Повышение сопротивления магистральных трубопроводов распространению продольных трещин за счет использования ребер тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат наук Албагдади Бара Мохсен Хоссеин

• Албагдади Бара Мохсен Хоссеин
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Албагдади Бара Мохсен Хоссеин

Введение

1 Разрушение труб магистральных трубопроводов:

механизмы, последствия, способы борьбы

1. 1 Механизмы разрушения и возможные последствия

1.2 Методы анализа прочности и разрушения трубопроводов

1.3 Существующие способы повышения прочности и надежности трубопроводов

1.4 Ребра как возможные тормоза трещин

1.5 Задачи данной работы

2 Предварительные оценки

2.1 Сравнительные оценки коэффициентов интенсивности напряжений у трещин в гладких трубах и трубах с ребрами

2.2 Возможное влияние остаточных напряжений

2.3 Недостатки оценок, использующих линейную механику разрушения

3 Учет динамического характера разрушения

3.1 Расчетная схема и МКЭ-модель

3.2 Описание разрушения

3.3 Влияние скорости нагружения

3.4 Результаты моделирования

4 Учет взаимодействия трубы и содержимого (жидкости)

4.1 Расчетная схема и МКЭ-модель

4.2 Результаты моделирования

4.3 Трудности экспериментальной проверки

Заключение

Литература

Введение

Трубопроводный транспорт для транспортировки нефти и газа является одним из критически важных элементов инфраструктуры как в России [4, 5], так и во многих других государствах. Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов требует соответствующих затрат. В то же время длина магистральных трубопроводов велика (в России общая протяженность магистральных трубопроводов двух ведущих компаний -«Газпром» и «Транснефть» - превышает 230 тысяч километров), поэтому вопросы стоимости труб и экономической эффективности становятся первостепенными. Постоянно растущие требования по объемам перекачки нефти и газа с одной стороны и требования безопасности с другой являются противоречивыми. Поэтому, несмотря на то, что трубопроводный транспорт развивается в течение очень длительного времени, работы в этой области постоянно продолжаются.

Работы эти носят комплексный характер и включают решение вопросов металлургии (создания сталей с требуемыми свойствами), технологии производства труб (прокатка, формовка, сварка), технологии монтажа (включая анализ допустимых погрешностей типа смещения кромок при сварке и т.п.), методов контроля (для вновь созданных трубопроводов и для трубопроводов, находящихся в эксплуатации) и прогноза прочности на основе данных контроля, методов ремонта.

Настоящая работа посвящена одному из аспектов обеспечения прочности трубопроводов - предотвращению наиболее тяжелых аварий, связанных с распространением продольных трещин большой длины. Основным способом борьбы с такими трещинами является обеспечение высокой вязкости материала, достигаемое применением легированных сталей. Однако легирование существенно увеличивает стоимость труб. Кроме того, для того, чтобы увеличить давление и, следовательно, пропускную способность

трубопроводов, применяются стали все более высоких классов прочности, а повышение прочности нередко сопровождается снижением пластичности и вязкости.

Тяжесть последствий аварии зависит от длины трещины, существующие стандарты на испытания требуют ограничения длины трещины длиной одной трубы (25 м для магистральных газопроводов) - такие трещины считаются еще приемлемыми. Это позволяет попытаться создать конструктивные «ловушки» или «тормоза» для трещин, ограничивающие их длину. Если такие ловушки смогут достаточно эффективно останавливать трещины и в то же время окажутся достаточно дешевы, чтобы размещать их на каждой трубе, то требования по ограничению длин возможных трещин будут удовлетворены. Работа посвящена расчетному анализу эффективности одного из конструктивных вариантов таких «ловушек» - кольцевых ребер на трубах.

Степень разработанности темы исследования

В разработку проблемы предотвращения развития трещин в трубопроводах значительный вклад внесли Абакумов А.И., Алексеев А.А., Будилов И.Н., Буклешев Д.О., Глушков С.В., Гумеров А.К., Гумеров К.М., Жернаков В.С., Зайнуллин Р.С., Кушнаренко В.М., Лисин Ю.В., Макаров Г.И., Маркочев В.М., Матвиенко Ю.Г., Морозов Е.М., Мурзаханов Г.Х., Мусаев С.Д., Неганов Д.А., Полуян Л.В., Пышминцев И.Ю., Салганик В.М., Суриков В.И., Тимашев С.А., Фридлянд Я.М., Хажинский Г.М., Харионовский В.В., Харисов Р.А., Харисов Р.А., Чикишев Д.Н., Higuchi R., Kalwa C., Makino H., Mondry A., Nonn A., Scheider I., Takahashi H., Takeuchi I., Völling A. и др. Однако, несмотря на значительные усилия и успехи в этой области, требование повышения рабочих давлений и использования более прочных (нередко менее пластичных) сталей делают задачу борьбы с протяженными разрушениями по-прежнему актуальной.

В качестве возможного способа борьбы с протяженным разрушением рассматривается формирование кольцевых ребер (утолщений) на трубах. Технология формирования таких ребер была разработана в Челябинском политехническом институте О.Ф.Чернявским и А.В.Ильиным. Ребра создаются за счет циклических теплосмен путем некоторого укорочения трубы. Технология не требует механических воздействий и дорогого оборудования; она значительно дешевле, чем повышение вязкости материала трубы за счет легирования или применение отдельно монтируемых муфт. Однако эффективность таких ребер в смысле возможности предотвращения протяженного разрушения ранее не исследовалась.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение сопротивления магистральных трубопроводов распространению продольных трещин за счет использования ребер»

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка методики и выполнение расчетной оценки эффективности применения ребер для снижения опасности разрушения магистральных трубопроводов путем образования трещин большой длины. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Выполнить оценку возможной эффективности ребер с использованием подходов линейной механики разрушения для случаев квазихрупкого разрушения (трубы из материалов высоких классов прочности с пониженной вязкостью разрушения и большой толщиной стенки, при низкой температуре) и как предварительную оценку для хрупко-вязкого разрушения;

2. Для случая хрупко-вязкого разрушения разработать методику расчета развития протяженной трещины в трубопроводе с учетом сил инерции, пластичности, сложного напряженного состояния, высоких скоростей нагружения, падения давления вследствие течи через раскрывающуюся трещину;

3. Выполнить оценку эффективности ребер технологически достижимых размеров.

