86 296,78 1,448 136,5 64,29 258,46 1,516 169 12,72 241,77 1,558 Отже (рис. 4), існує деякий критичний час наводнювання сталей, коли дося- гається відповідна критична концентрація * HC , внаслідок чого суттєво знижуєть- ся їх опір руйнуванню. Її значення встановили за залежностями Ui = f (CH) та Uf = f (CH). Слід зауважити, що вони збігаються (табл. 5), тому що параметр Uf можна вважати характеристичним для цього класу сталей за вказаних фізико- хімічних умов наводнювання. Рис. 4. Залежність параметрів Ui (а) та Uf (b) для сталей Х52 (1), Х70 (2) та Х100 (3) від часу наводнювання зразків. Fig. 4. Dependence of parameters Ui (a) and Uf (b) for Х52 (1), Х70 (2) and Х100 (3) steels on hydrogenation time of specimens. 12 Таким чином, величину HC з-поміж інших важливих інженерних параметрів мож- на рекомендувати для оцінки надійності та довговічності трубопроводів транспорту- вання водню, виготовлених зі сталей Х52, Х70 та Х100. Ви- користовуючи її, порівняльно оцінювали вплив водню на локальну міцність сталей біля концентраторів напружень. Зазначимо, що термін “критична концентрація” часто вживають у водневому матеріалознавстві, однак фізичний його зміст у різних працях різний. Тут – це така концентрація водню в металі, за досягнення якої локальний опір матеріалу руйнуванню біля надрізу суттєво втрачається. Порівняльна оцінка параметра HC для досліджуваних сталей виявила таке. Існує тенденція монотонного його пониження зі зростанням границь текучості Y чи міцності U матеріалу (рис. 5). Ці закономірності можна описати степеневими функціями типу [5] 1 1 H ( )n Y A C   , (4) 2 2 H ( )n U A C   , (5) де А1, А2, n1, n2 – деякі константи властивостей матеріалу та умов випробувань. Тут слід зазначити, що для вказаних сталей стандартне середньоквадратичне відхилення високе (R2 = 0,98…0,99), що свідчить про достовірність опису одержа- них результатів за допомогою співвідношень (4) і (5): 1 H 1( ) constn YC A     , (6) 2 H 2( ) constn UC A     . (7) Тобто існує певна критична комбінація параметрів HC та Y (або U). Рис. 5. Залежність критичної концентрації водню * HC у металі від границь текучості Y та міцності U : 1 – * HC = 106(U)–2,0212; R2 = 0,9994; 2 – * HC = 19486(Y) –1,4058; R2 = 0,9848. Fig. 5. Dependence of critical hydrogen concentration * HC in metal on yield stress Y and ultimate stress U : 1 – * HC = 106(U)–2.0212; R2 = 0.9994; 2 – * HC = 19486(Y) –1.4058; R2 = 0.9848. Таблиця 5. Оцінка критичної концентрації водню HC для трубопровідних сталей * HC , 106 mol/cm3 Сталь за значеннями Ui за значеннями Uf X52 4,3 4,3 X70 2,3 2,3 X100 1,5 1,5 13 Для цього класу сталей у першому наближенні можна вважати, що H 2 1 U C   . (8) Залежність (8) можна рекомендувати для інженерних оцінок під час вибору марки трубопровідної сталі на початкових етапах проектування нових трубопро- водів або заміни зношених ділянок існуючих. Оцінка концентрації водню біля тріщиноподібних дефектів та визначен- ня циклічної тріщиностійкості матеріалів у водневовмісних середовищах. Наведені вище результати обмежені визначенням опору руйнуванню сталевих зразків з концентраторами напружень, які моделюють механічні дефекти типу надрізів, подряпин та вм’ятин, з заокругленою вершиною. Для глибшого розу- міння впливу водню на довговічність конструктивних елементів водневої енерге- тичної інфраструктури у реальних експлуатаційних умовах необхідні також дані про поширення тріщин, яке інтенсифікує водень, оскільки, наприклад, відомі ви- падки порушення суцільності трубопроводів в результаті субкритичного підро- стання тріщиноподібних дефектів [17, 18]. Для цього спільно із ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України виконали комплекс фізико-механічних досліджень [7, 8] для експериментального