Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища
Запропоновано метод оцінювання довговічності трубопровідних систем з еліптичним внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища. Використано критерії механіки руйнування для аналізу дефектів, що базуються на визначенні безпечної та недопустимої глибин тріщиноподібного дефекту, а так...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2015
|
| Назва видання: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136298 |
| 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: | Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища / О.Л. Білий // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 46-50. — Бібліогр.: 8 назв. — укp. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-136298 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1362982025-02-09T11:14:17Z Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища Оценивание долговечности трубопровода с внутренним дефектом при транспортировке водородсодержащей среды Assessing life time of a pipeline with an internal defect during transportation of hydrogen-containing environment Білий, О.Л. Запропоновано метод оцінювання довговічності трубопровідних систем з еліптичним внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища. Використано критерії механіки руйнування для аналізу дефектів, що базуються на визначенні безпечної та недопустимої глибин тріщиноподібного дефекту, а також на основі показника опірності елемента конструкції росту тріщини, який характеризується швидкістю зміни коефіцієнта інтенсивності напружень біля вершини тріщини під час її росту в конструктивному елементі. Наведено приклади оцінювання довговічності живильних трубопровідних систем за внутрішнього тріщиноподібного дефекту. Предложен метод оценки долговечности трубопроводных систем с эллиптическим внутренним дефектом при транспортировке водородсодержащей среды. Использованы критерии механики разрушения для анализа существующих дефектов, которые базируются на определении безопасной и недопустимой глубин трещиноподобного дефекта, а также на основе показателя сопротивляемости элемента конструкции росту трещины, который характеризуется скоростью изменения коэффициента интенсивности напряжений у вершины трещины при ее росте в конструктивном элементе. Приведены примеры оценивания долговечности питательных трубопроводных систем при наличии внутреннего трещиноподобного дефекта. The method of the assessment of the durability of pipeline systems with an elliptical internal defect for transportation of hydrogen environment is proposed. The fracture mechanics criteria are used for analyzing existing defects, based on determination of the safe and inadmissible crack-like depths, and also on the index of structural element resistance to crack growth that is characterized by the rate variation of the stress intensity factor at the crack tip during its growth in a structural element. Examples of life time assessment of supplying pipeline systems in the presence of internal crack defect are presented. 2015 Article Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища / О.Л. Білий // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 46-50. — Бібліогр.: 8 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136298 620.191.33 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Запропоновано метод оцінювання довговічності трубопровідних систем з еліптичним внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища. Використано критерії механіки руйнування для аналізу дефектів, що базуються на визначенні безпечної та недопустимої глибин тріщиноподібного дефекту, а також на основі показника опірності елемента конструкції росту тріщини, який характеризується швидкістю зміни коефіцієнта інтенсивності напружень біля вершини тріщини під
час її росту в конструктивному елементі. Наведено приклади оцінювання довговічності живильних трубопровідних систем за внутрішнього тріщиноподібного дефекту. |
| format |
Article |
| author |
Білий, О.Л. |
| spellingShingle |
Білий, О.Л. Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Білий, О.Л. |
| author_sort |
Білий, О.Л. |
| title |
Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища |
| title_short |
Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища |
| title_full |
Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища |
| title_fullStr |
Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища |
| title_full_unstemmed |
Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища |
| title_sort |
оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136298 |
| citation_txt |
Оцінювання довговічності трубопроводу з внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища / О.Л. Білий // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 46-50. — Бібліогр.: 8 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT bílijol ocínûvannâdovgovíčnostítruboprovoduzvnutríšnímdefektomzatransportuvannâvodenʹvmísnogoseredoviŝa AT bílijol ocenivaniedolgovečnostitruboprovodasvnutrennimdefektompritransportirovkevodorodsoderžaŝejsredy AT bílijol assessinglifetimeofapipelinewithaninternaldefectduringtransportationofhydrogencontainingenvironment |
| first_indexed |
2025-11-25T21:03:59Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:03:59Z |
| _version_ |
1849797788615835648 |
| fulltext |
46
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 4. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 620.191.33
ОЦІНЮВАННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ТРУБОПРОВОДУ
З ВНУТРІШНІМ ДЕФЕКТОМ ЗА ТРАНСПОРТУВАННЯ
ВОДЕНЬВМІСНОГО СЕРЕДОВИЩА
О. Л. БІЛИЙ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Запропоновано метод оцінювання довговічності трубопровідних систем з еліптич-
ним внутрішнім дефектом за транспортування воденьвмісного середовища. Вико-
ристано критерії механіки руйнування для аналізу дефектів, що базуються на визна-
ченні безпечної та недопустимої глибин тріщиноподібного дефекту, а також на ос-
нові показника опірності елемента конструкції росту тріщини, який характеризуєть-
ся швидкістю зміни коефіцієнта інтенсивності напружень біля вершини тріщини під
час її росту в конструктивному елементі. Наведено приклади оцінювання довговіч-
ності живильних трубопровідних систем за внутрішнього тріщиноподібного дефекту.