Научная новизна работы заключается в

- создании методики расчетной оценки сопротивления труб распространению продольных трещин, отличающейся от существующих одновременным учетом ряда факторов: с одной стороны - особенностей хрупко-вязкого разрушения в зоне трещины, с другой стороны - динамики распространения трещины в трубе, заполненной жидкостью или газом;

- выполнении оценок прочности для новой, не рассматривавшейся ранее конструкции, с учетом как изменений формы, так и возможности управления технологическими остаточными напряжениями в конструкции.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретическая значимость работы обоснована тем, что

- применительно к проблематике диссертации эффективно (т.е. с получением обладающих новизной результатов) использован комплекс существующих численных методов. Разработанный подход позволил преодолеть ограничения существующих методов, рассматривающих отдельные стороны задачи;

- изучены возможности нового, не рассматривавшегося ранее, способа торможения магистральных трещин в трубопроводах за счет одновременного использования изменения формы конструкции (ребра) и благоприятных остаточных напряжений.

Практическая значимость работы заключается в том, что

- определена возможная эффективность предлагаемого метода торможения трещин. Доказано, что для трубопроводов, заполненных жидкостью (нефтепроводы), эта эффективность выше, чем для трубопроводов, заполненных газом;

- разработана методика определения параметров, описывающих хрупко-вязкое разрушение в пакетах программ, не использующих напрямую критерии механики разрушения.

Методы исследования

Исследование проведено путем расчетного моделирования процесса в динамической нелинейной постановке, в том числе - с учетом взаимодействия твердотельной конструкции с жидкостью.

Положения, выносимые на защиту

- сопоставление коэффициентов интенсивности напряжений у вершин трещины в трубе со стенкой постоянной толщины и трубе с ребрами;

- методика задания критерия разрушения при описании развития трещины и невозможности напрямую использовать критериальные величины механики разрушения;

- результаты моделирования, демонстрирующие, что тормозящая роль ребер будет проявляться в случае, когда волна снижения давления в жидкости (вызванного раскрытием трещины) обгонит трещину, распространяющуюся через ребро.

Степень достоверности результатов работы

Достоверность результатов, содержащихся в диссертационной работе, определяется использованием апробированных методов математического моделирования и реализующих их сертифицированных пакетов программ, анализом результатов моделирования и влияния особенностей и параметров моделей на эти результаты, сравнением с известными экспериментальными данными, апробацией результатов путем публикации в рецензируемых журналах.

Публикации и апробация работы

Результаты работы опубликованы в 3 статьях в журналах, входящих в список ВАК, и докладывались на конференциях аспирантов и докторантов Южно-Уральского государственного университета, ученом совете Научно-

инженерного центра «Надежность и ресурс больших систем и машин» Уральского отделения РАН.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 83 листа машинописного текста. Работа содержит 35 иллюстраций. Список литературы содержит 89 наименований.

1 Разрушение труб магистральных трубопроводов: механизмы,

последствия, способы борьбы

1.1 Механизмы разрушения и возможные последствия

Газо- и нефтепроводы является одной из критических инфраструктур, обеспечение надежной работы которых является важнейшей проблемой [4, 5]. Аварии на магистральных трубопроводах приводят к серьезным последствиям для людей, экологии и крупным экономическим потерям. Так, Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору России, сообщает, что за 2015 год потери от аварий на магистральных нефтепроводах составили 37,5 млрд. руб. (по данным, опубликованным на официальном сайте службы: http://gosnadzor.ru/industrial/oil/lessons/).

О разрушении трубопровода говорят в том случае, когда он теряет герметичность. Повреждения, не приводящие к нарушению герметичности, не рассматриваются как разрушение. К таким повреждениям относятся, например, вмятины и изгиб трубопровода вследствие смещения грунта или изменения положения трубопровода в грунте (всплытие в грунтах с высоким содержанием воды, сейсмические перемещения грунта и др.). Эти повреждения фиксируются и рассматриваются как факторы, способствующие разрушению вследствие появления высоких напряжений.

Разрушение с потерей герметичности может происходить вследствие различных причин и по разным механизмам [4, 29, 15, 68, 44]. К ним относятся: • Коррозия, которая обычно рассматривается с точки зрения потери металла трубы. Выделяют общую и местную - язвенную - коррозию. С точки зрения возможности потери герметичности трубы обычно рассматривают вязкое разрушение вблизи коррозионных дефектов. При этом в расчетах используют номинальные свойства материала, т.е. считают, что эти свойства мало меняются вблизи очага коррозии. Утонение стенки учитывают различными

формулами, в которые входит объем потерянного металла и форма дефекта, а также прочностные характеристики материала [18, 8, 23, 36, 37, 35]. Последствием местной коррозии обычно является локальный дефект (свищ), который относительно легко локализуется и ремонтируется путем замены небольшого поврежденного участка трубопровода или установки ремонтных муфт [30, 16].

Борьба с коррозией рассматривается как один из важнейших факторов для трубопроводов, но не из-за больших последствий и сложности ремонта одного дефекта (одного разрушения), а из-за многочисленности этих дефектов.

• Коррозия под напряжением (стресс-коррозия). Сочетание агрессивной среды и высоких нагрузок может приводить к специфическому механизму разрушения: появлению целых полей мелких приповерхностных трещин, которые могут затем объединяться и приводить к появлению магистральной трещины. Такое разрушение характерно в случае повреждения изоляции трубопровода и наличия коррозионно-активной внешней среды (например, при прокладке трубопровода в болотистой местности), либо в случае коррозионно-активной среды внутри трубопровода (например, в трубопроводах, транспортирующих газ и нефть с высоким содержанием воды и соединений серы - от месторождений к перерабатывающим заводам). Этот вид разрушения более сложен для ремонта, чем первый, вследствие большой протяженности, т.е. необходимости замены больших участков трубопровода. Кроме того, он более опасен: объединение трещин стресс-коррозии в магистральную может приводить к взрывной разгерметизации с большими разливами нефти и газовыми пожарами.