встановлення взає- мозв’язку між об’ємною концентрацією водню в металі і локальною біля верши- ни гострих концентраторів напружень – тріщин, а також параметрами, що харак- теризують розвиток тріщини в низьколегованій трубопровідній сталі 16ГС за циклічного навантаження у наводнювальних середовищах різного складу. Щоб визначити концентрацію водню біля вершини тріщини, використали спеціальний метод локального мас-спектрального аналізу з лазерним мікрозон- дом [7, 8], а процедура досліджень була така. Під час досягнення тріщиною у циклічно деформованому наводненому зразку певної довжини а випробовування зупиняли і визначали локальну концентрацію водню в околі її вершини. При цьо- му сканували, починаючи з віддалі 0,1 mm від вершини тріщини в напрямку її поширення і в напрямку, перпендикулярному до площини поширення. Виявили, що для обох напрямків сканування концентрація водню в металі різко знижуєть- ся з віддаленням від вершини тріщини і прямує до певного значення, що відпові- дає концентрації в об’ємі металу за даних умов випробувань (рис. 6). Рис. 6. Розподіл локальної концентрації водню біля вершини втомної тріщини різної довжини а в низьколегованій сталі 16ГС (об’ємна концентрація водню в металі CH (v) = 1,97 ppm; сканування в напрямку, перпендикулярному до площини поширення тріщини на віддалі 0,1 мм від її вершини):  – a = 3,18 mm;  – 4,78;  – 7,53;  – 8,58;  – 9,98;  – 12,53 mm. Fig. 6. Examples of local hydrogen distribution at the tip of fatigue crack of different length a in low-alloyed 16ГС steel (hydrogen concentration in bulk of metal CH (v) = 1.97 ppm; scanning in perpendicular direction to the crack propagation plane at the distance of 0.1 mm from the crack tip):  – a = 3.18 mm;  – 4.78;  – 7.53;  – 8.58;  – 9.98;  – 12.53 mm. За результатами цих випроб для п’яти різних значень об’ємної концентрації водню CH(v) в сталі 16ГС встановили [7] залежності між швидкістю росту втомної 14 тріщини da/dN та розмахом коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) K в її вершині; між локальною концентрацією водню біля вершини втомної тріщини CH(t) та розмахом КІН K; між локальною концентрацією водню біля вершини втомної тріщини CH(t) та швидкістю її росту в сталі da/dN. Рис. 7. Взаємозв’язок між швидкістю росту тріщини, локальною концентрацією водню у її вершині, середньою його концентрацією в об’ємі металу та КІН (сталь 16ГС, f = 1 Hz, R = 0, H2O + HCOOH, пряму описує залежність (9)):  – CH(v) = 1,97 ppm;  – 2,07;  – 2,20;  – 2,47;  – 2,68. Fig. 7. Relationship between crack growth rate, local hydrogen concentration at the crack tip, hydrogen concentration in the metal bulk and stress intensity factor (steel 16ГС, f = 1 Hz, R = 0, H2O + HCOOH, line is described by dependence (9)):  – CH(v) = 1.97 ppm;  – 2.07;  – 2.20;  – 2.47;  – 2.68. Результати досліджень узагальнили у вигляді діаграми (рис. 7), яка пов’язує у подвійній логарифмічній системі координат величини (da/dN)/(CH(t) / CH(v)) та ΔK і вказує на лінійну залежність між ними. При цьому середньоквадратичне відхилення r2 експериментальних даних від аналітичної прямої досить суттєве і становить 0,98. Необхідно відзначити, що діаграма єдина для всіх п’яти значень (див. рис. 7) об’ємної концентрації водню CH(v) у цій сталі. Враховуючи це, швидкість росту втомної тріщини da/dN в низьколегованих трубопровідних сталях в умовах наводнювання подали [7] як функцію локальної концентрації водню біля вершини тріщини, концентрації водню в об’ємі металу і розмаху КІН, що зумовлений зовнішнім навантаженням:  H( ) I H( ) mt v Cda A K dN C           , (9) де величини CH (v) і CH (t) задовольняють умови H( ) H( ) H( )0;v t vC C C  . (10) Залежність (9) є важливим результатом фізико-хімічної механіки матеріалів для визначення