Модальный анализ трубы, поврежденной водородом, как неоднородной по толщине оболочки
Автор: Филиппенко Г.В., Зиновьева Т.В.
Статья в выпуске: 3, 2022 года.
Бесплатный доступ
Водородная коррозия труб магистральных газо- и нефтепроводов часто приводит к авариям. Возникает необходимость оценки ресурса ослабленных водородом труб. В них под давлением водородосодержащей среды образуется внутренний слой с ухудшенными механическими характеристиками. В работе проведен расчет свободных колебаний такой трубы с учетом деградации ее материала. Труба моделируется двуслойной цилиндрической оболочкой по классической теории, влияние ослабленного водородом слоя учитывается при расчете жесткостей и смещения нейтральной линии оболочки. Рассмотрено три варианта усреднения параметров, определяющих жесткость оболочки, проведены численные эксперименты и найдены собственные частоты оболочки. Сравнение с вычислениями по методу конечных элементов в программе ANSYS позволило оценить степень применимости каждого варианта усреднения. Метод усреднения модуля Юнга по толщине оболочки не «чувствует» асимметрии слоев относительно нейтральной линии. Метод добавления поправки на радиус нейтральной линии оболочки приемлемо работает для осесимметричных мод и балочной моды. Следующее по точности приближение - усреднение жесткостей оболочки по ее толщине с учетом приведенного радиуса. Этот метод позволяет получать приемлемые результаты в достаточно широком диапазоне частот и для мод, связанных с деформированием сечения оболочки. Предложен метод принципиального восстановления параметров, характеризующих жесткость оболочки, по трем экспериментально полученным фиксированным частотам. На основе этих исследований предложены формулы, позволяющие по частотным характеристикам трубы восстановить параметры ослабления ее материала в результате водородной коррозии как по толщине, так и по времени.
Водородная коррозия, слоистая оболочка, колебания оболочек
Короткий адрес: https://sciup.org/146282546
IDR: 146282546 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.17
Modal analysis of a hydrogen-damaged pipe as shell inhomogeneous on thickness
Hydrogen corrosion of main gas and oil pipelines often leads to accidents. It is necessary to assess the life of hydrogen-weakened pipes. An inner layer with deteriorated mechanical characteristics is formed in them under pressure of hydrogen-containing medium. In the paper the calculation of free vibrations of such a tube taking into account the degradation of its material is performed. The tube is modeled as a bilayer cylindrical shell according to the classical theory. Influence of hydrogen-impacted layer is taken into account when calculating stiffnesses and displacement of neutral line of the shell. Three variants of averaging of parameters determining the stiffness of the shell are considered, numerical experiments are carried out and the natural frequencies of the shell are found. Comparison with calculations using the method of finite elements in the ANSYS software made it possible to estimate the degree of applicability of each version of averaging. The method of averaging Young's modulus over the thickness of the shell does not "feel" asymmetry of layers relative to the neutral line. The method of adding a correction for the neutral line radius of the shell works satisfactorily for axisymmetric and beam modes. The next more accurate approximation is to average the shell stiffnesses over its thickness with the reduced radius. This method allows us to obtain satisfactory results in a wide enough frequency range and for the modes related to the deformation of the shell cross section. A method for the principle reconstruction of the parameters characterizing the stiffness of the shell using three experimentally obtained fixed frequencies has been proposed. On the basis of these studies formulas are proposed which allow to reconstruct parameters of weakening of pipe material, as a result of hydrogen corrosion, both in thickness and in time from the frequency characteristics of the pipe.
Список литературы Модальный анализ трубы, поврежденной водородом, как неоднородной по толщине оболочки
- Experiments and numerical simulations for the mechanical properties of Ni-based superalloys fabricated by laser melting deposition [Электронный ресурс] / J. Zhang, Z. Huang, Y. Fang, Z. Gu, J. Xie, J. Lei // Optics & Laser Technology – 2021. – Vol. 140. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0030399221001468? via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- The effect of wire size on high deposition rate wire and plasma arc additive manufacture of Ti-6Al-4V [Электронный ресурс] / Ch. Wang, W. Suder, J. Ding, S. Williams // Journal of Materials Processing Tech. – 2021. – Vol. 288. – URL: https://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-materials-processingtechnology (дата обращения: 15.07.2022).
