МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТРЕЩИН В ТРУБЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЫ

Аннотация


Рассматривается актуальная проблема современной техники о разрушении трубопровода в результате воздействия на него водорода, содержащегося в транс-портируемом сырье. Водород изменяет механические свойства металла, воздей-ствуя на напряженно-деформированное состояние трубы, которое, в свою оче-редь, оказывает влияние на распределение водорода в трубе. Принятые в работе гипотезы о характере этой связи позволили объяснить причину зарождения окружной трещины в трубе под воздействием водорода. Разработан алгоритм итерационного расчета напряженно-деформированного состояния трубы, внутри которой содержится водородосодержащая смесь. Решена связанная задача теории упругости и диффузии в плоской осесимметричной по-становке. Поскольку процесс взаимодействия водорода и металла очень медлен-ный, он рассмотрен в последовательных статических постановках. Сначала решается задача типа Ламе для трубы с модулем упругости, завися-щим от радиальной координаты. Методом конечных разностей найдены поля напряжений и деформаций трубы, находящейся под давлением. Далее определяет-ся концентрация свободного водорода в трубе, обусловленная его содержанием на поверхностях трубы и ее напряженным состоянием. Принятая гипотеза об условии вклинивания атомов водорода в кристалличе-скую решетку металла позволяет на следующем этапе расчета провести оценку влияния водорода на механические свойства материала трубы. Расчет полей напряжений и концентрации повторяется вновь уже с измененными механически-ми характеристиками. Итерационный процесс останавливается, когда напряжения в трубе достигают критических значений по критерию Мизеса или когда механиче-ские свойства материала трубы перестают изменяться. Расчеты показали, что при некоторых сочетаниях концентрации водорода и давления на стенку трубы в ней возникают зоны пластических деформаций, кото-рые могут привести к расслоению материала в окружном направлении. Этот ре-зультат соответствует известным экспериментальным данным.

Полный текст

Развитие газовой и нефтяной промышленности при-водит к росту требований к прочности трубопроводов, большинство из которых во время эксплуатации испы-тывают длительное воздействие нагрузок и агрессив-ных сред. Наличие водорода в транспортируемой сме-си приводит к его быстрому накоплению внутри метал-ла и, как следствие, к ухудшению механических свойств трубопровода [1; 2]. В результате в трубе образуются окружные трещины, приводящие к выходу ее из строя в короткое время (рис. 1). Отрицательное воздействие водорода на прочность труб приводит к необходимости его учета при проекти-ровании и расчете трубопроводов. Актуальность темы определена возможными экологическими и экономиче-скими проблемами в случае утечки газа и нефти. Критические обзоры современных исследований по теме индуцированного водородом растрескивания и охрупчивания сталей представлены, например, в [3–5]. В большинстве работ изучаются условия роста уже сформированной трещины без рассмотрения причин ее возникновения. Математическое моделирование и ана-лиз причин зарождения трещин остаются остроакту-альными. Современные представления о зарождении трещин в кристаллах основываются на концепции А.В. Степа-нова о взаимосвязи процессов разрушения и пластиче-ской деформации [6]. Согласно этой теории зарождение микротрещин не может быть связано с упругим дефор-мированием, пластическая деформация рассматривает-ся как необходимый подготовительный этап разруше-ния кристаллических твердых тел. На самых ранних стадиях пластического деформирования взаимодей-ствие дислокаций в металле приводит к образованию микрощели атомного масштаба. Под действием нагру-зок микротрещины способны к быстрому росту, слия-нию друг с другом и образованию магистральных тре-щин, приводящих к разрушению всей конструкций [7; 8]. Цель данной работы – объяснить причины возник-новения трещин в трубе под давлением водородосо-держащего сырья методами математической физики и теории упругости. Для этого нужно определить, при каких давлениях на стенку трубы и при какой концен-трации водорода в трубе возникнут зоны пластичности. Исследования были начаты в [9–11] на модели тру-бы с ослабленным слоем. Для уточнения результатов теперь в рассмотрение вводится диффузия свободного водорода в трубе, связанная с механическими напряже-ниями в ней; деградация материала учитывается по-средством изменения его модуля упругости как функции радиальной координаты.

