Для уменьшения числа аварий на трубопроводном транспорте необходимо эффективно оценивать остаточный ресурс трубопроводов. Знание остаточного ресурса позволяет оптимизировать стратегию эксплуатации и уменьшить затраты на текущий и капитальный ремонт трубопроводов [1, 2]. Как показывает анализ большого числа аварий, наиболее опасными в трубопроводах являются продольные трещины, развитие которых обеспечивается образованием концентраторов напряжений, главным образом кольцевыми напряжениями от внутреннего давления в трубопроводе [2].Наличие концентраторов напряжения, которые в процессе эксплуатации станут усталостным дефектом, создают следующую проблему: выдержит ли труба действующие на нее переменные нагрузки.
Коррозионные язвы, трещины, также как посторонние вкрапления, выбоины, риски царапины, вызванные действиями при монтаже труб, являются основными причинами разрушения трубопроводов.
Коррозионные дефекты бывают внешними и внутренними. Наибольшую опасность при эксплуатации МТ представляют внешние дефекты. В соответствии с многочисленными нормами и правилами эта разновидность дефектов считается поверхностным полуэллиптическим трещиноподобным дефектом с отношением глубины к длине
. Это соотношение находится в пределах от 0.1 до 1 в зависимости от скорости коррозии.[3] Примеры коррозионных дефектов на металлических трубах представлены на рис.1.
Рис.1.Коррозионные полуэллиптические трещиноподобные дефекты на МТ
Оценка опасности коррозионных дефектов трубопровода осуществляется при помощи различных инструментов, в зависимости от вида дефекта и характера разрушения металла. Основой для устранения выявленных дефектов обычно является компромисс между затратами на ремонт, включая производственные потери, и необходимостью защиты человеческой жизни и окружающей среды. Опасность коррозионных дефектов определяется 2 методами:
1.Коррозионный дефект считается потерей металла, остаточное давление разрушения определяется на основе анализа предельного состояния.
2. Коррозионный дефект можно смоделировать как трещиноподобный дефект, а силу, продвигающую трещину, рассчитать средствами механики упругопластического разрушения.[3]
Однако сложно выполнить оценку, если коррозионный дефект вызывает существенную концентрацию напряжений.
В данной работе предлагается метод предсказания развития поверхностных трещин и оценки остаточного ресурса магистрального трубопровода при эксплуатационных нагрузках с учётом двухосного напряженного состояния в стенке трубопровода.
Одной из основных причин отказов протяженных подземных трубопроводных систем является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), называемое в отечественной терминологии стресс-коррозией, развивающиеся на внешней, катодно-защищенной поверхности трубопроводов.
Дефекты, связанные с коррозионным растрескиванием под напряжением (стресс-коррозии) представляют значительную опасность для целостности трубопроводов и занимают около 30 % от общего количества дефектов в трубопроводах, близких к исчерпанию расчетного ресурса.[4]
Приведенные исследования выполнены методом конечных элементов в рамках упругой механики разрушения с помощью компьютерной программы ANSYSWorkbench.
Для моделирования геометрии коррозионного дефекта использовался графический редактор ANSYS – DesignModeler. Сложная, неправильная форма такого дефекта определяется с помощью простых посредников в виде шара, эллипсоида и т.д. После удаления металла с поверхности трубы командами Boolian и Subtract получают требуемую форму дефекта (рис. 2а). Участок трубы с поверхностным дефектом, имеющим небольшую кривизну, с незначительным допущением можно представить в виде плоского элемента толщиной равной толщине трубы.
Вначале определяется точка на поверхности дефекта с наибольшей концентрацией кольцевых напряжений , которые являются наиболее опасными в процессе зарождения трещины из коррозионного дефекта. На рис.2б показана сетка конечных элементов, созданная командой Mesh для выделенного из коррозионного участка трубы призматического тела. Далее задаются граничные условия и нагрузки (рис. 3а) командами Displacement и Pressure. После этого командой Solve выполняется подготовка и решение системы уравнений, реализующих метод конечных элементов в узловых перемещениях. Кольцевые напряжения в данном расчетном случае совпадают с напряжениями NormalStress (ZAxis) на рис.3б. За счет концентрации напряжений, вызванной коррозионным дефектом, максимальные напряжения достигли величины 1068 МПа и более чем в три раза превысили номинальные напряжения равные 300 МПа.
Рис.2. Моделирование коррозионного дефекта в трубе: а) геометрическая модель; б) конечноэлементная модель
Рис. 3. Расчетная модель с коррозионным дефектом: а) нагрузки и граничные условия; б) результаты вычисления напряжений в зоне дефекта
Вероятность зарождения поверхностной трещины в точке с наибольшими кольцевыми напряжениями очень высока, в связи с этим в дальнейшем рассматривается модель трещины нормального раскрытия, распространяющейся в плоскости перпендикулярной кольцевым напряжениям, т.е. перпендикулярно оси Z (рис.4).
