Моделирование условий возникновения трещин в трубе под давлением водородосодержащей среды

Моделирование условий возникновения трещин в трубе под давлением водородосодержащей среды

Автор: Зиновьева Т.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 3, 2023 года.

Бесплатный доступ

Рассматривается актуальная проблема современной техники о разрушении трубопровода в результате воздействия на него водорода, содержащегося в транспортируемом сырье. Водород изменяет механические свойства металла, воздействуя на напряженно-деформированное состояние трубы, которое, в свою очередь, 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 постановке. Поскольку процесс взаимодействия водорода и металла очень медленный, он рассмотрен в последовательных статических постановках. Сначала решается задача типа Ламе для трубы с модулем упругости, зависящим от радиальной координаты. Методом конечных разностей найдены поля напряжений и деформаций трубы, находящейся под давлением. Далее определяется концентрация свободного водорода в трубе, обусловленная его содержанием на поверхностях трубы и ее напряженным состоянием. Принятая гипотеза об условии вклинивания атомов водорода в кристаллическую 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 механическими характеристиками. Итерационный процесс останавливается, когда напряжения в трубе достигают критических значений по критерию Мизеса или когда механические свойства материала трубы перестают изменяться. Расчеты показали, что при некоторых сочетаниях концентрации водорода и давления на стенку трубы в ней возникают зоны пластических деформаций, которые могут привести к расслоению материала в окружном направлении. Этот результат соответствует известным экспериментальным данным.

Еще

Влияние водорода, напряжения в трубе, водородная диффузия, водородное растрескивание

Короткий адрес: https://sciup.org/146282681

IDR: 146282681   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.3.08

Список литературы Моделирование условий возникновения трещин в трубе под давлением водородосодержащей среды

  • Elboujdaini M., 2006. Initiation of Near Neutral pH Environmentally Assisted Cracking in Line Pipe Steel // Proceedings of the 16th European Conference of Fracture. - Alexandroupolis, Greece, July 3 - 7, 2006.
  • Balueva А. Modeling of hydrogen embrittlement cracking in pipe-lines under high pressures // Procedia Materials Science. -2014. - Vol. 3. - Р. 1310-1315.
  • Модели влияния водорода на механические свойства металлов и сплавов / Ю.А. Яковлев, В.А. Полянский, Ю.С. Седова, А.К. Беляев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2020. - № 3.-С. 136-160. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.13
  • 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.
  • Основы повышения долговечности высокопрочных сталей, эксплуатируемых в водородсодержащих средах / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов [и др.]. - М.: Инфра-Инженерия, 2021. - 352 с.
  • Степанов А. В. О причинах преждевременного разрыва // Изв. АН СССР. ОМЕН. - 1937. - № 6. - С. 797-813.
  • Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. - М.: Металлургия, 1984. - 280 с.
  • Косевич A.M. Дислокации в теории упругости. - Киев: Наукова думка, 1978. - 219 с.
  • Чулкин С.Г., Зиновьева Т.В. Расчет влияния водорода на прочность морского трубопровода // Морские интеллектуальные технологии. - 2019. - № 2 (44). - Т. 1. - C. 31-35. DOI: 10.13140/RG.2.2.22027.34088
  • 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
  • Filippenko G.V., Zinovieva T.V. Analysis of axisymmetric vibrations of a hydrogen weakened pipe in a layered 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
  • Gorsky W.S. Theorie der ordnungsprozesse und der Diffusion in Mischkristallen von CuAu // Sow. Phys. - 1935. -Bd. 8. - P. 433-456.
  • Gorsky W.S. Theorie der elastischen Nachwirkung in ungeordneten Mischkristallen (elastische Nachwirkung zweiter Art) // Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion. - 1935. -Bd. 8. - P. 457-471.
  • Овчинников И. И. Исследование поведения оболочеч-ных конструкций, эксплуатирующихся в средах, вызывающих коррозионное растрескивание [Электронный документ] // Науковедение. - 2012. - № 4. - URL: http://naukovedenie.ru/ PDF/38tvn412.pdf. (дата обращения: 21.04.2022).
  • Phenomenon of skin effect in metals due to hydrogen absorption / V.A. Polyanskiy, A.K. Belyaev, E.L. Alekseeva, A.M. Polyanskiy, D.A. Tretyakov, Yu.A. Yakovlev // Continuum Mechanics and Thermodynamics. - 2019. - Vol. 31, no. 6. -P. 1961-1975. DOI: 10.1007/s00161-019-00839-2
  • Суранов Г.И. Водород: разрушение, изнашивание, смазка деталей машин. - Ухта: УГТУ, 2015. - 224 с.
  • 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.
  • Hydrogen-Induced Cracking of Metastable Austenitic Stainless and High-Strength Carbon Steels / Y. Yagodzinskyy, T. Saukkonen, E. Andronova, L. Rissanen, H. Hanninen // Effects of Hydrogen on Materials: Proceedings of the 2008 International Hydrogen Conference. - ASM International, Materials Park, 2009. - P. 123-130.
  • 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
  • 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
  • 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.
  • Effects of hydrogen on the nanomechanical properties 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.
  • Глаголев К.В., Морозов А.Н. Физическая термодинамика. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 270 с.
  • Horgan C.O., Chan A.M. The pressurized hollow cylinder or disk problem for functionally graded isotropic linearly elastic materials // J. Elasticity. - 1999. - Vol. 55. - P. 43-59.
  • Ломакин В.А. Теория упругости неоднородных тел. -М.: Изд-во Московского университета, 1976. - 368 с.
  • Елисеев В.В. Механика деформируемого твердого тела. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - 231 с.
  • Работнов Ю.Н. Сопротивление материалов. - М.: Ленанд, 2019. - 456 с.
  • Chapra S.C., Canale R.P. Numerical Methods for Engineers. - McGraw-Hill Education, New York, 2014. - p. 992.
  • Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - M.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. - 640 с.
  • 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
  • Описание деформации и разрушения материалов, содержащих водород, с помощью реологической модели / А.К. Беляев, Н.Р. Кудинова, B.A. Полянский, ЮА. Яковлев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. - 2015. - № 3(225). - C. 134-149.
  • Belyaev A.K., Polyanskiy V.A., Yakovlev Y.A. Stresses in a pipeline affected by hydrogen // Acta Mechanica. - 2012. -223(8). - P. 1611-1619.
  • Овчинников И.И. Модели деформирования и замедленного разрушения материалов в водородосодержащей среде // Вестник СГТУ. - 2013. - № 2 (70). - Вып. 1. - С. 178-183.
  • 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 Generalized Continua and Structures, Springer, Cham. - 2019. - P. 63-87.
  • Бекман И.Н. Математика диффузии. - М.: Издательство «ОнтоПринт», 2016. - 400 с.
  • Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 216 с.
  • Turnbull A. Hydrogen diffusion and trapping in metals // Gaseous hydrogen embrittlement of materials in energy technologies. - Philadelphia: Woodhead Publishing Limited. - 2012. -P. 89-128.
  • The effect of a constant tensile load on the hydrogen dif-fusivity 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.
  • 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.
  • Borwein J.M., Skerritt M.B. An introduction to modern mathematical computing: with Mathematica. - Springer, 2012. -Vol. XVI. - P. 224.
  • API SPEC 5L Specification for Line Pipe, Forty-sixth Edition (04/01/2018).
  • ISO 12213-3:2006 "Natural gas - Calculation of compression factor - Part 3: Calculation using physical properties".
Еще
Статья научная
SciUp 2024 © 2024 ©