Контроль поширення в’язкої тріщини у сучасних магістральних газопроводах

Abstract

UK: Постанова проблеми. Контроль поширенняя руйнування є важливим аспектом забезпечення експлуатаційної безпеки сучасних магістральних газопроводів високого тиску. Технологія такого контролю має вирішальне значення для запобігання протяжних в’язких руйнувань газопроводів, які можуть спричинити серйозний збиток для економіки та навколишнього середовища. Опір поширенню рухомої тріщини – це властивість матеріалу, що забезпечує його здібність до зупинки протяжних руйнувань. Показником такої здібності є мінімальна поглинута енергія зупинки в’язкої тріщини, котру оцінюють за результатами повномасштабних випробувань на розрив спеціальних трубних секцій. Такі випробуваннґ достатньо громіздкі та дорогі. Тому для визначення енергії зупинки тріщини, що рухається, був запропонований розрахунковий метод двох кривих (BTCM), у якому енергія зупинки виражена через поглинуту енергію Шарпі-V. BTCM був розроблений на початку 70-х років минулого століття і успішно використовувався для сталей за категоріями міцності до Х65 з малою та середньою в’язкістю. З появою нових високоміцних і високов’язких трубних сталей, виготовлених за технологією термомеханічної прокатки, було встановлено, що для таких сталей безпосередньо виміряна енергія Шарпі-V не є надійним показником опору руйнування. Тому було вирішено визначати енергію Шарпі-V зупинки тріщини за допомогою рівнянь кореляції енергії Шарпі-V та енергії випробування падаючим вантажем (ВПВ). Відомий ряд таких рівнянь. Однак, як показав аналіз, усі вони мають істотні обмеження і недоліки, що потребують оцінки ефективності та коректності використання цих рівнянь для визначення енергії зупинки в’язкої тріщини методом BTCM у високов’язких трубних сталях різних категорій міцності та товщини. Мета. Оцінка відповідності рівнянь кореляції поглинутої енергії Шарпі-V та ВПВ реальним (експериментальним) співвідношенням цих показників досліджуваних високов’язких трубних сталей. Матеріал та методика. У якості матеріалу для досліджень були обрані високов’язкі сталі для магістральних газопроводів категорії міцності Х80, Х70 і Х65 різної товщини. Випробування падаючим вантажем (ВПВ) проводили на інструментальних копрах вертикального типу фірми Zwick. Випробували повнотовщинні зразки з пресованим надрізом у режимі автоматичної реєстрації кривих зусилля-переміщення. Визначали повну поглинуту енергію руйнування, енергію зародження та енергію поширення тріщини. У відповідності до стандарту APIRP5L3-96 (2007) та стандарту BSEN 10274:1999 оцінювали кількість в’язкої складової у зламах повнотовщинних зразків ВПВ. Енергію Шарпі-V визначали за стандартом ГОСТ 9454-78 на зразках типу Н. Результати. Отримані реальні (експериментальні) співвідношення поглинутої енергії Шарпі-V та ВПВ сучасних високов’язких трубних сталей , широко використовуваних у будівництві магістральних газопроводів Наукова новизна. Проаналізований сучасний стан проблеми оцінки опору руйнуванню високов’язких трубних сталей для магістральних газопроводів високого тиску. Показано, що лінійне рівняння кореляції , розроблене Wilkowski для гарячекатаної та нормалізованої сталі категорій міцності до Х65 повністю відповідає реальному співвідношенню поглинута енергія ВПВ – поглинута енергія Шарпі-V високов’язких сталей термомеханічної прокатки товщиною до 25 мм. При більшій товщині сталі жодне з розглядуваних рівнянь кореляції не відповідає реальному співвідношенню рівнянь ВПВ та Шарпі-V. Для високов’язких сталей такої товщини при визначенні енергії зупинки в’язкої тріщини методом ВТСМ доцільно використовувати реальні співвідношення поглинутої енергії ВПВ та Шарпі-V або вдосконалювати методику розрахунку у напрямку безпосереднього використання енергії ВПВ замість енергії Шарпі-V, розрахованої за рівняннями кореляції. Практична цінність. Уточнено умови використання метода ВТСМ разом з напівемпіричними рівняннями кореляції поглинутої енергії Шарпі-V та ВПВ і реальним співвідношенням цих показників при визначенні енергії зупинки в’язкої тріщини у газопроводах із сучасних високов’язких сталей.