та прогнозування довговічності металевих конструкцій у водне- вовмісних середовищах. Оцінювання роботоздатності та ризику руйнування трубопроводів в умовах дії водневовмісних середовищ. Одержані результати можуть послужити основою для експертних оцінок надійності та продовження експлуатації трубо- провідних систем із виявленими дефектами. Використовуючи залежність (22), а також результати експериментів [7], розраховували локальну концентрацію вод- ню біля вершини тріщини CH(t) за різного його вмісту в об’ємі металу CH(v) та різ- ної швидкості da/dN розвитку тріщини. За основу брали спрощену діаграму цик- лічної тріщиностійкості матеріалів для трубопровідних сталей для різних умов наводнювання (рис. 8). Встановили значення порогового Kth та критичного Kfc 15 КІН від концентрації CH(v) . Тріщиноподібні дефекти у стінці трубопроводу з вну- трішнім діаметром d та товщиною стінки t моделювали півеліптичною тріщиною із розмірами півосей a та c [17]. Рис. 8. Діаграма циклічної тріщиностій- кості трубопровідних сталей у воднево- вмісних середовищах; суцільна лінія описується залежністю (9), 6/ 10 mm/cycleth da dN K K    ; 2/ 10 mm/cyclefc da dN K K    . Fig. 8. Schematic presentation of fatigue crack growth diagram for pipeline steels in hydrogen-containing environments; solid line is described by (9), 6/ 10 mm/cycleth da dN K K    ; 2/ 10 mm/cyclefc da dN K K    . Побудували також залежності порогової глибини півеліптичного дефекту cth та критичної глибини тріщини cfc для трубопроводу із розмірами D = 610 mm, t = 11 mm від середньої концентрації водню в об’ємі металу труби CH(v) (рис. 9). Ці діаграми можна розглядати як базові для оцінювання роботоздатності та ри- зику руйнування трубопроводу за конкретних умов його експлуатації, а також для диференційованої оцінки впливу на довговічність конструкції розмірів вияв- лених дефектів залежно від стану матеріалу трубопроводу (ступеня його навод- нювання). Рис. 9. Вплив об’ємної концентрації водню в металі на критичні розміри дефектів cth (a) та cfc (b) у трубопроводі з перерізом D = 610 mm, t = 11 mm: 1, 1 – c / a = 0,01; 2, 2 – 0,1; 3, 3 – 0,4; 4, 4 – 0,8. Fig. 9. Influence of hydrogen concentration in the bulk of metal on the critical sizes of defects cth (a) and cfc (b) in the pipeline with cross-section D = 610 mm, t = 11 mm: 1, 1 – c / a = 0.01; 2, 2 – 0.1; 3, 3 – 0.4; 4, 4 – 0.8. За одержаними результатами розробили комп’ютерну експертну програму для оцінювання роботоздатності та подальшої безпечної експлуатації дефектних трубопроводів, за якою можна зробити експертний висновок про ризик руйну- вання конструкції [17, 19, 20–22]. 16 ВИСНОВКИ Узагальнено сучасні методи оцінки міцності та ризику руйнування елемен- тів трубопровідних конструкцій за підходами механіки руйнування матеріалів із урахуванням особливостей впливу водневовмісних середовищ. Розроблено мето- дологію та встановлено характеристичні значення концентрації водню в металі залежно від прикладених напружень та фізико-хімічних умов наводнювання. Виявлено деяку критичну концентрацію водню в металі, яка спричиняє суттєву втрату матеріалом опору локальному руйнуванню, і встановлено її значення для низьколегованих трубопровідних сталей. Цю характеристичну величину з-поміж інших важливих інженерних параметрів можна рекомендувати для оцінки надій- ності та довговічності трубопроводів транспортування водню. З використанням підходів механіки руйнування запропоновано та обґрунтовано критерії оцінки безпечної експлуатації трубопроводу з тріщиноподібними дефектами у воднево- вмісному робочому середовищі різного складу. Встановлено вплив об’ємної кон- центрації водню в металі трубопроводу з тріщиноподібними дефектами на його міцність та тріщиностійкість. РЕЗЮМЕ. Обобщены