- Surfacing of composite thermo- and wear-resistant alloys using materials containing nanoparticles of refractory chemical compounds / G.N. Sokolov, I.V. Zorin, A.A. Artemyev, S.K. Elsukov, S.A. Fastov, I.V. Fedosyuk, I.A. Polunin, N.V. Mokovozov, A.E. Kin // Proceedings of the Volgograd State Technical University. – 2019. – Vol. 227, no. 4. – P. 61–67.
- Numerical simulation of the kinetics of temperature and phase composition in a butt joint made from steel DC04 / O. Prokhorenko, S. Hainutdinov, V. Prokhorenko, C. Pulka // Procedia Structural Integrity. – 2022. – Vol. 36. – P. 290–297.
- A hybrid machine learning model for predicting continuous cooling transformation diagrams in welding heat-affected zone of low alloy steels / X. Geng, X. Mao, H.-H. Wu, S. Wang, W. Xue, G. Zhang , A. Ullah, H. Wang // Journal of Materials Science & Technology. – 2022. – Vol. – 107. – P. 207–215.
- García-García V., Mejía I., Reyes-Calderón F. Twodimensional Monte Carlo–Voronoi simulation of grain growth and nucleation in the heat affected zone of TWIP-Ti welds [Электронный ресурс] // Materialia. – 2019. – Vol. 5. – URL: https://www.sciencedirect.com/journal/materialia (дата обращения: 15.07.2022).
- Determination of residual stress evolution during repair welding ofhigh-strength steel components [Электронный ресурс] / B. Amadeus, S. Dirk, K. Arne, K. Thomas // Forces in Mechanics. – 2022. – Vol. 6. – URL: https://www.sciencedirect.com/journal/forces-in-mechanics (дата обращения: 15.07.2022).
- Effect of cooling conditions on microstructure and mechanical properties of friction stir welded 7055 aluminium alloy joints / H. Lina, Y. Wua, S. Liua, X. Zhoud // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 141. – P. 74–85.
- The heat affected zone of X20Cr13 martensitic stainless steel after multiplerepair welding: Microstructure and mechanical properties assessment [Электронный ресурс] / Mohammad Shojaati, Seyed Farshid Kashani Bozorg, Masoud Vatanara, Morteza Yazdizadeh, Majid Abbasi // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2020. – Vol. 188. – URL: www.sciencedirect.com/journal/international-journal-of-pressure-vesselsand-piping (дата обращения: 15.07.2022).
- Dak G., Pandey Ch. Experimental investigation on microstructure, mechanical properties, andresidual stresses of dissimilar welded joint of martensitic P92 and AISI 304L austenitic stainless steel [Электронный ресурс] // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2021. – Vol. 194. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0308016121002313 (дата обращения: 15.07.2022).
- Effects of heat distribution during cold metal transfer arc welding on galvanized steel using volumetric heat source model / S.T. Selvamania, S. Velmurugan, V. Balasubramanian, K. Palanikumar // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9. – No 5. – P. 10097–10109. DOI: org/10.1016/j.jmrt.2020.07.004
- Sayed A.M., Alanazi H. Performance of steel metal prepared using different welding cooling methods [Электронный ресурс] // Case Studies in Construction Materials. – 2022. – Vol. 16. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214509522000857 (дата обращения: 15.07.2022).
- Benakis M., Costanzo D., Patran A. Current mode effects on weld bead geometry and heat affected zone in pulsed wire arc additive manufacturing of Ti-6-4 and Inconel 718 // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 60. – P. 61–74.
- Farias F.W.C., Passos A.V., Moraes e Oliveira V.H.P. Microstructural characterization of the physical simulated and welded heat-affected zone of 9 % Ni steel pipe // Journal of materials research and technology. – 2022. – Vol. 17. – P. 3033–3046 DOI: org/10.1016/j.jmrt.2022.02.019
- Farias R.M., Teixeira P.R.F., Vilarinho L.O. Variable profile heat source models for numerical simulations of arc welding processes [Электронный ресурс] // International Journal of Thermal Sciences. – 2022. – Vol. 179. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1290072922001314 (дата обращения: 15.07.2022).