RU: Постановка проблемы. Контроль распространения разрушения является важным аспектом обеспечения эксплуатационной безопасности современных магистральных газопроводов высокого давления. Технология такого контроля имеет решающее значение для предотвращения протяженных вязких разрушений газопроводов, чреватых серьезным ущербам для экономики и окружающей среды. Сопротивление распространению движущейся трещины − это свойство материала, определяющее его способность к остановке протяженных разрушений. Показателем такой способности является минимальная поглощенная остановки вязкой трещины, которую оценивают по результатам полномасштабных натурных испытаний на разрыв специальных трубных секций. Такие испытания достаточно громоздки и дороги. Поэтому для определения энергии остановки движущейся трещины Batelle был предложен расчетный метод двух кривых (BТСМ), в котором энергия остановки выражена через поглощенную энергию Шарпи-V. ВТСМ был разработан в начале 70-х годов прошлого столетия и успешно использовался применительно к сталям категорий прочности до Х65 с малой и средней вязкостью. С появлением новых, высокопрочных и высоковязких трубных сталей, изготовленных по технологии термомеханической прокатки, было установлено, что для таких сталей непосредственно измеренная энергия Шарпи-V не является надежным показателем сопротивляемости разрушению. Поэтому было решено определять энергию Шарпи-V остановки трещины по значениям поглощенной энергии испытаниия падающим грузом ИПГ Шарпи-V и энергии ИПГ. Известен ряд таких уравнений. Однако, как показал анализ , все они имеют существенный ограничения и недостатки, требующие оценки корректности и эффективности применения этих уравнений для определения энергии остановки вязкой трещины методом ВТСМ в высоковязких трубных сталях различных категорий прочности и толщины. Цель. Оценка соответствия уравнений корреляции поглощенной энергии Шарпи-V и ИПГ реальным (экспериментальным) соотношениям этих показателей исследуемых высоковязких трубных сталей. Материал и методика. В качестве материала для исследований выбраны высоковязкие стали для магистральных газопроводов категорий прочности Х80, Х70 и Х65различной толщины. Испытания падающим грузом (ИПГ) проводили на инструментальных копрах вертикального типа фирмы Zwick. Испытывали полно толщинные образцы с прессованным надрезом в режиме автоматической регистрации кривых усилие-перемещение. Определяли полную поглощенную энергию разрушения, энергию разрушения, энергию зарождения и энергию распространения трещины. В соответствии со стандартом APIRP5L3-96 (2007) и стандартом BSEN 10274:1999 оценивали количество вязкой составляющей и изломах полно толщинных образцов ИПГ. Испытание на разрыв падающим грузом Энергию Шарпи-V (KV) определяли по стандарту ГОСТ 9454-78 на образцах типа Н. Результаты. Получены реальные (экспериментальные) соотношения поглощенной энергии Шарпи-V и ИПГ современных высоковязких трубных сталей, широко применяемых в строительстве магистральных газопроводов. Научная новизна. Проанализировано современное состояние проблемы оценки сопротивления разрушению высоковязких трубных сталей для магистральных газопроводов высокого давления. Показано, что линейное уравнение корреляции, разработанное Wilkowski для горячекатаной и нормализованной стали категорий прочности до X65 полностью соответствует реальному соотношению поглощенная энергия ИПГ -поглощенная энергия Шарпи-V высоковязких сталей термомеханической прокатки толщиной до 25 мм. При большей толщине стали ни одно из рассмотренных уравнений корреляции не отвечает реальному соотношению энергии ИПГ и энергии Шарпи-V. Для высоковязких сталей такой толщины при определении энергии остановки вязкой трещины методом BTCM целесообразно использовать реальные соотношения поглощенной энергии ИПГ и Шарпи-V или совершенствовать методику расчета в направлении непосредственного использования энергии ИПГ вместо энергии Шарпи-V, рассчитанной по уравнениям корреляции. Практическая ценность. Уточнены условия применения метода BTCM совместно с полуэмпирическими уравнениями корреляции поглощенной энергии Шарпи-V и ИПГ и реальными соотношениями этих показателей при определении энергии этих показателей при определении энергии остановки вязкой трещины в газопроводах из современных высоковязких сталей.

EN: Problem statement. The control of destruction expansion is important aspect of exploitation safety supporting of the modern high-pressure gas pipelines. The technology of such control is most important for prevention extended ductile destruction of gas pipelines, that can make serious damage for economy and environment. The counterstand of running fracture extension is material property, which determine its ability of extended destruction arrest. The index of this ability is minimal absorbed energy of ductile fracture arrest, which is estimated by the results of full-sized burst tests. These tests are cumbersome and expensive enough. That is why Batelle Two Curv Method (BTCM) was proposed for definition running fracture arrest energy. In this test arrest energy is expressed by absorbed Charpy-V energy. BTCM was invented at the beginning of 70s XX century and it was successfully used for steels with strength categories before X65, which have low or medium ductility. After that new high-ductile tube steels appeared in the industry, which were made with thermomechanical rolling method. It was discovered, that for this steels immediate measurement Charpy-V energy is not reliable index of destruction arrest. That is why it was decided to determine Charpy-V energy by the value of absorbed DWTT energy with using equalizations of correlation Charpy-V energy and DWTT energy. The range of such equalizations is already known. However, as it was shown in the analysis, all of them have crucial issues and disadvantages, which need characterization of correct and effective using these equalizations for determination running ductile fracture arrest energy with BTCM method in high-ductile tube steels, which have different strengths and thickness. Purpose. The characterization of accordance absorbed energy Charpy-V and Drop Weight Tear Test (DWTT) correlation equalizations with real (experimental) correlation these indexes of researched high-ductile tube steels. Material and methodology. The high-ductile steels for gas pipelines, which have strength categories X80, X70,X65 and different thickness, were chosen as materials for research. Drop weight tear tests (DWTT) were realized with using Zwick firm vertical drop machine. Full-sized samples with pressured cut were assayed in automatic registration curves force-moving mode. Full absorbed energy of destruction, energy of fracture genesis and running were determined . The quantity of ductile component in full-sized DWTT samples was estimated in accordance with standard APIRP5L3-96 (2007) and standard BSEN 10274:1999. Charpy-V energy was determined in accordance with standard ГОСТ 9454-78 on the samples type H. Results. It was gotten real (experimental) correlation of absorbed Charpy-V and DWTT energy in modern high-ductile tube steels, which are extensively used in gas pipelines building. Scientific novelty. It was analysed the modern condition of the problem with characterization destruction arrest in high-ductile tube steels for high-pressure gas-pipelines. It was shown, that Wilkowski linear equalization for hot-rolled and normalized steels with strength categories before X65 fully accords with real correlation absorbed DWTT energy-absorbed Charpy-V energy in high-ductile steels with thickness before 25 mm, which were treated with thermomechanical rolling. If the steel has big thickness, no one of considered correlation equalizations will not accord with real correlation DWTT energy and Charpy-V energy. It is necessary to use real correlation of absorbed DWTT energy and Charpy-V energy for high-ductile steels with such thickness or develop calculation methods to the way of immediate using DWTT energy instead of calculated with correlation equalizations Charpy-V energy. Practical value. It were specified the conditions of using BTCM method in accordance with half-ampirical correlation equalizations of absorbed Charpy-V energy and DWTT energy, and real correlation of these variables during running ductile fracture arrest energy determination in gas pipelines, that are made from modern high-ductile steels.