Определение локальных напряжений в стальном полом цилиндре перед началом высокотемпературной водородной коррозии
Автор: Назаров В.В.
Статья в выпуске: 1, 2026 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена определению локальных напряжений, возникающих в окрестности микропоры, внутри которой содержится метан под высоким давлением. Предложены уравнения описания физических процессов, оказывающих решающее влияние на процесс разрушения стального полого цилиндра, нагруженного внутренним давлением водорода. Здесь важно сказать, что сам процесс высокотемпературной водородной коррозии (растрескивание стального полого цилиндра под воздействием локальных напряжений) не рассматривается. За критерий локального разрушения принимается сумма окружного напряжения, возникающего под воздействием давления водорода внутри полости стального цилиндра и окружного локального напряжения, возникающего под воздействием давления метана внутри микропоры. Для описания накопления концентрации метана в стальном полом цилиндре использовано уравнение диффузии с одним начальным и двумя граничными условиями, где на внешнем граничном радиусе принято условие массопереноса. В качестве меры несплошности материала рассмотрена пористость, которая определена как относительное приращение площади элементарного кольца. Из выражения для пористости установлена новая зависимость для перемещений, где ранее общепринятой считалась гиперболическая зависимость перемещений от радиуса. В качестве уравнения состояния метана внутри микропоры предложена связь между давлением, концентрацией, пористостью и температурой, которая удовлетворяет соответствующим начальным условиям. Следует подчеркнуть, что в таком виде уравнение термического состояния газа на практике рассмотрено впервые. Предположено, что для свершения локального разрушения необходимо, чтобы сумма окружного напряжения и окружного локального напряжения достигла значения предела кратковременной прочности. Вычисления показали, что на границе микропоры окружное локальное напряжение заметно превосходит окружное напряжение. В силу этого обстоятельства сделан вывод, что именно окружное локальное напряжение должно играть ключевую роль в растрескивании стального полого цилиндра.
Стальной полый цилиндр, водород, уравнение диффузии, микропоры, пористость, давление метана, уравнение состояния газа, локальные напряжения, критерий локального разрушения
Короткий адрес: https://sciup.org/146283356
IDR: 146283356 | УДК: 539.376 | DOI: 10.15593/perm.mech/2026.1.06
Determination of local stresses in a steel hollow cylinder before the onset of high-temperature hydrogen attack (HTHA)
The work is devoted to the determination of local stresses arising in the vicinity of a micropore containing methane under high pressure. Equations are proposed for describing the physical processes that have a decisive influence on the failure of a hollow steel cylinder loaded with internal hydrogen pressure. It is important to note that the high-temperature hydrogen attack (HTHA) itself (cracking of the hollow steel cylinder under the influence of local stresses) is not considered. The local failure criterion is the sum of the hoop stress arising under the influence of hydrogen pressure within the steel cylinder cavity and the hoop local stress arising under the influence of methane pressure within the micropore. To describe the accumulation of methane concentration in the hollow steel cylinder, a diffusion equation with one initial and two boundary conditions is used, where the mass transfer condition is assumed at the outer boundary radius. Porosity, defined as the relative increment in the area of an elementary ring, is considered as a measure of material discontinuity. A new displacement relationship was established from the expression for porosity, where a hyperbolic dependence of displacement on radius was previously accepted. A relationship between pressure, concentration, porosity, and temperature was proposed as the equation of state for methane within a micropore, satisfying the corresponding initial conditions. It should be emphasized that this is the first time that the equation of thermal state for a gas has been considered in practice. It is hypothesized that for localized failure to occur, the sum of the hoop stress and the hoop local stress must reach the break creep strength. Calculations showed that at the micropore boundary, the hoop local stress significantly exceeds the hoop stress. This circumstance led to the conclusion that hoop local stress must play a key role in the cracking of a hollow steel cylinder.
