Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання

Запропоновано метод оцінки залишкової довговічності елемента труби нафтопроводу із тріщиноподібним дефектом на його внутрішній поверхні. Досліджено кінетику поширення тріщини із урахуванням впливу наявності концентрації водню в стінці нафтопроводу. Початкові розміри дефекту визначено методом акустич...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Рудавський, Д.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102573
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:	Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання / Д.В. Рудавський // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 4. — С. 53-55. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102573
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1025732016-06-13T03:03:39Z Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання Рудавський, Д.В. Научно-технический раздел Запропоновано метод оцінки залишкової довговічності елемента труби нафтопроводу із тріщиноподібним дефектом на його внутрішній поверхні. Досліджено кінетику поширення тріщини із урахуванням впливу наявності концентрації водню в стінці нафтопроводу. Початкові розміри дефекту визначено методом акустичної емісії. Показано, що коливання внутрішнього тиску в нафтопроводі та його наводнення залежно від початкових розмірів дефекту можуть спровокувати утомне поширення дефекту. A method is proposed for evaluation of residual fatigue life of an oil pipe element with a cracklike defect on its inner surface. Kinetics of crack propagation was studied, allowing for the influence of the presence of hydrogen concentration in the oil pipeline wall. Initial dimensions of the defect were determined by acoustic emission method. It is shown that inner pressure variations in the oil pipeline and its hydrogenation, can provoke fatigue-induced defect propagation, depending on the initial dimensions of the defect. 2012 Article Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання / Д.В. Рудавський // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 4. — С. 53-55. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102573 593.375 669.788 uk Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Рудавський, Д.В. Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Запропоновано метод оцінки залишкової довговічності елемента труби нафтопроводу із тріщиноподібним дефектом на його внутрішній поверхні. Досліджено кінетику поширення тріщини із урахуванням впливу наявності концентрації водню в стінці нафтопроводу. Початкові розміри дефекту визначено методом акустичної емісії. Показано, що коливання внутрішнього тиску в нафтопроводі та його наводнення залежно від початкових розмірів дефекту можуть спровокувати утомне поширення дефекту.
format	Article
author	Рудавський, Д.В.
author_facet	Рудавський, Д.В.
author_sort	Рудавський, Д.В.
title	Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання
title_short	Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання
title_full	Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання
title_fullStr	Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання
title_full_unstemmed	Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання
title_sort	поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102573
citation_txt	Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання / Д.В. Рудавський // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2012. — № 4. — С. 53-55. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT rudavsʹkijdv poširennâpoverhnevoítríŝinivstíncítrubinaftoprovoduzurahuvannâmíínavodnûvannâ
first_indexed	2025-07-07T12:30:53Z
last_indexed	2025-07-07T12:30:53Z
_version_	1836991333254823936
fulltext	УДК 593.375, 669.788 ПОШИРЕННЯ ПОВЕРХНЕВОЇ ТРІЩИНИ В СТІНЦІ ТРУБИ НАФТОПРОВОДУ З УРАХУВАННЯМ ЇЇ НАВОДНЮВАННЯ Д. В. РУДАВСЬКИЙ, канд. техн. наук (Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів) Запропоновано метод оцінки залишкової довговічності елемента труби нафтопроводу із тріщиноподібним дефектом на його внутрішній поверхні. Досліджено кінетику поширення тріщини із урахуванням впливу наявності концентрації водню в стінці нафтопроводу. Початкові розміри дефекту визначено методом акустичної емісії. Показано, що коливання внутрішнього тиску в нафтопроводі та його наводнення залежно від початкових розмірів дефекту можуть спровокувати утомне поширення дефекту. A method is proposed for evaluation of residual fatigue life of an oil pipe element with a cracklike defect on its inner surface. Kinetics of crack propagation was studied, allowing for the influence of the presence of hydrogen concentration in the oil pipeline wall. Initial dimensions of the defect were determined by acoustic emission method. It is shown that inner pressure variations in the oil pipeline and its hydrogenation, can provoke fatigue-induced defect propagation, depending on