zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2023-89-6-51-61zldm-1948Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛА: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMATERIALS MECHANICS: STRENGTH, DURABILITY, SAFETYВлияние остаточных технологических напряжений на раскрытие и стабильность сквозных трещин в элементах трубопроводовThe impact of residual technological stresses on the opening and stability of through cracks in pipeline elementsКазанцевА. Г.KazantsevA. G.

Александр Георгиевич Казанцев

15088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4

Aleksandr G. Kazantsev

4, Sharikopodshipnikovskaya ul., Moscow, 115088

agkazantsev@cniitmash.comПетровО. М.PetrovO. M.

Олег Максимович Петров

15088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4

Oleg M. Petrov

4, Sharikopodshipnikovskaya ul., Moscow, 115088

СоковЛ. М.SokovL. M.

Леонид Михайлович Соков

142103, Московская обл., г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21

Leonid M. Sokov

21, Ordzhonikidze ul., Podolsk, Moscow obl., 142103

НПО «ЦНИИТМАШ»РоссияNPO «CNIITMASh»Russian FederationОКБ ГИДРОПРЕССРоссияOKB GIDROPRESSRussian Federation2023210620238965161Copyright © Казанцев А.Г., Петров О.М., Соков Л.М., 20232023Казанцев А.Г., Петров О.М., Соков Л.М.Kazantsev A.G., Petrov O.M., Sokov L.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1948

Рассмотрено влияние остаточных напряжений в трубе Ду850 из стали 10ГН2МФА с аустенитной наплавкой, сварочных напряжений в монтажном кольцевом шве трубопровода и остаточных напряжений в криволинейном отводе Ду350 (сталь 08Х18Н10Т), возникающих при его изготовлении пластическим деформированием, на раскрытие и стабильность сквозных трещин. Расчеты остаточных напряжений выполнены с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Показано, что остаточные напряжения вызывают изменения размеров и формы канала истечения, расхода теплоносителя, величины J-интеграла в вершине трещин. При относительно невысоких рабочих напряжениях берега коротких трещин за счет действия остаточных напряжений могут смыкаться с внутренней стороны стенки трубы, приводя к уменьшению или прекращению течи. При достаточно высоких рабочих напряжениях эффект от действия остаточных напряжений на протяженные трещины обратный — изменение формы канала истечения (увеличение раскрытия берегов трещины на наружной поверхности трубы) приводит к уменьшению трения потока теплоносителя о берега трещины и, соответственно, к увеличению объема течи. Представлены результаты испытаний внутренним давлением и изгибающим моментом натурных моделей элементов прямого участка трубопровода со сварным швом и криволинейного отвода Ду350 с искусственно созданными дефектами. Показано, что при испытании моделей из начальных дефектов развиваются локальные сквозные трещины, которые остаются стабильными при максимальных расчетных нагрузках (нормальные условия эксплуатации плюс максимальное расчетное землетрясение), что соответствует результатам выполненных расчетов и отвечает требованиям применимости концепции «течь перед разрушением».

The impact of residual stresses in a DN850 pipe (steel 10GN2MFA) with austenitic cladding, welding stresses in the mounting annular seam of the pipeline, and residual stresses arising in a curvilinear branch DN350 (steel 08Kh18N10T) during manufacture by plastic deformation on the opening and stability of through cracks is considered. Calculations of residual stresses are performed using the finite element method (FEM). It is shown that residual stresses cause a change in the size and shape of the outflow channel, the coolant flow rate, and the value of the J-integral at the crack tip. In case of short cracks and relatively low operating stresses, the crack edges can close on the inside of the pipe wall due to the action of residual stresses thus leading to a decrease or cessation of the leak. A reversed effect of residual stresses on extended cracks is observed at rather high operating stresses: change in the shape of the outflow channel (an increase in the opening of the crack edges on the outer surface of the pipe) leads to a decrease in the friction of the coolant flow against the crack edges and, hence, to an increase in the leak volume. The results of testing full-scale models of elements of a straight section of the pipeline with a welded seam and a curvilinear branch DN350 with artificially created defects by internal pressure and bending moment are presented. It is shown that local through cracks develop from initial defects, which remain stable at maximum design loads (normal operating conditions plus maximum design earthquake) which matches the calculation results and meets the requirements of the applicability of the concept of «leak before break».

наплавкаостаточные напряжениясварной шовкриволинейный отводсквозная трещинатечь перед разрушениемрасход теплоносителяметод конечных элементовsurfacingresidual stressesweldcurved tapthrough crackleak before breakcoolant flowfinite element methodReferencesГетман А. Ф. Концепция безопасности «Течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС. — М.: Энергоатомиздат, 1999. — 258 с.Getman A. F. Safety concept «Leak before destruction» for vessels and pipelines of NPP pressure. — Moscow: Énergoatomizdat, 1999. — 258 p. [in Russian].Киселев В. А., Ривкин Е. Ю. Применение концепции течь перед разрушением при анализе безопасности АЭС / Атомная энергия. 1993. Т. 75(6). С. 426 – 430.Kiselev V. A., Rivkin E. Yu. Application of the concept of leak before destruction in the analysis of NPP safety / Atom. Énerg. 1993. Vol. 75. N 6. P. 426 – 430 [in Russian].Махутов Н. А., Москвичев В. В., Морозов Е. М., Гольдштейн Р. В. Современные задачи механики разрушения и механики катастроф / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 10. С. 41 – 54. DOI: 10.26896/1028-6861-2017-83-10-41-54Makhutov N. A., Moskvichev V. V., Morozov E. M., Gol’dshtein R. V. Modern problems mechanics of destruction and mechanics of catastrophes / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2017. Vol. 83. N 10. P. 55 – 64 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2017-83-41-54Лепихин А. М., Морозов Е. М., Махутов Н. А., Лещенко В. В. Возможности оценки вероятностей разрушения и допустимых размеров дефектов элементов конструкций по критериям механики разрушения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. ¹ 3. С. 41 – 50. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-3-41-50Lepikhin A. M., Morozov E. M., Makhutov N. A., Leshchenko V. V. Assessment of failure probabilities and the allowable size of defects in structural elements using the criteria of fracture mechanics / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2022. Vol. 88. N 3. P. 41 – 50 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-3-41-50Silva G. F., Andrade A. H., Monteiro W. A. Leak-before break methodology applied to different piping materials: performance evaluation / Frattura ed Integrita Strutturale. 2019. Vol. 50. P. 46 – 53. DOI: 10.3221/igf-esis.50.06Silva G. F., Andrade A. H., Monteiro W. A. Leak-before break methodology applied to different piping materials: performance evaluation / Frattura ed Integrita Strutturale. 2019. Vol. 50. P. 46 – 53. DOI: 10.3221/igf-esis.50.06Yoo Y. S., Ando K. Plastic collapse and LBB behavior of statically indeterminate piping system subjected to a static load / Nucl. Eng. Design. 2001. Vol. 207. P. 341 – 350.Yoo Y. S., Ando K. Plastic collapse and LBB behavior of statically indeterminate piping system subjected to a static load / Nucl. Eng. Design. 2001. Vol. 207. P. 341 – 350.Brickstad B., Sattari I. Crack shape developments for LBB applications / Eng. Fract. Mech. 2000. Vol. 67(6). P. 625 – 646.Brickstad B., Sattari I. Crack shape developments for LBB applications / Eng. Fract. Mech. 2000. Vol. 67(6). P. 625 – 646.Sharples J., Clayton A. A leak-before-break assessment method for pressure vessels and some current unresolved issues / Int. J. Press. Vessels Piping. 1990. Vol. 43. P. 317 – 327.Sharples J., Clayton A. A leak-before-break assessment method for pressure vessels and some current unresolved issues / Int. J. Press. Vessels Piping. 1990. Vol. 43. P. 317 – 327.Кузьмин Д. А. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на площадь раскрытия трещины в трубопроводе Ду850 из перлитной стали / Тяжелое машиностроение. 2016. № 5. С. 7 – 10.Kuzmin D. A. Investigation of the effect of austenitic steel surfacing on the crack opening area in the DN850 pearlite steel pipeline / Tyazh. Mashinostr. 2016. N 5. P. 7 – 10 [in Russian].Матвиенко Ю. Г., Кузьмин Д. А. Обобщенное уравнение раскрытия сквозной кольцевой трещины в толстостенном плакированном трубопроводе / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 5. С. 41 – 48.Matvienko Yu. G., Kuzmin D. A. Generalized equation for opening a through annular crack in a thick-walled clad pipeline / Probl. Mashinostr. Nadezhn. Mashin. 2018. N 5. P. 41 – 48 [in Russian].Казанцев А. Г., Петров О. М. Влияние остаточных напряжений после наплавки в трубопроводе Ду850 на раскрытие сквозной трещины / Тяжелое машиностроение. 2018. ¹ 10. С. 2 – 6.Kazantsev A. G., Petrov O. M. The effect of residual stresses after surfacing in the Dn850 pipeline on the opening of a through crack / Tyazh. Mashinostr. 2018. N 10. P. 2 – 6 [in Russian].Takahashi Y. Evaluation of leak-before-break assessment methodology for pipes with a circumferential through-wall crack. Part III: estimation of crack opening area / Int. J. Press. Vessels Piping. 2002. Vol. 79. P. 525 – 536.Takahashi Y. Evaluation of leak-before-break assessment methodology for pipes with a circumferential through-wall crack. Part III: estimation of crack opening area / Int. J. Press. Vessels Piping. 2002. Vol. 79. P. 525 – 536.Terasaki T., Akiyama T., Ishimura T. New Method for Estimating Residual Stresses in Pipe Made by Surfacing Weld / ASME J. Eng. Ind. 1995. Vol. 117(3). P. 365 – 371.Terasaki T., Akiyama T., Ishimura T. New Method for Estimating Residual Stresses in Pipe Made by Surfacing Weld / ASME J. Eng. Ind. 1995. Vol. 117(3). P. 365 – 371.Li L., Mengjia H., Zhipeng C., et al. Residual stresses after on-line surfacing welding repairs on the flange surface of a nuclear grade pipe end / J. Tsinghua Univ. (Sci. Technol.). 2020. Vol. 60(1). P. 89 – 94.Li L., Mengjia H., Zhipeng C., et al. Residual stresses after on-line surfacing welding repairs on the flange surface of a nuclear grade pipe end / J. Tsinghua Univ. (Sci. Technol.). 2020. Vol. 60(1). P. 89 – 94.Киселев С. Н., Киселев А. С., Куркин А. С. и др. Современные аспекты компьютерного моделирования тепловых, деформационных процессов и структурообразования при сварке и сопутствующих технологиях / Сварочное производство, 1998. № 10. С. 16 – 24.Kiselev S. N., Kiselev A. S., Kurkin A. S., et al. Modern aspects of computer modeling of thermal, deformation processes and structure formation in welding and related technologies / Svar. Proizv. 1998. N 10. P. 16 – 24 [in Russian].Гальперин А. И. Машины и оборудование для изготовления криволинейных участков трубопровода. — М.: Недра, 1983. — 203 с.Galperin A. I. Machines and equipment for the manufacture of curved sections of the pipeline. — Moscow: Nedra, 1983. — 203 p. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.