современные методы оценки прочности и риска разрушения элементов трубопроводных конструкций за подходами механики разрушения материалов с учетом особенностей влияния водородосодержащих сред. Разработана методология и установлены характеристические значения концентрации водорода в металле в зависи- мости от приложенных напряжений и физико-химических условий наводороживания. Предложены новые методы оценки прочности трубопроводных сталей при воздействии рабочих водородосодержащих сред. SUMMARY. The modern methods for strength and fracture risk assessment of pipeline structures are generalized on the base of fracture mechanics approaches and with account of specific influence of hydrogen-containing environments. The methodology was developed and the characteristic values of hydrogen concentration in the metal, depending on the applied stres- ses and physico-chemical conditions of hydrogenation, were established. On this basis the new methods for assessing the strength of the pipeline steels in hydrogen-containing environments were proposed. 1. Hanneken J.W. Hydrogen in metals and other materials: a comprehensive reference to books, bibliographies, workshops and conferences // Int. J. of Hydrogen Energy. – 1999. – 24, № 10. – P. 1005–1026. 2. Effects of Hydrogen on Materials: Proceedings of the 2008 International Hydrogen Confe- rence / Ed. by Brian Somerday, Petros Sofronis, Russell Jones. – Ohio (USA): ASM Int., Materials Park, 2009. – 766 p. 3. Carter T. J. and Cornish L. A. Hydrogen in metals // Engng. Failure Analysis. – 2001. – 8, № 2. – P. 113–121. 4. Capelle J., Dmytrakh I., and Pluvinage G. Comparative assessment of electrochemical hydrogen absorption by pipeline steels with different strength // Corr. Sci. – 2010. – 52, № 5. – P. 1554–1559. 5. The effect of hydrogen concentration on fracture of pipeline steels in presence of a notch / J. Capelle, J. Gilgert, I. Dmytrakh et al. // Eng. Fract. Mech. – 2011. – 78, № 2. – P. 364–373. 6. Sensitivity of pipelines with steel API X52 to hydrogen embrittlement / J. Capelle, J. Gilgert, I. Dmytrakh et al. // Int. J. of Hydrogen Energy. – 2008. – 33, № 24. – P. 7630–7641. 7. Relationship between fatigue crack growth behaviour and local hydrogen concentration near crack tip in pipeline steel / I. M. Dmytrakh, O. D. Smiyan, A. M. Syrotyuk et al. // Int. J. of Fatigue. – 2013. – 50. – P. 26–32. 8. Dmytrakh I. M., Smiyan O. D., and Syrotyuk A. M. Experimental study of fatigue crack growth in pipeline steel under hydrogenating conditions [Електронний ресурс] // Fracture of Materials and Structures from Micro to Macro Scale: 18th European Conf. on Fracture (ECF-18), 30.08–03.09.2010: Dresden (Germany): DVM, 2010. 9. Cheng Y. F. and Niu L. Mechanism for hydrogen evolution reaction on pipeline steel in near- neutral pH solution // Electrochemistry Communications. – 2007. – 9, № 4. – P. 558–562. 17 10. Cheng Y. F. Fundamentals of hydrogen evolution reaction and its implications on near- neutral pH stress corrosion cracking of pipelines // Electrochimica Acta. – 2007. – 52, № 7. – P. 2661–2667. 11. Hydrogen entry into pipeline steel under freely corroding conditions in two corroding media / S. Dey, A. K. Mandhyan, S. K. Sondhi et al. // Cor. Sci. – 2006. – 48, № 9. – P. 2676–2688. 12. Вплив об’ємної концентрації водню в металі на особливості деформування низьколего- ваної трубопровідної сталі / І. М. Дмитрах, Р. Л. Лещак, А. М. Сиротюк та ін. // Фіз.- хім. механіка матеріалів. – 2014. – 50, № 2. – C. 16–23. 13. Методика для досліджень особливостей взаємодії деформованих поверхонь металу трубопроводів з воденьвмісними середовищами / І. М. Дмитрах, А. М. Сиротюк, Р. Л. Лещак та ін. // Наук. вісник Івано-Франк. нац. техн. ун-ту нафти та газу. – 2013. – 35, № 2. – С. 144–154. 14. Yan M. and Weng Y. Study on hydrogen absorption of pipeline steel under cathodic charging // Cor. Sci. – 2006. – 48, № 2. – P. 432–444. 15. Проблеми міцності матеріалів для систем транспортування водню / І. М. Дмитрах, Г. М. Никифорчин, А. М. Сиротюк та ін. // Фундаментальні проблеми водневої енерге- тики / За ред. В. Д. Походенка, В. В. Скорохода, Ю. М. Солоніна. – К.: КІМ, 2010. – С. 309–323. 16. Порівняльні дослідження руйнування труб під тиском газоподібного водню та чистого метану / І. М. Дмитрах, А. М. Сиротюк, О. Л. Лутицький та ін. // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. – 2013. – 49, № 4. – С. 34–44. 17. Оцінка ризику руйнування та запобігання виникненню аварійних ситуацій у парогене- руючих системах енергоблоків ТЕС за присутності техногенних органічних домішок у теплоносії / І. М. Дмитрах, О. Л. Білий, А. М. Сиротюк та ін. // Цільова комплексна програма НАН України “Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, спо- руд та машин”: Зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2007–2009 рр. / Наук. кер. Б. Є. Патон. – К.: Ін-т електрозварювання ім. Є. О. Патона, 2009. – С. 109–114. 18. Механіка руйнування та міцність матеріалів: Довідн. пос. / За заг. ред. В. В. Панасюка. Т. 7: Надійність та довговічність елементів конструкцій теплоенергетичного устатку- вання / І. М. Дмитрах, А. Б. Вайнман, М. Г. Стащук, Л. Тот / За ред. І. М. Дмитраха. – К.: Академперіодика, 2005. – 378 с. 19. Створення сучасних методів технічної діагностики працездатності систем пароводя- ного тракту енергоблоків ТЕС / І. М. Дмитрах, А. М. Сиротюк, Б. П. Русин та ін. // Ці- льова комплексна програма НАН України “Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин”: Зб. наук. статей за результатами, отриманими в 2004– 2006 рр. / Наук. кер. Б. Є. Патон. – К.: Ін-т електрозварювання ім. Є. О. Патона, 2006. – С. 128–132. 20. До проблеми технічної діагностики та оцінювання ризику руйнування дефектних тру- бопровідних систем тривалої експлуатації / Б. П. Русин, А. М. Сиротюк, О. В. Капшій та ін. // Неруйнівний контроль та технічна діагностика: Сьома нац. наук.-техн. конф. і вист., 20–23 лист. 2012 р. – К.: УТ НКТД, 2012. – С. 423–427. 21. Механіка руйнування та міцність матеріалів: Довідн. пос. / За заг. ред. В. В. Панасюка. Т. 13: Працездатність матеріалів і елементів конструкцій з гострокінцевими концен- траторами напружень / І. М. Дмитрах, Л. Тот, О. Л. Білий та ін. / За ред. В. В. Панасю- ка. – Львів: Сполом, 2012. – 316 с. 22. Syrotyuk A. M. Expert system for the service damage assessment of materials in energetic [Електронний ресурс] // Safety, Reliability and Risk of Engineering Plants and Compo- nents: 1st Hungarian-Ukrainian Joint Conference, 11–12 April 2006: Bay Zoltan Institute for Logistics and Production Systems, Miskolc (Hungary): presentation. – Режим доступу: http://www.part.bzlogi.hu/uh_download.html. Одержано 18.12.2013
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135913
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0430-6252
language	Ukrainian
last_indexed	2025-11-28T17:28:14Z
publishDate	2014
publisher	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
record_format	dspace