Ключові слова: трубопровідні системи, воденьвмісні середовища, тріщиноподібні
дефекти, коефіцієнти інтенсивності напружень, показник опірності елемента
конструкції росту тріщини, пороговий і критичний розміри тріщини, довговічність
елемента конструкції.
На сьогодні доволі гостро стоїть проблема впливу воденьвмісного середови-
ща на сталеві трубопровідні системи через широке використання таких об’єктів
під час транспортування водню та воденьвмісних середовищ. За останнє десяти-
річчя помітно зросла кількість різноманітних публікацій у міжнародних та й віт-
чизняних виданнях [1–3] на цю тематику. Під час експлуатації на трубопровідні
системи впливає сумісна дія механічних навантажень і воденьвмісних середо-
вищ, що призводить до розвитку пошкоджуваності та виникненню тріщиноподіб-
них дефектів різної форми та геометрії, що збільшує ймовірність руйнування
об’єкта. Ці процеси також підсилюються через забруднення довкілля, яке спри-
чиняє появу в робочому середовищі нерегламентованих техногенних домішок та
додаткового непрогнозованого утворення тріщиноподібних дефектів у відпові-
дальних конструкціях [4, 5]. Це зумовлено погіршенням якості водопостачання
теплоелектростанцій (ТЕС), що найвідчутніше поблизу промислових центрів че-
рез потрапляння в середовище різноманітних відходів виробництва, внаслідок
чого забруднюються водоносії.
Нижче на прикладі живильних трубопроводів енергоблоків закритичного
тиску ТЕС різних типорозмірів (526×50; 467×45; 405×40 mm), виготовлених зі
сталі 16ГС, з тріщиноподібними дефектами різної конфігурації, дослідили їх без-
печну експлуатацію за впливу техногенних органічних домішок, який моделю-
ється різною об’ємною концентрацією водню в металі СН(ν) (1,97; 2,07; 2,20;
2,47 ppm). Науковим інструментарієм для дослідження пошкоджень є механіка
руйнування матеріалів [6] поряд з неруйнівними методами моніторингу об’єктів,
за допомогою яких можна зареєструвати, а потім шляхом математичного моде-
лювання відтворити конфігурацію існуючих дефектів.
Контактна особа: О. Л. БІЛИЙ, e-mail: bilorestl@gmail.com
47
Виконано [5, 6] аналіз для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень
(КІН) для трубопровідних систем, на які діє внутрішній тиск. Щоб оцінити їх
довговічність, використали насамперед аналітичні залежності для визначення
КІН KI біля вершини тріщини розміром a (глибина тріщиноподібного дефекту) у
досліджуваних елементах конструкції. Це дає змогу встановити критеріальні зна-
чення глибини тріщини: a < ath, за якого не спостерігали подальшого розвитку
тріщиноподібного дефекту та a ≥ afc, за якого є можливим спонтанне зростання
тріщини, що призведе до крихкого руйнування елемента конструкції.
Об’єкт дослідження. Досліджено
трубопроводи живильної води з внут-
рішнім тиском (p = 11,67 МPа), у стін-
ках яких трапляються внутрішні цент-
ровані еліптичні тріщини (рис. 1).
Варто зазначити, що внаслідок су-
місної дії воденьвмісного середовища та
зовнішніх чинників КІН може різко
зростати, досягаючи критичного зна-
чення суттєво швидше від очікуваного
терміну, а отже, достовірно визначити
перехід з відносно безпечної глибини
тріщини на потенційно небезпечну стає
все складніше. Тому тут пропонується
поряд з ath та afc визначати ще деяке a*,
згідно з описаним раніше [6] алгорит-
мом та співвідношенням
I( / ) ( / ) ( / )t dK da F a tσ ⋅ = . (1)
Особливість такого методу полягає в тому, що існує конкретне значення
(a/t)*, починаючи з якого різко зростає швидкість зміни КІН. Значення a*, яке від-
повідає (a/t)* розглядатимемо як характеристичне для оцінювання довговічності
трубопровідних систем із потенційними тріщиноподібними дефектами.
Аналітичні співвідношення. Розглядали кільцеву еліптичну тріщину в стінці
пустотілого циліндра (рис. 1). КІН визначали за такими співвідношеннями [7]:
IaK F a= σ π , (2)
де
2 4
1 2 3
2
; ; ;
2
1
a i
a
i
a a
M M M
p t t t
R R F
QR
R
+ +
σ = = + =
−
1,65
11 1,464 ; 1;
a
Q M
c
= + =
2 33 3
2 2
0,05 0,29
; .