the initial dimensions of the defect. Для встановлення термінів безпечної експлуатації трубопроводів та їх елементів проводять технічну діагностику небезпечних ділянок. Найпоши- ренішими та найрозвинутішими серед сучасних методів НК для виявлення експлуатаційних де- фектів типу тріщин є акустичні методи [1,2]. Метою досліджень є створення методики оцінки залишкового ресурсу елемента нафтопро- воду з наявною у ньому тріщиною за даними акус- тико-емісійного (АЕ) діагностування. Розглянемо задачу про ріст поверхневої півеліптичної утомної тріщини, що розташована на внутрішній стінці нафтопроводу помпувальної станції, виготовленого зі сталі 16ГС за циклічної зміни внутрішнього тиску p = 3,7 МПа із асиме- трією циклу R = 0,85 (рис. 1). Механічні харак- теристики сталі: межа плинності 0 = 450 МПа, нижнє порогове значення циклічної тріщи- ностійкості Kth = 3,5 МПам1/2, циклічна тріщи- ностійкість KIc = 120 МПам1/2. Задача полягає у визначенні кінетики росту утомної тріщини. Нехай a0, b0 — початкові розміри тріщини, r — внутрішній радіус труби, h — товщина стінки (h = 0,01 м). Для визначення кінетики контуру тріщини (рис. 1, б) вважали, що контур тріщини під час її поширення завжди залишається плоским та близьким до півеліптичного. Тоді залежність дов- жини півосей цього контуру від кількості циклів навантаження можна отримати із розв’язку сис- теми двох звичайних диференціальних рівнянь у двох точках контуру, що відповідають великій та малій півосі ( = 0,  = /2) (рис. 1, б): Вda dN  V [Kmaxa,b,  0, CH], db dN  V [Kmax a,b,    2,CH], (1) де KImax — максимальне значення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) у відповідних точ- ках контуру тріщини; CH — концентрація водню в стінці труби біля контуру тріщини. Граничні умови: N = 0: a = a0, b = b0, N = Nd: b = h, (2) де N — кількість циклів зміни тиску в трубі; Nd — залишкова довговічність стінки труби. Швидкості росту V півосей контуру тріщини виз- начали на основі рівняння, отриманого у праці [3] Va,b  0,030 21  R21  R4KImax 4 a,b  KIc 2  A1E0CH  KImax 2 a,b , (3) де E — модуль пружності; , A1 — деякі постійні матеріалу. Для тріщини в нашому випадку КIН в кожній точці її контуру можна представити у вигляді [4]: KI a,b,  b F , ,  (4) де   b h ;   b a ;   p    r h  H1 2    ; F  H2  H3 3  H4 4 q f1f2; H1  H5  H6  H5 sinq; q  0,2    0,6; H5  1  0,34  0,11; H6  1  1,220,12  0,551,050,750,471,5  2; Q 11,4641,65 ; H2 1,130,09; H3 0,54 0,89 0,2 ; H4  0,5  0,1 0,65 14124; f1  2cos2sin2 14; f2  1  0,1  0,3521  sin 2 . Система звичайних нелінійних диференціаль- них рівнянь першого порядку (1) з урахуванням (2)–(4) була розв’язана числовим методом Рунге–© Д. В. Рудавський, 2012 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 53 Кутта. Рівень концентрації водню CH у стінці тру- би біля тріщиноподібного дефекту оцінювали із розв’язку дифузійної задачі. Розрахунок концентрації водню біля верши- ни тріщини. Розглянемо пружно-пластичне ізот- ропне тіло, яке початково рівномірно наводнене до деякого рівня концентрації водню C0 і містить плоску тріщину розміром l в умовах симетричного відносно площини тріщини напруженого стану (рис. 2). Нехай зовні у тріщину попадає водне- вовмісне середовище, забезпечуючи таким чином у поверхневому шарі біля її вершини деяку кон- центрацію водню Cs. Концентрацію водню в околі вершини тріщини шукали на основі узагальненого закону Фіка: CH t  DH 2CH  DHVH RT CH, (5) де DH — коефіцієнт дифузії водню у металі; VH — парціальний молярний об’єм ; t — час; R — універ- сальна газова постійна. Апроксимуючи розподіл гідростатичного нап- руження г на продовженні тріщини біля її вер- шини кусково-лінійною залежністю (рис. 3), в од- новимірному випадку рівняння дифузії (5) зве- деться до системи двох диференціальних рівнянь: C1,    2C1, 2  2m C1,   , 0    1, C2,   2C2, 2 ,   1, (6) де x  xm;   Dt  xm 2 ; m  Гx VH xm  2RT. Взявши до уваги, що в точці x = 1 повинні виконуватися умови неперервності потоку [5] і концентрації водню C1,   2mC1,  C2,    ,   1 C1 ,  C2 ,,   1 (7) та вважаючи, що фізико-хімічні умови наводню- вання металу в вершині тріщини забезпечують постійність величини концентрації водню Cs в її поверхневому шарі, тобто представляючи гранич- ну умову рівняння дифузії у вигляді C1(0,) = Cs, (8) визначали розподіл концентрації водню в околі вершини тріщини з розв’язку задачі дифузії (6)–(8) за початкової умови: C1, 0  C2, 0  C0. (9) Задача (6)–(9) з умовою обмеженості концен- трації водню на безмежності: C2(,) <  (10) є граничною задачею для диференціального рівнян- ня в частинних похідних 2-го порядку параболічно- го типу з кусково-неперервними коефіцієнтами. За допомогою комбінації методів інтегрального пе- ретворення Лапласа та граничної інтерполяції було отримано розв’язок цієї задачі у вигляді: C,  2Cs 11 e[m 2 4]  C0Cse 2m 2Cs 11 e[m 2 4]  Cse 2m . (11) На рис. 4 показано розподіл концентрації вод- ню (11) біля