spelling	Сиротюк, А.М. Дмитрах, І.М. 2018-06-15T16:26:06Z 2018-06-15T16:26:06Z 2014 Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ / А.М. Сиротюк, І.М. Дмитрах // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 4. — С. 7-17. — Бібліогр.: 22 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135913 620.191.33 Узагальнено сучасні методи оцінки міцності та ризику руйнування елементів трубопровідних конструкцій за підходами механіки руйнування матеріалів із урахуванням особливостей впливу водневовмісних середовищ. Розроблено методологію та встановлено характеристичні значення концентрації водню в металі залежно від прикладених напружень та фізико-хімічних умов наводнювання. На цій основі запропоновані нові методи оцінювання міцності трубопровідних сталей за дії робочих водневовмісних середовищ. Обобщены современные методы оценки прочности и риска разрушения элементов трубопроводных конструкций за подходами механики разрушения материалов с учетом особенностей влияния водородосодержащих сред. Разработана методология и установлены характеристические значения концентрации водорода в металле в зависимости от приложенных напряжений и физико-химических условий наводороживания. Предложены новые методы оценки прочности трубопроводных сталей при воздействии рабочих водородосодержащих сред. The modern methods for strength and fracture risk assessment of pipeline structures are generalized on the base of fracture mechanics approaches and with account of specific influence of hydrogen-containing environments. The methodology was developed and the characteristic values of hydrogen concentration in the metal, depending on the applied stresses and physico-chemical conditions of hydrogenation, were established. On this basis the new methods for assessing the strength of the pipeline steels in hydrogen-containing environments were proposed. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ Методы оценки разрушения и прочности трубопроводных сталей и конструкций под воздействием рабочих сред. Ч. ІІ. Влияние водородосодержащих сред Methods for assessing fracture and strength of pipeline steels and structures under effect of operating environments. P. ІІ. The influence of hydrogen-containing environments Article published earlier
spellingShingle	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ Сиротюк, А.М. Дмитрах, І.М.
title	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ
title_alt	Методы оценки разрушения и прочности трубопроводных сталей и конструкций под воздействием рабочих сред. Ч. ІІ. Влияние водородосодержащих сред Methods for assessing fracture and strength of pipeline steels and structures under effect of operating environments. P. ІІ. The influence of hydrogen-containing environments
title_full	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ
title_fullStr	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ
title_full_unstemmed	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ
title_short	Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ
title_sort	методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. ч. іі. вплив водневовмісних середовищ
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135913
work_keys_str_mv	AT sirotûkam metodiocínûvannâruinuvannâtamícnostítruboprovídnihstaleitakonstrukcíizadíírobočihseredoviŝčíívplivvodnevovmísnihseredoviŝ AT dmitrahím metodiocínûvannâruinuvannâtamícnostítruboprovídnihstaleitakonstrukcíizadíírobočihseredoviŝčíívplivvodnevovmísnihseredoviŝ AT sirotûkam metodyocenkirazrušeniâipročnostitruboprovodnyhstaleiikonstrukciipodvozdeistviemrabočihsredčíívliânievodorodosoderžaŝihsred AT dmitrahím metodyocenkirazrušeniâipročnostitruboprovodnyhstaleiikonstrukciipodvozdeistviemrabočihsredčíívliânievodorodosoderžaŝihsred AT sirotûkam methodsforassessingfractureandstrengthofpipelinesteelsandstructuresundereffectofoperatingenvironmentspíítheinfluenceofhydrogencontainingenvironments AT dmitrahím methodsforassessingfractureandstrengthofpipelinesteelsandstructuresundereffectofoperatingenvironmentspíítheinfluenceofhydrogencontainingenvironments

Методи оцінювання руйнування та міцності трубопровідних сталей та конструкцій за дії робочих середовищ. Ч. ІІ. Вплив водневовмісних середовищ

Репозитарії

Схожі ресурси