• Накопление усталостных повреждений и появление трещин усталости. Обычно не характерно для магистральных трубопроводов, но может проявляться вблизи компрессорных станций, где есть повышенные пульсации давления и вибрации от работающих компрессоров. Изгибные

колебания трубопроводов могут приводить к появлению кольцевых трещин и так называемому «гильотинному разрыву» трубопроводов, т.е. полной разгерметизации. Ситуация облегчается тем, что надземные трубопроводы вблизи компрессоров удобны для контроля. • Деформации трубопровода, в частности вмятины, как было сказано, не являются непосредственно разрушением. Однако сочетание вмятин с задирами (царапинами, появляющимися, например, вследствие непрофессиональных действий строителей трубопровода) рассматривается как один из важных факторов, часто приводящих к появлению длинных трещин и разгерметизации - особенно в сочетании со стресс-коррозией.

Авторы ряда работ обсуждают изменение механических характеристик материалов трубопроводов в зависимости от условий - среды и времени эксплуатации [9, 28, 20, 12]. Особенно актуально это для трубопроводов, транспортирующих среды с повышенной агрессивностью - например, газ или нефть с высоким содержанием серы от месторождений к предприятиям по переработке (очистке) [6, 11, 25]. Следует учитывать также снижение вязкости разрушения и повышение склонности материала к хрупкому разрушению в условиях низких температур, характерных для северной части России и Аляски, горных местностей [22, 57]. Обсуждается также начальная (после производства) механическая неоднородность материала трубы (проявляющаяся в неоднородности распределения характеристик прочности и пластичности, ударной вязкости, скорости старения, сопротивления зарождению и распространению трещин), связанная с особенностями технологии производства [69].

С точки зрения последствий наиболее тяжелыми являются аварии с образованием длинных трещин, потому что они приводят к большим объемам утечки нефти или крупномасштабным пожарам и, соответственно, большим экономическим потерям и в некоторых случаях - последствиями для населения (рис.1.1, рис.1.2, [88]).

Рис. 1.1 Пример аварии: главный газопровод «Уренгой-Новопсков». Разрушение трубы 1420 мм с утечкой и воспламенением газа. (08.08.2016, http://gosnadzor.ru/industrial/oil/lessons/)

Рис. 1.2. Длинная трещина в

Существует ряд катастрофических случаев, когда трещины в магистральных трубопроводах распространяются быстрыми темпами на несколько километров - см., например, [89].

Важность анализа протяженных - сопровождающихся тяжелыми последствиями - разрушений подтверждается тем, что средний ущерб от одного несчастного случая в последние годы увеличивается на 15-20% в год, что указывает на увеличение доли тяжелых аварий, в частности, аварий с длинными трещинами (при этом, по данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору России, средний ущерб от одной аварии на магистральных трубопроводах в 2016 году составил 37,5 млн. рублей). Таким образом, актуальной является задача локализации разрушения, т.е. ограничения его последствий. Для этого трещина, возникшая в трубопроводе, должна останавливаться, не достигая катастрофических размеров. Понятие «катастрофический» здесь зависит от допустимых потерь, и поэтому будет совершенно разным для магистральных трубопроводов в безлюдной местности и, например, заводских трубопроводов. В настоящее время для магистральных трубопроводов в качестве допустимой рассматривается длина трещины до 25 м (см., например, стандарт на испытания [26]), что обеспечивает остановку трещины в пределах одной трубы и ограничивает стоимость ремонта.

Актуальность вопроса предотвращения катастрофического разрушения повышается в связи с большой длительностью эксплуатации трубопроводов (возможность постепенного подрастания дефектов и изменения свойств материала). В течение длительной эксплуатации (более половины российских трубопроводов к настоящему времени эксплуатируются 30 и более лет, практика эксплуатации в течение 3 и более десятилетий естественна для таких дорогих конструкций) накапливаются различные трещиноподобные дефекты, которые могут привести к разрушению труб [47, 64]. Риск разрушения повышается при эксплуатации в условиях низких климатических температур

(типичные условия для ряда магистральных трубопроводов), деформационном старении стали и деградации ее пластичности и вязкости [68]. Еще одним фактором риска является стремление повышать давление для увеличения пропускной способности (создание так называемых «ultra-high pressure pipelines») - см., например, [75].

1.2 Методы анализа прочности и разрушения трубопроводов

Способность труб сопротивляться трещинам проверяется экспериментальным и расчетным путем. К экспериментальным методам относятся исследования свойств материала и испытания натурных трубопроводов. Исследованиям свойств материала - прочности, пластичности, трещиностойкости, их изменению со временем и в присутствии коррозионной среды, свойствам основного металла трубы и сварных соединений - посвящено большое число работ (см., например, [88, 52, 43, 83, 38 и др.]). Гораздо меньше публикаций об испытаниях труб, в особенности труб большого диаметра для магистральных трубопроводов. Такие испытания требуют, помимо соответствующего измерительного и нагружающего оборудования, создания специальных полигонов, обеспечивающих безопасность людей и оборудования при разрушении трубы, нагруженной внутренним давлением. Но даже в этом случае методики испытаний обычно нацелены на предотвращение катастрофического разрушения с длинными трещинами: нагружение производится жидкостью, а не газом; обеспечивается быстрый сброс давления при появлении течи - см., например, [21]. Испытания с возможностью образования длинных трещин проводятся по стандарту [26], однако информация о результатах этих испытаний имеет большую коммерческую ценность и не публикуется в открытой печати.