Рис. 4. Выбор плоскости предполагаемого роста трещины
Опыт наблюдения за ростом поверхностных трещин показывает, что их форма стремится принять полуэллиптическую форму, что значительно упрощает моделирование (рис.5).
Рис.5. Полуэллиптическая модель поверхностной трещины
В итоге расчетная модель может быть ограничена двумя плоскостями симметрии и представлять четвертую часть призматического тела с несимметричным коррозионным дефектом. На рис.6 показана такая модель, разбитая на конечные элементы в виде тетраэдров. Из-за высоких градиентов напряжений у вершины трещины размеры конечных элементов значительно уменьшены и равны 0,05 мм.
Рис. 6. Сетка конечных элементов четвертой части элемента с коррозионным дефектом
Продольные поверхностные трещины в первую очередь развиваются за счет воздействия кольцевых напряжений, которые являются наибольшими по величине и по направлению перпендикулярны плоскости роста этих трещин.
Анализ исследования напряженно-деформированного состояния в вершине трещины (рис.7) для наиболее глубокой точки полуэллиптической трещины позволил построить диаграмму распределения нормальных напряжений перпендикулярных плоскости трещины в зависимости от расстояния до вершины трещины (рис.8).
Рис. 7. Результаты вычисления напряжений в вершине трещины
Рис.9. Диаграмма распределения напряжений в вершине трещины
На основании сравнительного анализа диаграмм нормальных напряжений в вершине трещины был сделан вывод о том, что метод конечных элементов позволяет достаточно точно определять напряженное состояние в окрестности вершины трещины. Формула (1) даёт возможность получить выражение для определения коэффициента интенсивности напряжений прямым методом [5]
где 
– напряжения, вычисленные методом конечных элементов в вершине трещины для точки, находящейся на расстоянии 
от вершины трещины.
С помощью коэффициента интенсивности напряжений 
было сформулировано предельное состояние для тел с трещиной при статическом нагружении. В момент катастрофического разрушения или долома конструкционного элемента с трещиной должно выполняться следующее условие
где 
˗ коэффициент интенсивности напряжений в момент разрушения, характеристика трещиностойкости металла, получившая название «вязкость разрушения» [6].
В приведенном примере коэффициент интенсивности напряжений в точке на малой оси полуэллипса при
Для трубопроводной стали 09Г2С вязкость разрушения 
[7].Таким образом, имеется запас по трещиностойкости трубы 
Высокая вязкость данной стали позволит надежно эксплуатировать трубу практически до момента сквозного прорастания трещины через толщину стенки. Для сравнения, если изготовить трубу из широко применяемой в общем машиностроении стали 45, тогда вязкость разрушения 
, с учетом требуемого коэффициента надежности по материалу > 1,3, такую трубу эксплуатировать было бы невозможно.
В данной работе произведено исследование оценки опасности дефектов коррозионного происхождения, в результате чего была разработана математическая модель усталостного дефекта трубопровода, позволяющая производить оценку развития выявленных дефектов, оценивать срок безопасной эксплуатации, вводить ограничения по эксплуатируемым нагрузкам данного участка.
Литература:
1. Мурзаханов Г.Х. Диагностика технического состояния и оценка остаточного ресурса магистральных трубопроводов. Москва, Изд-во Независимого института нефти и газа, 2005, 70 с.
2. Остсёмин А.А., Заварухин В.Ю. Прочность нефтепровода с поверхностными дефектами. Проблемы прочности, 1993, № 12, с. 1−59.
3. Г.Плювинаж,О.Буледруа,М.Хадж-Мелиани.Оценка опасности коррозионных дефектов при помощи диаграммы оценки областей разрушения // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. –2018. – № 4. – С. 384 – 396.
4. Фокин М.Ф. Оценка прочности труб магистральных трубопроводов с дефектами стенки, ориентированными по окружности трубы, по критерию возникновения течи перед разрушением. Прикладная механика и технологии машиностроения. Сб. науч. тр. Нижний Новгород, Изд-во Интелсервис, 2005, с. 69−76.
5. Сиратори, Т. Вычислительная механика разрушения / Т. Сиратори, Т. Миёси, Х. Мацусита. – М.: Изд-во Мир, 1986. – 334 с
6. ГОСТ 25.506 – 85 Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. – М.: Издательство стандартов, 1985. – 63 с.
7. Морозов, Е.М. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения / Е.М. Морозов, А.Ю. Муйземнек, А.С. Шадский. – М.: Ленанд, 2008. – 456 с