вершини тріщини. Приймали рівень початкової концентрації вод- ню в матеріалі C0 = 0,5Cs. На основі отриманого розв’язку можна зробити висновок, що наявність попереднього наводнювання та поля механічних напружень біля вершини тріщини може збільшу- вати концентрацію водню в цій зоні у 1012 разів відносно поверхневої. Результати розрахунку залишкової довго- вічності елемента нафтопроводу. Для виявлення зародження чи розвитку тріщиноподібних де- фектів у стінці трубопроводів використовували лінійну локацію джерел АЕ. При цьому коефіцієнт п’єзочутливості первинного перетворювача АЕ (ПАЕ) становив  = 1,6109 В/м. Внаслідок АЕ- Рис. 1. Схема елемента труби нафтопроводу (а) та розташу- вання півеліптичної тріщини (б) Рис. 2. Схема навантаженої пластини із тріщиною Рис. 3. Апроксимація розподілу гідростатичного напруження біля вершини тріщини 54 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 контролю було зареєстровано три події з ампліту- дами на виході ПАЕ 3; 3,8; 5 мВ. Відстань від джерела АЕ до ПАЕ була 2,8 м. Згідно концепції визначення об’ємної пошкодже- ності матеріалу [6] еквівалентну площу новоутворе- них поверхонь тріщин, що генерували АЕ, визначали через радіус r0 еквівалентного круга з урахуванням заникання амплітуди пружної хвилі АЕ: umaxc1  i 0i dr0 2 Trc1 2R , (12) де umaxc1 — максимальне значення модуля век- тора переміщень; i d — функція кутової залеж- ності амплітудних значень модуля вектора пе- реміщень; Tr — час релаксації;  — густина ма- теріалу; c1 — швидкість пружної хвилі; R — відстань від джерела хвилі до точки спостереження. Отримали, що сумарна еквівалентна площа визначалась площею круга радіусом r0  10–4 м. На рис. 5 показано результати прикладів розра- хунку довговічності Nd стінки труби нафтопроводу для різних величин площі S півдискової тріщини на основі розв’язку рівнянь системи (1). Висновок Розрахунок показав, що тріщини із початковим радіусом поверхні r0 < 310–3 м не розвиваються, оскільки за даних умов експлуатації нафтопроводу величина КІН для таких тріщин менша його по- рогового значення Kth. Отже, виявлені тріщино- подібні дефекти розміром r0  10–4 м під час АЕ- діагностування ділянки нафтопроводу помпуваль- ної станції є безпечними з точки зору утомного розтріскування за даних умов експлуатації. Слід зауважити, що згідно закону Сівертса [5] та розв’язку задачі дифузії водню (6) збільшення внутрішнього тиску в трубопроводі призведе до підвищення рівня концентрації вод- ню на його поверхні, а відповідно і в околі біля вершини тріщини. Цей факт, згідно проведених розрахунків (рис. 5), може стати причиною значного зниження залишкової довговічності елемента труби нафтопроводу. Цель работы — построение методики оценки остаточного ресурса элемента нефтепровода с трещиной по данным акустико-эмиссионного ди- агностирования. Рассматривали поверхностную полуэллиптическую трещину, расположенную на внутренней поверхности трубы. Исследована ки- нетика распространения трещины с учетом вли- яния концентрации водорода в стенке нефтепро- вода. Уровень насыщения стенки трубы нефтепровода водородом определяли из решения задачи диффузии водорода в поле механических напряжений возле вершины трещины. Показано, что колебания внутреннего давления в нефтеп- роводе и ее наводороженость в зависимости от начальных размеров дефекта могут спровоциро- вать его усталостный рост. 1. Назарчук З. Т., Скальський В. Р. Акустико-емісійне діаг- ностування елементів конструкцій. Наук.-техн. посібник. У 3 т. — Київ: Наук. думка, 2009. — 887 с. 2. Скальський В. Р., Сулим Г. Т. Основи акустичних ме- тодів неруйнівного контролю. — Львів: Вид. центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2010. — 386 с. 3. Андрейків О. Є., Рудавський Д. В., Гембара О. В. Розра- хункова модель поширення втомних тріщин у наводне- них зварних з’єднаннях // Фіз.-хім. механіка матеріалів. — 2002. — № 6. — С. 18–24. 4. Newman J. C., Raju I. S. An empirical stress intensity factor equation for the surface crack // Int. J. Fract. Mach. — 1981. — 15, № 1/2. — P. 185–192. 5. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. — М.: Металлургия, 1985. — 217 с. 6. Скальський В. Р., Андрейків О. Є. Оцінка об’ємної пош- кодженості матеріалів методом акустичної емісії. — Львів: Вид. центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2006. — 330 с. Надійшла до редакції 05.04.2012 Рис. 4. Графічне представлення розподілу концентрації вод- ню CH в полі механічних напружень y біля вершини тріщини Рис. 5. Залежність залишкової довговічності Nd елемента наф- топроводу за різних початкових розмірів півдискової тріщи- ни: 1 — r0 = 310–3; 2 — 410–3; 3 — 510–3м (суцільні лінії — без врахування наводнювання стінки труби, штрихові — із врахуванням) ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №4,2012 55

Поширення поверхневої тріщини в стінці труби нафтопроводу з урахуванням її наводнювання

Репозитарії

Схожі ресурси