Моделирование распространения трещины в трубопроводе критически важно для оценки безопасности трубопроводов [39, 41 и т.д.]. Простейшим способом такого моделирования является определение параметров механики

14

разрушения в квазистатической формулировке. Решение этой задачи (в линейной или нелинейной формулировке с расчетом коэффициента интенсивности напряжений, /-интеграла, CTOD, CTOA и т.д.) позволяет предсказать начало распространения трещины от данного повреждения трубы -трещины, очага коррозии или коррозионного растрескивания под напряжением [50, 46, 40, 79]. Однако эта формулировка консервативна: для длинных трещин такие расчеты предсказывают стабилизацию КИН или /-интеграла в зависимости от длины трещины, но уровень стабилизации обычно намного выше, чем свойства материала трубы. Таким образом, квазистатическое решение неспособно описать остановку трещины (crack arrest) и может использоваться только для прогнозирования ее страгивания. В то же время полное исключение наличия трещиноподобных дефектов и развития трещин при практической эксплуатации магистрального трубопровода невозможно, и для оценки безопасности трубопровода необходимо описать кинетику трещин, включая их возможную остановку.

Численное моделирование распространения трещин в трубопроводах выполняется сейчас методом конечных элементов, в последнее время этому посвящено значительное число работ [72, 34, 65 и др.]. При этом собственно разрушение моделируется либо разрывом связей (на заложенной заранее траектории трещины), либо удалением из расчета элементов, в которых выполняется критерий разрушения. Наличие разных подходов связано со сложностью процесса разрушения пластичного материала.

Большое количество работ посвящено технологии расчета параметров, ответственных за рост трещины [42, 71, 65]. Многообразие наблюдаемых явлений приводит к использованию целого ряда различных подходов и критериев: в нелинейной механике разрушения применяются как K¡ (с соответствующими поправками - например, KIQ), так и /-интеграл, CTOD, CTOA, Charpi test, DWTT и др. [61, 77, 78, 7]. Отметим и смежные работы -например, расчет параметров механики разрушения для трещин в

цилиндрических панелях летательных аппаратов - как гладких, так и подкрепленных ребрами [53].

Наличие ряда подходов (отсутствие единого универсального) обусловлено различными особенностями проблемы, по-разному проявляющимися в разных ситуациях. С одной стороны, длинные трещины в конструкциях, где номинальные напряжения находятся в пределах упругости (не превышают 0,7-0,75% предела текучести), должны описываться с помощью линейной механики разрушения и Кс. С другой стороны, использование вязких сталей требует учета нелинейности и использования критериев СТОБ, СТОА [78], /-интеграла или даже просто ресурса пластичности с учетом типа напряженного состояния вблизи вершины трещины [45, 2], Кроме того, желание использовать толстостенные трубы из высокопрочных материалов, а также условия низких температур (север России, Аляска) [87, 3] снова «сдвигает» ситуацию в направлении хрупкого разрушения и обусловливает использование DWTT [84]. Существуют различные варианты 2-параметрических критериев, которые учитывают влияние пластичности на сопротивление продвижению трещин (предел трещиностойкости Ке, ^-кривая) [51, 24].

Описание динамического распространения длинных трещин еще больше увеличивает сложность проблемы. При высоких скоростях деформации (в связи с высокой скоростью роста трещины) необходим учет зависимости свойств материала от скорости деформации, учет сил инерции, учет возможного изменения нагрузок при росте трещины - падения давления вблизи трещины вследствие разгерметизации трубы и появления течи. Основным инструментом для численного моделирования здесь является метод конечных элементов - см., например, [60]. Существует множество вариантов описания роста трещины: удаление конечных элементов, разрушение связей (изменение граничных условий или использование специальных элементов с изменяемой «когезией»), введение специальных элементов с точным описанием поля напряжений вблизи

вершины трещины (активно развиваемый в настоящее время подход, по-видимому, одно из первых изложений его приведено в работе [70]). Сравнительное описание методов можно найти в [82]. Анализ быстрого распространения трещины (RCP - Rapid Crack Propagation) и ее остановки в газопроводах с учетом взаимодействия конструкции с заполняющей ее средой рассмотрены в [89] с использованием специализированного пакета программ PFRAC. Динамический рост трещин описан также в [74, 89] с использованием специально разработанных трехмерных конечных элементов, учитывающих конечные деформации и необратимые изменения при потере когезии (описываемой с помощью набора различных правил). В работе [42] рассмотрено применение метода конечных элементов для расчета коэффициентов интенсивности напряжений при распространении трещины в трубе - с учетом сил инерции, т.е. в динамической постановке. Этот подход позволяет отказаться от упрощений, используемых в аналитических расчетах, и непосредственно рассчитать коэффициенты интенсивности напряжений с учетом сил инерции и декомпрессии (падения давления в трубе вследствие течи через раскрывающуюся трещину). В работе [71] для описания распространения динамической трещины предложено уравнение, выведенное с прямым использованием законов сохранения (традиционные конечно-элементные формулировки опираются на опосредованные положения, формулируемые в виде вариационных принципов). Расчетным путем предсказаны зависимости длины трещины от времени и характеристик динамического разрушения материала; оценены, в частности, предельная скорость трещин в трубопроводе и условия для получения «течи перед разрушением».

Моделирование кинетики трещин требует решения ряда вопросов. Во-первых, в численную модель должны быть включены инерционные силы, а также пластичность и зависимость свойств материала от скорости деформации. Это можно сделать с использованием соответствующего кода конечных элементов, например LS-DYNA [66]. Во-вторых, необходимо учитывать

декомпрессию - падение давления в трубе из-за раскрытия трещины и течи. Снижение давления уменьшает силу, движущую трещину, и может привести к остановке последней (crack arrest) - [59, 41]. Для трещин с небольшим раскрытием скорость течи и, соответственно, падение давления, может существенно зависеть от шероховатости поверхности трещины, ряд работ посвящены этому вопросу [76, 58 и т.д.]. Однако, если раскрытие трещины достаточно велико (см., например, фотографии в [67]), влияние шероховатости поверхности трещины становится незначительным. В этом случае можно использовать упрощенный подход: грани трещины принимаются плоскими и совпадают с границами конечных элементов. Это позволяет использовать, например, LS-DYNA Lagrange-Eulerian solver для моделирования течи и декомпрессии вместе с учетом динамики стенки трубы. Очевидно, что декомпрессия зависит от свойств среды и отличается для труб, заполненных жидкостью и газом - [54]. Некоторые работы [33] рассматривают изменения давления, вызванные вскипанием жидкости в трубе при декомпрессии, но для нефти этот фактор незначителен и не будет обсуждаться ниже.

Существует ряд методов конечно-элементного моделирования этой задачи. Например, процедура коррекции граничных условий на берегах трещины с учетом кривых сопротивления распространению трещины в образце с надрезом и в трубе представлена [40] (граничные условия на берегах трещины и перед ней на линии ее распространения задаются с помощью набора «пружин» со специальными свойствами) Авторы [48, 49] для описания разрушения использовали модифицированный адаптивный когезионный элемент в LS-DYNA. В XFEM-методе [84] используются специальные элементы с расширенными функциями формы для моделирования трещин, располагающихся не на границах конечных элементов.

Имеются также комбинированные экспериментально-численные методы. Так например, в работе [63] предложен численно-экспериментальный метод для оценки условий разрушения газопроводов, включающий численно-

аналитический подход к оценке кинетики размеров и формы дефектов коррозионной усталости, интерпретацию экспериментальных результатов и определение условий, при которых катастрофические отказы труб становятся возможными после долгой эксплуатации. Экспериментально продемонстрирована эффективность разработанного подхода, т.е. достаточная точность оценок кинетики размеров и формы дефектов коррозионной усталости при их распространении в стенке трубопровода, а также возможность оценки условий возникновения катастрофических отказов трубопроводов после долгой эксплуатации.

1.3 Существующие способы повышения прочности и надежности

трубопроводов

Для предотвращения появления и развития трещин сталь, используемая для магистральных трубопроводов, должна соответствовать требованиям к прочности и трещиностойкости [80, 81], что обусловливает соответствующие ограничения на технологию производства труб (см., например, [32, 75]) и их удорожание. Для выполнения требований стандарта по остановке трещин (исключению появления трещин с длиной больше определенной) материал должен обладать определенной пластичностью и вязкостью разрушения, предельные величины которых могут быть оценены либо экспериментально (что дорого), ли расчетным путем (см., например, [17]). Однако требования по вязкости трудно выполнить для современных высокопрочных сталей, поскольку увеличение прочности часто сопровождается уменьшением пластических свойств. Вот почему проблема предотвращения длинных трещин по-прежнему актуальна, несмотря на значительные усилия и успехи в создании вязких трубных сталей.

Другим способом, который может быть использован вместе с улучшением свойств материала, является использование специальных устройств, предназначенных для остановки трещины и исключения появления

19

трещин катастрофической длины. Так например, в работах [11С, 10А] обсуждается использование стальных колец для торможения трещин путем ограничения деформаций трубы и, следовательно, снижения раскрытия трещины и уменьшения движущей ее силы.

1.4 Ребра как возможные тормоза трещин

Использование дополнительных устройств в качестве «тормозов трещин», подобное описанному в [73], затрудняет строительство трубопровода. В то же время существует дешевая технология [1], которая позволяет получать кольцевые утолщения (ребра) на стенке трубы (рис.1.3). Технология не требует дополнительного оборудования, за исключением того, что уже используется в трубном производстве для термообработки - индукционных нагревателей и водяного спреерного охлаждения. Ребра создаются из материала трубы из-за ее небольшого укорочения, это достигается без использования механического оборудования. Существующие стандарты требуют остановки трещины в пределах одной трубы, поэтому количество ребер на одной трубе может быть ограничено двумя (из условия удобства транспортировки). Стоимость создания таких ребер существенно меньше затрат на улучшение свойств металла трубы путем легирования. Поскольку ребра выполнены как одна деталь с трубой, а не как отдельные устройства, они не усложняют конструкцию трубопровода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Албагдади Бара Мохсен Хоссеин, 2019 год

Литература

1. А.с. на изобретение № 1506719.Способ получения гофров на трубных заготовках. / Д.А.Гохфельд, О.Ф.Чернявский, А.В.Ильин // Зарегистр. в Госреестре изобрет. СССР 08.05.1989.

2. Абакумов А.И., , Абдуллин М.Ф., Мельцас В.Ю., Портнягина Г.Ф, Рыжухин М.С., Смоляков А.А., Арабей А.Б., Нестеров Н.Б. Численное моделирование распространения магистральных трещин в трубопроводах [Текст] - Наука и техника в газовой промышленности, 2009, №1, с. 42-49

3. Алексеев А.А. Ветвление трещины при разрушении крупногабаритных металлических конструкций [Текст] - Проблемы современной науки и образования, 2014, 9 (27), с. 15-16

4. Безопасность России. Правовые социально-экономические и научно-технические аспекты. Безопасность трубопроводного транспорта [Текст] / И.И. Мазур, О.М. Иванцов, С.П. Ансов и др. - М. : Знание, 2002. - 749 с. ISBN 5-87633-060-4

5. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Том «Энергетическая безопасность» [Текст] / Ред. Махутов Н.А. - М., «Знание», 2000, 304 с.

6. Билый О.Л. Оценка прочности и трещиностойкости материалов трубопроводов в водородосодержащих средах [Текст] -- Физика и химия обработки материалов. 2012. № 2. С. 92-96.

7. Виноградов О.П., Гусев М.А., Ильин А.В. Разработка методики определения критического угла раскрытия трещины CTOA как характеристики сопротивления магистральному вязкому разрушению металла трубопроводов [Текст] - Вопросы материаловедения, 2012, 2(70), с. 150-160.

8. ВРД 39-1.10-004-99. Методические рекомендации по количественной оценке состояния магистральных газопроводов с коррозионными

дефектами [Текст] - М.: ИРЦ Газпром, 2000 - 52 с.

9. Закономерности изменения механических свойств конструкционных сталей в ходе длительной эксплуатации и моделирование процессов старения [Текст] / Зикеев В.Н., Филиппов Г.А., Шабалов И.П., Соловьев Д.М., Ливанова О.В. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2014. № 4. С. 74-82.

10. Ионов В.Н., Селиванов В.В. Динамика разрушения деформируемого тела [Текст] -- Москва: Машиностроение, 1987. — 269 с.