0,11 0,23
M M
a a
c c
= =
+ +
Результати та їх обговорення. Згідно з експериментальними результатами,
визначені [8] константи n, C системи “матеріал–середовище”, а саме “сталь 16ГС–
воденьвмісне середовище” та Kth, Kfc, які далі будуть використані у розрахунках
(табл. 1). Тут також наведено критеріальні значення КІН для визначення безпеч-
ної та недопустимої глибин тріщиноподібного дефекту.
Рис. 1. Внутрішня центрована еліптична
тріщина в стінці труби: 2a – глибина
тріщини; 2c – ширина тріщини;
Ri – внутрішній радіус.
Fig. 1. An internal embedded elliptical crack
in a pipeline wall: 2a – crack depth;
2c – crack thickness; Ri – internal radius.
48
Таблиця 1. Параметри циклічної тріщиностійкості експлуатованого
металу живильних трубопроводів за різної об’ємної концентрації водню
в робочому середовищі
∆Kth ∆Kfc Середовище, вміст
водню в ppm
n
mm/cycle
,
(МPа m)n
С
⋅
МPа m
1,97 4,25 4,00⋅10–10 10,80 31,88
2,07 4,56 1,83⋅10–10 10,90 29,88
2,20 5,56 9,49⋅10–12 12,13 27,78
2,47 5,78 8,41⋅10–12 11,25 24,95
Згідно з цими даними і запропонованими аналітичними співвідношеннями,
для кожної з розглянутих трубопровідних систем з тріщиноподібним дефектом
a/c = 0,2, розраховані значення ath та afc, (табл. 2).
Таблиця 2. Характеристичні глибини еліптичного тріщиноподібного дефекту
в стінках трубопроводів за різної об’ємної концентрації водню
ath a* afc
Трубопровід CH(ν), ppm
mm
1,97 17,1 27,22598 40,00
2,07 17,3 27,22598 40,00
2,20 20,5 27,22598 40,00
526×50 mm
2,47 18,2 27,22598 40,00
1,97 17,19 24,50338 40,00
2,07 17,46 24,50338 40,00
2,20 20,43 24,50338 40,00
467×45 mm
2,47 18,27 24,50338 37,98
1,97 17,52 22,09281 39,6
2,07 17,76 22,09281 38,56
2,20 20,4 22,09281 37,28
405×40 mm
2,47 18,48 22,09281 35,44
На рис. 2 зображено визначене значення (a/t)* за поданим [6] алгоритмом.
На побудованій кривій залежності IdKt
da
⋅ σ
від a/t проводять дві дотичні. На їх
перетині, спроектованому на вісь, на яку накладено a/t, і буде шукане характе-
ристичне значення (a/t)*. Тут слід відмітити, що якщо числові значення a* (табл. 2)
для досліджуваних трубопровідних систем відрізняються, то значення (a/t)* для
трубопроводів 526×50; 467×45 та 405×40 mm становлять відповідно 0,54245;
0,54452; 0,55232, тобто є дуже близькі. З цього можна зробити висновок, що па-
раметр a* для наведених тріщиноподібних еліптичних дефектів у стінці трубо-
проводу суттєво залежить від співвідношення R/t.
У досліджуваному випадку добре проглядається тенденція, що якщо встанов-
лювати довговічність трубопроводу за кількістю циклів навантаження N, а саме:
49
I( )
fc
th
a
fc
a
da
N
F K
=
∆∫
або
I( )
th
a
a
da
N
F K
∗
∗ =
∆∫ , (3)
границями інтегрування яких є раніше
визначені характеристичні глибини
тріщиноподібного дефекту, то необхід-
но визначати граничне значення кіль-
кості циклів навантаження N = Nfc та
N = N*. Досягається глибина тріщино-
подібного дефекту, внаслідок якої мо-
же зруйнуватися конструктивний еле-
мент, за характеристичного значення глибини a*, оскільки воно суттєво менше
від afc, а отже, визначати довговічність конструктивного елемента будемо за
N = N*.
На рис. 3 зображено залежності кількості циклів навантаження, які можуть
призвести до початку руйнування конструктивного елемента, від об’ємної кон-
центрації водню в металі CH(ν).
Рис. 3. Залежність кількості циклів
навантаження N
*
від об’ємної
концентрації водню в металі
для різних трубопроводів:
1 – 526×50; 2 – 467×45; 3 – 405×40 mm.
Fig. 3. Dependence of a number of loading
cycles N
*
on volume concentration
of hydrogen in metal for various pipelines:
1 – 526×50; 2 – 467×45; 3 – 405×40 mm.
