Возможность использования ребер для защиты трубопроводов от распространения продольных трещин

Бара М.Х. Албагдади, Александр Олегович Чернявский

Аннотация


Наибольшие разовые экономические и экологические потери при авариях на магистральных трубопроводах связаны с появлением длинных продольных трещин, сопровождающимся разливами значительных количеств нефти, взрывами и пожарами. Современным путем для предотвращения таких трещин является использование вязких сталей, однако повышение вязкости разрушения, достигаемое за счет легирования и термообработки, ведет к существенному удорожанию труб. В качестве более дешевой альтернативы может быть рассмотрено конструктивное торможение трещин – например, с помощью локальных утолщений (ребер), расстояние между которыми лимитирует длину продольной трещины (в ряде случаев трещина длиной до 10 м является допустимой). При наличии дешевой технологии создания таких ребер ключевым вопросом является их эффективность.

Целью работы являлось построение конечно-элементной модели трубы магистрального трубопровода с трещиной для оценки возможности предотвращения развития длинных продольных трещин с помощью окружных ребер. Ребра представляют собой утолщения плавной формы. Была протестирована эффективность ребер различной толщины – в 2 и в 5 раз превышающей толщину стенки трубы. Модель включала участок трубы с трещиной, ограниченный с двух сторон ребрами, и необходимую часть трубы снаружи ребер. В качестве параметра, характеризующего распространение трещины, в первом приближении использовался коэффициент интенсивности напряжений K1, значения которого определялись численно с использованием пакета ANSYS. Расчеты показали, что при использовании ребер коэффициент интенсивности напряжений может быть значительно уменьшен, и ребра могут быть использованы для торможения (остановки) трещины.


Ключевые слова


труба (трубопровод); трещина; задержка трещины; распространение трещины; длинные трещины; коэффициент интенсивности напряжений; FEM

Полный текст:

PDF

Литература


Zhu X.-K. State-of-the-art review of fracture control technology for modern and vintage gas transmission pipelines. Engineering Fracture Mechanics, 2015, vol. 148, pp. 260–280. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.05.055

Yang Y., Shi L., Xu Z., Lu H., Chen X., Wang X. Fracture toughness of the materials in welded joint of X80 pipeline steel. Engineering Fracture Mechanics, 2015, vol. 148, pp. 337–349. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.07.061

Shin S.Y., Hwang B., Lee S., Kima N.J., Ahnc S.S. Correlation of microstructure and charpy impact properties in API X70 and X80 line-pipe steels. Materials Science and Engineering: A, 2007, vol. 458, iss. 1-2, pp. 281–289. DOI: 10.1016/j.msea.2006.12.097

Souza R.F., Ruggieri C. Fracture assessments of clad pipe girth welds incorporating improved crack driving force solutions. Engineering Fracture Mechanics, 2015, vol. 148, pp. 383–405. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.04.029

Beden S.M. Environment Effects on Fatigue Crack Growth Rate in API 5L X70 and X80 Steel Pipelines. International Journal of Engineering research and science technology, 2014, vol. 3, no. 2, pp. 333–343.

Rivalin F., Besson J., Pineau A., Fant M.D. Ductile tearing of pipeline-steel wide plates II. Modeling of in-plane crack propagation. Engineering Fracture Mechanics, 2001, vol. 68, pp. 347–364. DOI: 10.1016/S0013-7944(00)00108-9

Kryzhanivs’kyi E.I., Hrabovs’kyi R.S., Fedorovych I.Ya., Barna R.A. Evaluation of the Kinetics of Fracture of Elements of a Gas Pipeline after Operation. Materials Science, 2015, vol. 51, iss. 1, pp. 7–14. DOI: 10.1007/s11003-015-9804-1

Zhuang Z., O’donoghue P.E., The recent development of analysis methodology for rapid crack propagation and arrest in gas pipelines. International Journal of Fracture, 2000, vol. 101, iss. 3, pp. 269–290. DOI: 10.1023/A:1007614308834

Ortiz M., Pandolfi A. Finite-Deformation Irreversible Cohesive Elements for Three-Dimensional Crack-Propagation Analysis. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1999, vol. 44, is. 9, pp. 1267-1282. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0207(19990330)44:9<1267::AID-NME486>3.0.CO;2-7

O’donoghueand P.E., Zhuang Z. A finite element model for crack arrestor design in gas pipelines. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1999, vol. 22, iss. 1, pp. 59–66. DOI: 10.1046/j.1460-2695.1999.00139.x

Shabalov I.P., Solov’ev D.M., Filippov G.A., Livanova O.V. Mechanical Properties of a Pipe Workpiece at the Stages of JCOE Pipe Forming. Russian Metallurgy (Metally), 2015, vol. 2015, iss. 4, pp. 309–316. DOI: 10.1134/S003602951504014X

Makino H., Kubo T., Shiwaku T., Endo S., Inoue T., Kawaguchi Y., Matsumoto Y., Machida S. Prediction for Crack Propagation and Arrest of Shear Fracture in Ultra-high Pressure Natural Gas Pipelines. ISIJ International, 2001, vol. 41, no. 4, pp. 381–388. DOI: 10.2355/isijinternational.41.381

Ibrahim R.A. Overview of Structural Life Assessment and Reliability, Part V: Joints

and Weldments. Journal of Ship Production and Design, 2016, vol. 32, no. 1, pp. 1–20. DOI: 10.5957/JSPD.32.1.130025-5

Mitsuya M., Motohashi H., Oguchi N., Aihara S. Calculation of Dynamic Stress Intensity Factors for Pipes During Crack Propagation by Dynamic Finite Element Analysis. J. Pressure Vessel Technol., 2013, vol. 136, iss. 1. DOI: 10.1115/1.4025617

Murtagian G.R., Ernst H.A. Dynamic axial crack propagation in steel line pipes. Part II: Theoretical developments. Engineering Fracture Mechanics, 2005, vol. 72, iss. 16, pp. 2535–2548. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2005.03.004

Glushkov S.V., Skvortsov Yu.V. Fracture Mechanics Analysis of Cylindrical Panels with Non-Through Cracks. Russian Aeronautics, 2014, vol. 57, iss. 3, pp. 240–244. DOI: 10.3103/S1068799814030040

Elboujdaini M., Fang B., Eadie R. Canadian Experience in SCC of Pipelines and Its Remedies. Recent Progress in SCC of Pipelines in Near-Neutral pH Environment. Integrity of Pipelines Transporting Hydrocarbons. Springer Netherlands, 2011, vol. 1, ch. 8, pp. 99–114. DOI: 10.1007/978-94-007-0588-3_8

Kucheryavyi V.I., Mil’kov S.N. Statistical Modeling of the Residual Life of an Oil and Gas Pipeline with Axial Crack-Like Defects. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2014, vol. 43, iss. 1, pp. 82–87. DOI: 10.3103/S1052618814010117

Matvienko Yu.G. A Damage Evolution Approach in Fracture Mechanics of Pipelines. Integrity of Pipelines Transporting Hydrocarbons of the NATO Science for Peace and Security Ser. C: Environmental Security, 2011, vol. 1, pp. 227–244. DOI: 10.1007/978-94-007-0588-3_15

Huang H.-S. Fracture Characteristics Analysis of Pressured Pipeline with Crack Using Boundary Element Method. Advances in Materials Science and Engineering, 2015, vol. 2015, 13 p. DOI: 10.1155/2015/508630

Hari Manoj Simha C. A model for arrest of rapid cracks in gas-pressurized ductile steel line pipe. Engineering Fracture Mechanics, 2016, vol. 154, pp. 245–261. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.12.009

Yu M., Chen W., Kania R., Boven G.V., Been J. Crack propagation of pipeline steel exposed to a near-neutral pH environment under variable pressure fluctuations. International Journal of Fatigue, 2016, vol. 82, pp. 658–666. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.09.024




DOI: http://dx.doi.org/10.14529/engin160302

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.