11. Исследование сталей и сварных соединений на стойкость к углекислотной коррозии [Текст] / Басиев К.Д., Величко Л.Н., Чехоев В.О., Алборов А.Д. // Коррозия: материалы, защита. 2011. № 10. С. 8-11.

12. Исследования изменений свойств металла трубопроводов в процессе эксплуатации: обобщение результатов и перспективные разработки Уфимской научной школы [Текст] / Лисин Ю.В., Неганов Д.А., Суриков В.И., Гумеров К.М. // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Т. 7. № 2. С. 22-30.

13. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. [Текст] -Екатеринбург: Изд-во УральскогоГТУ, 2001. - 836 с.

14. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение [Текст] - М.: Металлургия, 1970 - 231 с.

15. Кучерявый В.И., Мильков С.Н. Статистическое моделирование остаточного ресурса нефтегазопровода с осевыми трещиноподобными дефектами [Текст] - Проблемы машиностроения и надежности машин. 2014. № 1. С. 101-107.

16. Лукьянов В.Ф., Лукьянов А.А. Многослойная ремонтная конструкция (муфта) для восстановления несущей способности стенки магистрального трубопровода [Текст] - Сварка и диагностика. 2016. № 1. С. 51-55.

17. Макаров Г.И. Требования к вязкости разрушения металла труб магистральных газопроводов, гарантирующие отсутствие протяженных

безостановочных разрушений [Текст] - Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2013. № 5 (39). С. 12-16.

18. Методика определения опасности повреждений стенки труб магистральных нефтепроводов по данным обследования внутритрубными дефектоскопами [Текст] / АК Транснефть - М.: Транспресс, 1997, 32 с.

19. Механические свойства сталей и сплавов при нестационарном нагружении. Справочник. [Текст] / Гохфельд Д.А., Гецов Л.Б., Кононов К.М. и др. -Екатеринбург: УрО РАН, 1996. - 408 с.

20. Мусаев С.Д., Бецофен С.Я. Влияние агрессивных сред на трещиностойкость трубной стали под нагрузкой [Текст] - Деформация и разрушение материалов. 2016. № 3. С. 26-30.

21. Оборудование и методики для коррозионно-механических испытаний : монография [Текст] / А.П. Фот, Ю.А. Чирков, С. А. Фот, Е.В. Кушнаренко. - Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - 194 с.

22. Особенности возникновения чрезвычайных ситуаций в арктической зоне россии и пути их парирования на основе концепции риска [Текст] / Махутов Н.А., Гаденин М.М., Лебедев М.П., Большаков А.М., Аммосов А.П., Сыромятникова А.С., Захарова М.И., Пермяков П.П., Глязнецова Ю.С., Чалая О.Н., Лифшиц С.Х., Зуева И.Н. // Арктика: экология и экономика. 2014. № 1 (13). С. 10-29.

23. ОСТ 23.040-00-КТН-574-06 Стандарт отрасли. Нефтепроводы магистральные. Определение прочности и долговечности труб и сварных соединений с дефектами. [Текст] - М.: ОАО АК Транснефть, 2006 - 108 с.

24. Пестриков В. М., Морозов Е. М. Механика разрушения твердых тел: курс лекций. [Текст] - СПб.: Профессия, 2002. - 320 с.

25. СТО 0-03-22-2008. Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата [Текст] - Оренбург: ВНИИГАЗ, 2008 - 187 с.

26. СТО 01297858 0.0024.0-2007 Стандарт организации «Натурные испытания труб с надрезом с целью определения характеристик статической трещиностойкости металла (вязкости разрушения) в конструкции трубы. Программа и методика испытаний». [Текст] - М: ВНИИСТ. - 2007. - 22 с

27. Полномасштабное испытание труб с трещинами для определения характеристик статической трещиностойкости металла (вязкость разрушения) в структуре трубы. Программа и методика испытаний [Текст] - ВНИИСТ (Российский научно-исследовательский институт строительства трубопроводов) 01297858 0.0024.0-2007

28. Сыромятникова А.С., Большаков А.М. Разрушения трубопроводов и оборудования газовой промышленности при длительной эксплуатации в условиях Арктики [Текст] - В сборнике: Фундаментальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях: проблемы и перспективы Сборник докладов II Всероссийской научно-техническая конференции. ФГУП ВИАМ. 2015. С. 14.

29. Тимашев С.А., Бушинская А.В., Малюкова М.Г., Полуян Л.В. Целостность и безопасность трубопроводных систем [Текст] - Екатеринбург: УрО РАН, 2013. - 590 с.

30. Федоров А.Г. Расчетно-экспериментальая оценка работоспособности стальных обжимных муфт для ремонта трубопроводов [Текст] -Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2015. № 2 (48). С. 44-47.

31. Формулировка критериев и процедура расчетного обоснования безопасности эксплуатации трубопроводов и корпусов оборудования РУ БН в условиях истечения натрия через сквозную трещину и его горения [Текст] / Карзов Г.П., Рамазанов Р.М., Марголин Б.З., Петров В.А., Виленский О.Ю. // Вопросы материаловедения. - №2(82). - 2015 г. - С.175-192

32. Шабалов И.П., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Исследование механических свойств трубной заготовки на различных

этапах JCOE-формовки [Текст] - Деформация и разрушение материалов. 2014. № 3. С. 39-48.

33. Шагиев Р.Г., Гумеров А.Г., Худякова Л.П., Леонов А.В. Температурный режим при разгерметизации трубопроводов, транспортирующих сжиженные углеводородные газы [Текст] - Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов -2015, №4(102), с.131-138

34. A Damage Mechanics based Evaluation of Dynamic Fracture Resistance in Gas Pipelines [Текст] / Scheider I., Nonn A., Volling A., Mondry A., Kalwa C. // Procedia Materials Science, Volume 3, 2014, Pages 1956-1964

35. API 1163 standard. In-line inspection systems qualification standard [Текст]. -Washington, American Petroleum Institute, 2005 - 43 p.

36. ASME B31.8-2003 standard. Gas transmission and distribution pipng systems. Revision of ASME 831.8-1999 [Текст] - NY: ASME, 2004 - 190 p.

37. ASME B31G-1991. American national standard. Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines: a supplement to ASME B31 code for pressure piping. [Текст] - NY: ASME, 1991 - 56 p.

38. Beden S.M. Environment Effects on Fatigue Crack Growth Rate in API 5L X70 and 6A. X80 Steel Pipelines [Текст], International Journal of Engineering research and science technology, ISSN 2319-5991, IJERST, Vol. 3, No. 2, May, (2014).

39. Berardo G., Salvini R, Mannucci G., Demofonti G. On longitudinal propagation of a ductile fracture in a buried gas pipeline: numerical and experimental analysis [Текст], 2000 International Pipeline Conference - Volume 1, ASME 2000.

40. Berg E., Skallerud B., Thaulow C. Two-parameter fracture mechanics and circumferential crack growth in surface cracked pipelines using line-spring elements [Текст] - Engineering Fracture Mechanics, 75 (2008) 17-30.

41. Bogatov A.A. Crack Resistance of High-Strength Steel and Breakage of a Gas Pipeline [Текст] - Metallurgist, 2017, 61(1-2), pp. 47-52.

42. Calculation of Dynamic Stress Intensity Factors for Pipes During Crack Propagation by Dynamic Finite Element Analysis [Текст] / Masaki Mitsuya, Hiroyuki Motohashi, Noritake Oguchi and ShujiAihara // J. Pressure Vessel Technol 136(1), 011207 (Nov 07, 2013) (8 pages).

43. Correlation of microstructure and charpy impact properties in API X70 and X80 line-pipe steels [Текст] / Sang Yong Shin, Byoungchul Hwang, Sunghak Lee, Nack J. Kima and Seong Soo Ahnc// Materials Science and Engineering A 458 (2007) 281-289.

44. Crack propagation of pipeline steel exposed to a near-neutral pH environment under variable pressure fluctuations [Текст] / Mengshan Yu, Weixing Chen, Richard Kania, Greg Van Boven and Jenny Been // International Journal of Fatigue 82 (2016) 658-666.

45. Development of stress-modified fracture strain for ductile failure of API X65 steel [Текст] / Oh C.-K., Kim Y.-J., Baek J.-H., Woo-sik Kim // Int J Fract (2007) 143:119-133.

46. Efficient fracture assessment of pipelines. A constraint- corrected SENT specimen approach [Текст] / Matteo Chiesa, Bard Nyhus, Bjorn Skallerud, Christian Thaulow// Engineering Fracture Mechanics 68 (2001) 527-547.

47. 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 [Текст] / T. Boukharouba et al. (eds.), Integrity of Pipelines Transporting Hydrocarbons, NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security, Springer Science+Business Media B.V. 2011.

48. Elmarakbi A.M. , Hu N., Fukunaga H. Finite element simulation of delamination growth in composite materials using LS-DYNA [Текст] - Composites Science and Technology 69 (2009) 2383-2391.

49. Formulation and implementation of decohesion elements in an explicit finite element code [Текст] / S.T. Pinho, L. Iannucci, P. Robinson // Composites: Part A 37 (2006) 778-789.

50. Fracture behavior of carbon steel pipe with local wall thinning subjected to bending load [Текст] / Miyazaki K., Kanno S., Ishiwata M., Kunio Hasegawa, Soek Hwan Ahn, Kotoji Ando // Nuclear Engineering and Design 191 (1999) 195-204

51. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications (Second Edition) [Текст] -New York, Spon Press - 2004 - 365 p.

52. Fracture toughness of the materials in welded joint of X80 pipeline steel [Текст] / Yang Y., Shi L., Xu Z., Lu H., Chen X. and Wang X. // Engineering Fracture Mechanics 148 (2015) 337-349.

53. Glushkov S.V., Skvortsov Yu.V. Fracture Mechanics Analysis of Cylindrical Panels with Non-Through Cracks [Текст], ISSN 1068-7998, Russian Aeronautics, Vol. 57, No. 3, 2014, pp. 240-244.

54. Groves T.K. , Bishnoi P.R., Wallbridge J.M. E. Decompression wave velocities in natural gases in pipe lines [Текст] / First published: December 1978 DOI: 10.1002/cjce.5450560602

55. Guzman C.F. About the Lode angle infuence in ductile fracture [Текст] -University of Liège, Technical Report - October 2013. DOI 10.13140/RG.2.2.27178.00966

56. Hancock J.W., Mackenzie A.C. On the mechanisms of ductile failure in high-strength steels subjected to multi-axial stress-states [Текст] - Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 24 (1976) pp 147-169

57. Heat effect analysis of buried oil pipeline in the Qinghai-Tibet plateau [Текст] / Liu W.B., Yu W.B., Yi X., Chen L. // 3rd International Conference on Civil Engineering and Transportation, ICCET 2013; Kunming; China; 14-15 December 2013, Volume 501-504, 2014, P. 211-217

58. Hong C., Asako Yu., Lee J.-H. Estimation of Leak Flow Rates Through Narrow Cracks [Текст] - Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 131, OCTOBER 2009.

59. Horsley D.J. Background to the use of CTOA for prediction of dynamic ductile

fracture arrest in pipelines [Текст] - Engineering Fracture Mechanics 70 (2003) 547-552.

60. Ibrahim R.A. Overview of Structural Life Assessment and Reliability, Part V: Joints and Weldments [Текст] - Journal of Ship Production and Design, Vol. 32, No. 1, February 2016, pp.1-20.

61. Jayadevan K.R., 0stby E., Thaulow C. Fracture response of pipelines subject to large plastic deformation under bending [Текст] - International Journal of Pressure Vessels and Piping 82 (2005) 201-215.

62. Johnson G.R., Cook W.H. A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strains, High Strain Rates, and High Temperatures [Текст] -Proceedings 7th International Symposium on Ballistics, The Hague, 19-21 April 1983, 541-547.

63. Kryzhanivs'kyi E.I., Hrabovs'kyi R.S., Fedorovych I.Ya. and Barna R.A. Evaluation of the Kinetics of Fracture of Elements of a Gas Pipeline after Operation [Текст] - Materials Science, Vol. 51, No. 1, July, 2015.