Як бачимо, найнесприятливішим для досліджуваних трубопровідних систем
є середовище з об’ємною концентрацією водню в металі CH(ν)= 2,2 ppm. Також
спостерігали, коли зі зростанням об’ємної концентрації водню до цього значення
характеристична кількість циклів навантаження N* спадає до мінімального зна-
чення, а потім помітний незначний ріст цього параметра в усіх розглядуваних ви-
падках. Таким чином, можна стверджувати, що під час транспортування водню
за його об’ємної концентрації в металі CH(ν)=2,2 ppm необхідний посилений конт-
роль за еліптичними тріщиноподібними дефектами в стінці трубопроводу.
ВИСНОВКИ
Запропоновано методику оцінювання довговічності трубопровідних систем з
тріщиноподібним дефектом у стінці трубопроводу за транспортування водень-
вмісних середовищ. Для оцінки довговічності визначено три характеристичні
значення глибини тріщини, причому два з них встановлено з експериментальних
результатів, а третє – з розрахункової моделі. Показано суттєву залежність пара-
метра а* від співвідношення R/t для наведених тріщиноподібних еліптичних де-
фектів у стінці трубопроводу. За результатами оцінки довговічності досліджува-
ного елемента конструкції визначено найнесприятливіше воденьвмісне середови-
ще для системи “сталь 16ГС–воденьвмісне середовище”.
Рис. 2. Визначення характеристичного
розміру тріщиноподібного дефекту (a/t)*.
Fig. 2. Determination of characteristic size
of a crack-like defect (a/t)*.
50
РЕЗЮМЕ. Предложен метод оценки долговечности трубопроводных систем с эл-
липтическим внутренним дефектом при транспортировке водородсодержащей среды. Ис-
пользованы критерии механики разрушения для анализа существующих дефектов, кото-
рые базируются на определении безопасной и недопустимой глубин трещиноподобного
дефекта, а также на основе показателя сопротивляемости элемента конструкции росту
трещины, который характеризуется скоростью изменения коэффициента интенсивности
напряжений у вершины трещины при ее росте в конструктивном элементе. Приведены
примеры оценивания долговечности питательных трубопроводных систем при наличии
внутреннего трещиноподобного дефекта.
SUMMARY. The method of the assessment of the durability of pipeline systems with an
elliptical internal defect for transportation of hydrogen environment is proposed. The fracture
mechanics criteria are used for analyzing existing defects, based on determination of the safe
and inadmissible crack-like depths, and also on the index of structural element resistance to
crack growth that is characterized by the rate variation of the stress intensity factor at the crack
tip during its growth in a structural element. Examples of life time assessment of supplying
pipeline systems in the presence of internal crack defect are presented.
1. Meng G. Z., Zhang C., and Cheng Y. F. Effects of corrosion product deposit on the subse-
quent cathodic and anodic reactions of X-70 steel in near-neutral pH solution // Corrosion
Science. – 2008. – 50. – P. 3116–3122.
2. Effects of dissolved hydrogen and elastic and plastic deformation on active dissolution of
pipeline steel in anaerobic groundwater of near-neutral pH / B. T. Lu, J. L. Luo, P. R. Nor-
ton, H.Y. Ma // Acta Materialia. – 2009. – 57. – P. 41–49.
3. Li M. C. and Cheng Y. F. Mechanistic investigation of hydrogen-enhanced anodic dissolu-
tion of X-70 pipe steel and its implication on near-neutral pH SCC of pipelines // Electrochi-
mica Acta. – 2007. – 52. – P. 8111–8117.
4. Дмитрах І. М., Панасюк В. В. Вплив корозійних середовищ на локальне руйнування
металів біля концентраторів напружень. – Львів: Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка,
1999. – 342 с.
5. Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довідн. пос. / Під 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. – К.: Академперіодика,
2005. – 378 с.
6. Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довідн. посібник / Під заг. ред. В. В. Пана-
сюка. Т. 13: Працездатність матеріалів і елементів конструкцій з гострокінцевими кон-
центраторами напружень / І. М. Дмитрах, Л. Тот, О. Л. Білий, А. М. Сиротюк. – Львів:
Сполом, 2012. – 316 с.
7. Newman J. C. and Raju I. S. Stress Intensity Factor Equations for Cracks in Three-Dimen-
sional Finite Bodies // Fracture Mechanics: Fourteenth Symp.: Vol. I: Theory and Analysis
(STP 791) / Eds.: J. C. Lewis, G. Sines. – ASTM, 1983. – P. 238–265.
8. 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, and O. L. Bilyy
// Int. J. of Fatig. – 2013. – 50. – P. 26–32.
Одержано 20.04.2015
|