- Sun Z., Yu X. Prediction of welding residual stress and distortion in multi-layer butt-welded 22SiMn2TiB steel with LTT filling metal // Journal of materials research and technology. – 2022. – Vol. 18. – P. 3564–3580. DOI: org/10.1016/j.jmrt.2022.04.031
- Equbala A., Equbal Md. I., Sood A.K. An investigation on the feasibility of fused deposition modelling process in EDM electrode manufacturing // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2019. – Vol. 26. – P. 10–25 DOI: 10.1016/j.cirpj.2019.07.001
- Phase transformation and the mechanical characteristics of heat-affected zones in austenitic Fe–Mn–Al–Cr–C lightweight steel during post-weld heat treatment [Электронный ресурс] / Seonghoon Jeong, Youngchai Lee, Gitae Park, Bongyoon Kim, Joonoh Moon, Seong-Jun Park, Changhee Lee // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 177. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1044580321002801?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Effect of gas tungsten arc welding parameters on the corrosion resistance and the residual stress of heat affected zone [Электронный ресурс] / B.A. Kessala, C. Faresa, M. Hadj Meliania, A. Alhusseinb, O. Bouledrouaa, M. Françoisd // Engineering Failure Analysis. – 2020. – Vol. 107. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135063071930946X?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Пат. № RU 2232668, МПК B23K 9/16 Способ сварки в защитных газах с принудительным охлаждением шва и зоны термического влияния / Власов С.Н., Лапин И.Е., Савинов А.В., Лысак В.И., Потапов А.Н., Атаманюк В.И.; Заявл. 04.11.2002; опубл. 20.07.2004
- New technique for deposition and thermochemical treatment of small parts with complex geometry applied to machining inserts / R.O.C. Lima, C.A. Jr, A.C. Alves de Melo, S.M. Alves, L. Arau´ jo Filho // Journal of materials research and technology. – 2020. – Vol. 9. – P. 15811–15823. DOI: org/10.1016/j.jmrt.2020.11.047
- Anomalous sudden drop of temperature-dependent Young's modulus of a plastically deformed duplex stainless steel [Электронный ресурс] / X. Wang, J. Wana, J. Wang, L. Zhu, H. Ruan // Materials and Design. – 2019. – Vol. 181. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412751930509X?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- The delay loop phenomenon in high temperature elasticity modulus testby in-situ ultrasonic measurements [Электронный ресурс] / H. Xue, D. Liu, R. Ge, Libo Pan, W. Peng // Measurement. – 2020. – Vol. 160. – URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0263224120303717?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Latella B.A., Humphries S.R. Young’s modulus of a 2.25 Cr–1Mo steel at elevated temperature Scripta Materialia. – 2004. – Vol. 51. – P. 635–639. DOI: org/10.1016/j.scriptamat.2004.06.028
- Lindgren L.-E., Back J.G. Elastic properties of ferrite and austenite in low alloy steels versus temperature and alloying [Электронный ресурс] // Material. – 2019. – Vol. 5. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2589152918302333?via%3Dihub (дата обращения: 15.07.2022).
- Rokilan M., Mahendran M. Elevated temperature mechanical properties of cold-rolled steelsheets and cold-formed steel sections [Электронный ресурс] // Journal of Constructional Steel Research. – 2020.– Vol. 167. – URL: eprints.qut.edu.au/199354/ (дата обращения: 15.07.2022).
- Буренин А.А., Ковтанюк Л.В. Большие необратимые деформации и упругое последействие. – Владивосток: Даль-наука, 2013. – 312 с.
- Goldak J.A., Akhlagi M. Computational Welding Mechanics. – New York: Springer Science & Business Media. – 2006. – 322 p.
- Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочник руководство для расчетов и проектирования. – М.: Металлургия, 1975. – 368 с.