Об авторах

Т. В. Зиновьева

Институт проблем машиноведения РАН

Список литературы

  1. Elboujdaini M., 2006. Initiation of Near Neutral pH Environmentally Assisted Cracking in Line Pipe Steel // Pro-ceedings of the 16th European Conference of Fracture. – Ale-xandroupolis, Greece, July 3 – 7, 2006.
  2. Balueva А. Modeling of hydrogen embrittlement cracking in pipe-lines under high pressures // Procedia Materi-als Science. – 2014. – Vol. 3. – Р. 1310–1315.
  3. Модели влияния водорода на механические свой-ства металлов и сплавов / Ю.А. Яковлев, В.А. Полянский, Ю.С. Седова, А.К. Беляев // Вестник Пермского нацио-нального исследовательского политехнического универси-тета. Механика. –2020. – № 3.– С. 136–160. doi: 10.15593/perm.mech/2020.3.13
  4. Towards a unified and practical industrial model for prediction of hydrogen embrittlement and damage in steels / M.B. Djukic [et al.] // Procedia Structural Integrity. – 2016. – Vol. 2. – P. 604–611.
  5. Основы повышения долговечности высокопроч-ных сталей, эксплуатируемых в водородсодержащих сре-дах / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов [и др.]. – М.: Инфра-Инженерия, 2021. – 352 с.
  6. Степанов А.В. О причинах преждевременного разрыва // Изв. АН СССР. ОМЕН. – 1937. – № 6. – С. 797–813.
  7. Владимиров В.И. Физическая природа разруше-ния металлов. – М.: Металлургия, 1984. – 280 с.
  8. Косевич A.M. Дислокации в теории упругости. – Киев: Наукова думка, 1978. – 219 с.
  9. Чулкин С.Г., Зиновьева Т.В. Расчет влияния во-дорода на прочность морского трубопровода // Морские интеллектуальные технологии. – 2019. – № 2 (44). – Т. 1. – C. 31–35. doi: 10.13140/RG.2.2.22027.34088
  10. Зиновьева Т.В. Влияние концентрации водорода на растрескивание трубы // Современное машиностроение: Наука и образование: материалы 9-й Международной научно-практической конференции. – СПб., 2020. – С. 196–206. doi: 10.1872/MMF-2020-15
  11. Filippenko G.V., Zinovieva T.V. Analysis of ax-isymmetric vibrations of a hydrogen weakened pipe in a lay-ered shell model // Advances in Mechanical Engineering, LNME. – Published by Springer International Publishing Switzerland, 2022. – P. 78–85. doi: 10.1007/978-3-030-91553-7_9
  12. Gorsky W.S. Theorie der ordnungsprozesse und der Diffusion in Mischkristallen von CuAu // Sow. Phys. – 1935. – Bd. 8. – P. 433–456.
  13. Gorsky W.S. Theorie der elastischen Nachwirkung in ungeordneten Mischkristallen (elastische Nachwirkung zweiter Art) // Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion. – 1935. – Bd. 8. – P. 457–471.
  14. Овчинников И.И. Исследование поведения обо-лочечных конструкций, эксплуатирующихся в средах, вы-зывающих коррозионное растрескивание [Электронный документ] // Науковедение. – 2012. – № 4. – URL: http://naukovedenie.ru/ PDF/38tvn412.pdf. (дата обращения: 21.04.2022).
  15. Phenomenon of skin effect in metals due to hydrogen absorption / V.A. Polyanskiy, A.K. Belyaev, Е.L. Alekseeva, A.M. Polyanskiy, D.А. Tretyakov, Yu.A. Yakovlev // Contin-uum Mechanics and Thermodynamics. – 2019. – Vol. 31, no. 6. – P. 1961–1975. doi: 10.1007/s00161-019-00839-2
  16. Суранов Г.И. Водород: разрушение, изнашива-ние, смазка деталей машин. – Ухта: УГТУ, 2015. – 224 с.
  17. Hydrogen embrittlement of a 1500-MPa tensile strength level steel with an ultrafine elongated grain / Y. Nie, Y. Kimura, T. Inoue [et al.] // Metallurgical and Materials Trans. A. – 2012. – Vol. 43, no. 5. – P. 1670–1687.
  18. Hydrogen-Induced Cracking of Metastable Austenit-ic Stainless and High-Strength Carbon Steels / Y. Ya-godzinskyy, T. Saukkonen, E. Andronova, L. Rissanen, H. Hanninen // Effects of Hydrogen on Materials: Proceedings of the 2008 International Hydrogen Conference. – ASM Interna-tional, Materials Park, 2009. – P. 123–130.
  19. Probing the Effect of Hydrogen on Elastic Properties and Plastic Deformation in Nickel Using Nanoindentation and Ultrasonic Methods / S.K. Lawrence, B.P. Somerday, M.D. Ingraham, D.F. Bahr // JOM. – 2018. – Vol. 70(7). – P. 1068–1073. doi: 10.1007/s11837-018-2850-z