64. Kucheryavyi V. I., Mil'kov S.N., Statistical Modeling of the Residual Life of an Oil and Gas Pipeline with Axial Crack_Like Defects, [Текст] ISSN 1052_6188, Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2014, Vol. 43, No. 1, pp. 8287.

65. Leis B.N. Arresting propagating shear in pipelines [Текст] - Steel in Translation, 2015, Volume 45, Issue 1, pp 1-17 doi: 10.3103/S096709121501009X

66. LS-DYNA R9.0 keyword user's manual. Volume II [Текст] - Livermore Software Technology Corporation -- Livermore, California, 2016 -- 2682 p.

67. Makino H., Amano T. Demonstration of Crack Arrestability of X100 Line Pipe and Development of Evaluation Technologies for Three-dimensional Fracture Process, [Текст] - NIPPON STEEL & SUMITOMO METAL TECHNICAL REPORT No. 107 FEBRUARY 2015.

68. Matvienko Yu.G. A Damage Evolution Approach in Fracture Mechanics of

Pipelines [Текст] / T. Boukharouba et al. (eds.), Integrity of Pipelines Transporting Hydrocarbons, NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security, Springer Science+Business Media B.V. 2011.

69. Mechanical Properties of a Pipe Workpiece at the Stages of JCOE Pipe Forming [Текст] / P. Shabalov, D. M. Solov'ev, G. A. Filippov, and O. V. Livanova // ISSN 0036_0295, Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2015, No. 4, pp. 309-316.

70. Moes N., Dolbow J., Belytschko T., A finite element method for crack growth without remeshing [Текст] - International journal for numerical methods in engineering, 46, 131-150 (1999).

71. Murtagian G.R., Ernst H.A. Dynamic axial crack propagation in steel line pipes. Part II: Theoretical developments [Текст] - Engineering Fracture Mechanics 72 (2005) 2535-2548.

72. Nordhagen H., Dumoulin S., Gruben G. Main Properties Governing the Ductile Fracture Velocity in Pipelines: A Numerical Study Using an (Artificial Fluid)-Structure Interaction Model [Текст] - Procedia Materials Science, Volume 3, 2014, Pages 1650-1655

73. O'Donoghue P. E., Zhuang Z. A finite element model for crack arrestor design in gas pipelines [Текст], 1999 Blackwell Science Ltd. Fatigue Fract Engng Mater Struct 22, 59-66.

74. Ortiz M., Pandolfi A. Finite-Deformation Irreversible Cohesive Elements for Three-Dimensional Crack-Propagation Analysis [Текст] - International Journal for Numerical Methods in Engineering, 44, 1267-1282 (1999).

75. Prediction for Crack Propagation and Arrest of Shear Fracture in Ultra-high Pressure Natural Gas Pipelines [Текст] / Makino H., Kubo T., Shiwaku T., Endo S., Inoue T., Kawaguchi Y., Matsumoto Y. and Machida S. // ISIJ International, Vol. 41 (2001), No. 4, pp. 381-388.

76. Rahman S. A computer model for probabilistic leak-rate analysis of nuclear piping and piping welds [Текст] - Int. J. Pres. Ves. & Piping 70 (1997) 209-221

77. Rahman S. A stochastic model for elastic-plastic fracture analysis of

circumferential through-wall-cracked pipes subject to bending [Текст] -Engineering Fracture Mechanics, Vol. 52, No. 2, pp. 265-288, 1995.

78. Review of CTOA as a measure of ductile fracture toughness [Текст] / Pussegoda L.N., Verbit S., Dinovitzer A., Tyson W., Glover A., Collins L., Carlson L., Beattie J. // 2000 International Pipeline Conference Volume 1, ASME 2000, pp. 247-254.

79. Review of CTOA as a measure of ductile fracture toughness [Текст] / Pussegoda L.N., Verbit S., Dinovitzer A., Tyson W., Glover A., Collins L., Carlson L., Beattie J.// 2000 International Pipeline Conference — Volume 1, ASME 2000.

80. Rivalin F., Besson J., Pineau A., Di Fant M. Ductile tearing of pipeline-steel wide plates II. Modeling of in-plane crack propagation [Текст] - Engineering Fracture Mechanics 68 (2001) 347-364.

81. Simha C. Hari Manoj A model for arrest of rapid cracks in gas-pressurized ductile steel line pipe [Текст] - Engineering Fracture Mechanics 154 (2016) 245-261.

82. Song J.-H., Wang H., Belytschko T. A comparative study on finite element methods for dynamic fracture [Текст] - ComputMech (2008) 42:239-250

83. Souza R.F., Ruggieri C. Fracture assessments of clad pipe girth welds incorporating improved crack driving force solutions [Текст] - Engineering Fracture Mechanics 148 (2015) 383-405.

84. Talemi R.H. Numerical simulation of dynamic brittle fracture of pipeline steel subjected to DWTT using XFEM-based cohesive segment technique [Текст] -Frattura ed Integrita Strutturale, 36 (2016) 151-159.

85. Tehtab.ru - Инженерный справочник. http://tehtab.ru

86. Timashev S.A., Cherniavsky O.F., Rebyakov Yu.N. Experimental assessment of material strength of two operating main oil pipelines [Текст] - ASME Pressure Vesseles and Piping conference. - Cleveland, Ohio, USA: ASME, 2003. - PVP-Vol.464, PVP2003-2058. - p.141-145

87. Tyson W.R. Fracture Control for Northern Pipelines [Текст] - Damage and

Fracture Mechanics - Springer publ., 2009 (ISBN: 978-90-481-2668-2) - p.237-244

88. Zhu X.-K. State-of-the-art review of fracture control technology for modern and vintage gas transmission pipelines [Текст] - Engineering Fracture Mechanics 148 (2015) 260-280.

89. Zhuang Z., O'Donoghue P.E. The recent development of analysis methodology for rapid crack propagation and arrest in gas pipelines [Текст] - International Journal of Fracture 101: 269-290, 2000