Влияние остаточных технологических напряжений на раскрытие и стабильность сквозных трещин в элементах трубопроводов

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».

1. Гетман А. Ф. Концепция безопасности «Течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС. — М.: Энергоатомиздат, 1999. — 258 с.

2. Киселев В. А., Ривкин Е. Ю. Применение концепции течь перед разрушением при анализе безопасности АЭС / Атомная энергия. 1993. Т. 75(6). С. 426 – 430.

3. 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: 10.26896/1028-6861-2017-83-10-41-54

4. Лепихин 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: 10.26896/1028-6861-2022-88-3-41-50

5. Silva 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.50.06

6. 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.

7. Brickstad B., Sattari I. Crack shape developments for LBB applications / Eng. Fract. Mech. 2000. Vol. 67(6). P. 625 – 646.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Гальперин А. И. Машины и оборудование для изготовления криволинейных участков трубопровода. — М.: Недра, 1983. — 203 с.