  20. Müller C., Zamanzade M., Motz C. The Impact of Hydrogen on Mechanical Properties; A New In Situ Nanoindentation Testing Method // Micromachines. – 2019. – Vol. 10(2). – P. 114. doi: 10.3390/mi10020114
  21. Ortiz M., Ovejero-Garcia J. Effect of hydrogen on Young’s modulus of AISI 1005 and 1070 steels // Journal of Materials Science. – 1992. – Vol. 27. – P. 6777–6781
  22. Effects of hydrogen on the nanomechanical proper-ties of a bulk metallic glass during nanoindentation / Fuyu Dong, Mengyuan He, Yue Zhang, Liangshun Luo, Yanqing Su, Binbin Wang, Hongjun Huang, Qingchun Xiang, Xiaoguang Yuan, Xiaojiao Zuo, Baoshuai Han, Yanjin Xu. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42, iss. 40. – P. 25436–25445.
  23. Глаголев К.В., Морозов А.Н. Физическая термо-динамика. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 270 с.
  24. Horgan C.O., Chan A.M. The pressurized hollow cylinder or disk problem for functionally graded isotropic line-arly elastic materials // J. Elasticity. – 1999. – Vol. 55. – P. 43–59.
  25. Ломакин В.А. Теория упругости неоднородных тел. – М.: Изд-во Московского университета, 1976. – 368 с.
  26. Елисеев В.В. Механика деформируемого твердо-го тела. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. – 231 с.
  27. Работнов Ю.Н. Сопротивление материалов. – М.: Ленанд, 2019. – 456 с.
  28. Chapra S.C., Canale R.P. Numerical Methods for Engineers. – McGraw-Hill Education, New York, 2014. – p. 992.
  29. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. – M.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. – 640 с.
  30. Zinovieva T.V. Calculation of shells of revolution with arbitrary meridian oscillations // Advances in Mechanical Engineering, LNME. – Published by Springer International Publishing Switzerland, 2017. – P. 165–176. doi: 10.1007/978-3-319-53363-6_17
  31. Описание деформации и разрушения материалов, содержащих водород, с помощью реологической модели / А.К. Беляев, Н.Р. Кудинова, В.A. Полянский, Ю.A. Яко-влев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математи¬ческие науки. – 2015. – № 3(225). – C. 134–149.
  32. Belyaev A.K., Polyanskiy V.A., Yakovlev Y.A. Stresses in a pipeline affected by hydrogen // Acta Mechanica. – 2012. – 223(8). – P. 1611–1619.
  33. Овчинников И.И. Модели деформирования и за-медленного разрушения материалов в водородосодержа-щей среде // Вестник СГТУ. – 2013. – № 2 (70). – Вып. 1. – С. 178-183.
  34. An approach to modeling structural materials with low hydrogen concentration / A.K. Belyaev, A.M. Polyanskiy, V.A. Po¬lyanskiy, Y.A. Yakovlev // Dynamical Processes in Gene¬ra¬lized Continua and Structures, Springer, Cham. – 2019. – P. 63–87.
  35. Бекман И.Н. Математика диффузии. – М.: Изда-тельство «ОнтоПринт», 2016. – 400 с.
  36. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 216 с.
  37. Turnbull A. Hydrogen diffusion and trapping in met-als // Gaseous hydrogen embrittlement of materials in energy technologies. – Philadelphia: Woodhead Publishing Limited. – 2012. – P. 89–128.
  38. The effect of a constant tensile load on the hydrogen diffusivity in dual phase steel by electrochemical permeation experiments / E. Eeckhout, I. Baere, T. Depover, K. Verbeken // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 773. – Article 138872.
  39. Determination of the Critical Plastic Strain-Induced Stress of X80 Steel through an Electrochemical Hydrogen Permeation Method / W. Zhao, T. Zhang, Z. He, J. Sun, Y. Wang // Electrochimica Acta. – 2016. – Vol. 214. – P. 336–344.
  40. Borwein J.M., Skerritt M.B. An introduction to modern mathematical computing: with Mathematica. – Spring-er, 2012. – Vol. XVI. – P. 224.
  41. API SPEC 5L Specification for Line Pipe, Forty-sixth Edition (04/01/2018).
  42. ISO 12213-3:2006 "Natural gas – Calculation of compression factor – Part 3: Calculation using physical proper-ties

Статистика

Просмотры

Аннотация - 260

PDF (Russian) - 105

Cited-By


PlumX


© Зиновьева Т.В., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах