L. A. Prokopyev, N. I. Golikov, Yu. N. Saraev
CRACK GROWTH IN THE FIELD OF RESIDUAL STRESSES IN WELDED JOINTS OF PIPELINES USED IN A COLD CLIMATE
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.159-169 The problem of the influence of residual welding stresses (RWS) on the process of crack propagation is considered. Finite element modeling of the growth of a semi-elliptical longitudinal crack in the RWS field is performed. To gain a more complete understanding of the process mechanics, the calculation results obtained in view of residual stresses are compared to those obtained without regard for residual stresses. The obtained results are indicative of a significant effect of the level and distribution of RWS on crack propagation. In particular, the complex stress-strain state induced by residual stresses is shown to influence essentially the forming and further growth of cracks located on the inner surface of the pipeline wall. Besides, it is found that the form of crack growth specified by residual welding stresses makes them hard to detect with the application of classical instrumented testing methods. The complex distribution of stresses may cause data corruption and, consequently, difficulties in the correct interpretation of crack shape and size. This, in turn, may significantly complicate planning and performing repair work, and this necessitates the development and use of more accurate diagnostic techniques taking into account the effect of residual stresses. The research results emphasize the importance of taking into account RWS when predicting the behavior of cracks in pipelines and planning their service and repair. Further research in this direction can contribute to creating more reliable and effective techniques for estimating the health of welded joints, this being crucial for the industrial safety and economic efficiency of operating procedures.
Acknowledgement: The work was performed with the use of the scientific equipment of the YaSC SB RAS shared core facilities under the state assignment from the Russian Ministry of Science and Higher Education (R&D No. 122042000005-4, FWRS-2022-0002). Keywords: stress intensity factor, residual welding stresses, crack growth, finite element method References:
- Saraev, Yu.N., Gladkovsky, S.V., Golikov, N.I., Kiselev, A.S., Bezborodov, V.P., Gordynets, A.S., Lunev, A.G., Chinakhov, D.A., Khaydarova, A.A., and Trigub, M.V. Exploratory studies on improving the reliability of critical-use metal structures operating under extreme loads and low climatic temperatures. In: Naukoemkie tekhnologii v proektakh RNF. Sibir [High-Tech Technologies in RSF Projects. Siberia, eds., S.G. Psakhye and Yu.P. Sharkeev]. NTL Publ., Tomsk, 2017, ch. 5, pp. 134–202. (In Russian).
- Matokhin, G.V., Vorobyev, A.Yu., and Igumenov, A.A. Estimation of the influence of residual welding streses on the endurance limit of various zones of welded joints of ferrite-pearlitic steels. Svarka i Diagnostika, 2015, 1, 32–34. (In Russian).
- Terada, H. Stress intensity factor analysis and fatigue behavior of a crack in the residual stress field of welding. Journal of ASTM International, 2005, 2 (5), 58–68. DOI: 10.1520/JAI12558.
- Ma, N., Murakawa, H., and Ueda, Y. Welding deformation and residual stress prevention, Butterworth–Heinemann, Oxford, 2012, 292 p. DOI: 10.1016/C2011-0-06199-9.
- Kopelman, L.A. Soprotivlyaemost svarnykh uzlov khrupkomu razrusheniyu [Resistance of Welded Joints to Brittle Fracture]. Mashinostroenie Publ., Leningrad, 1978, 232 p. (In Russian).
- Makarov, A.P., Khramovskikh, V.A., and Nepomnyashchikh, K.A. Methods to reduce residual welding stresses in mining excavator metal structures. Nauki o Zemle i Nedropolzovanie, 2023, 1 (82), 72–83. (In Russian).
- Tazhibayev, A.R., Tazhibayeva, A.V., and Bikbulatova, G.I. Methods for detecting and reducing residual voltage in welded connections. Sovremennyye Materialy. Tekhnika i Tekhnologii, 2021, 5 (38), 45–53. (In Russian).
- Zavorin, A.S., Lyubimova, L.L., Buvakov, K.V., Kulesh, A.S., Tashlykov, A.A., and Kulesh, R.N. Influence of residual stresses on resistance to brittle fracture in weldment zones. Izvestiya TPU. Inzhiniring Georesursov, 2018, 329 (10), 128–142. (In Russian). DOI: 10.18799/24131830/2018/10/2112.
- Kirillova, V.A. and Rybakova, L.Yu. Experimental study of residual welding stresses in a butt welded joint of thick steel. Inzhenernyi Vestnik Dona, 2023, 7 (103), 333–342. Available at: http://www.ivdon.ru/en/magazine/archive/n7y2023/8560
- Golikov, N.I. Effect of residual stress on crack development in longitudinal welded joints of a gas pipeline. Procedia Structural Integrity, 2020, 30, 28–32. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.12.006.
- Deaconu, V. Finite element modelling of residual stress – a powerful tool in the aid of structural integrity assessment of welded structures. In: 5th International Conference Structural Integrity of Welded Structures (ISCS2007), Timisora, Romania, November 20–21, 2007. Available at: https://www.ndt.net/article/iscs2007/papers/10.pdf
Л. А. Прокопьев, Н. И. Голиков, Ю. Н. Сараев
РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН В ПОЛЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА
В работе рассмотрена проблема влияния остаточных сварочных напряжений на процесс распространения трещины в сварном соединении трубопровода. Проведено конечно-элементное моделирование роста несквозной полуэллиптической продольно расположенной трещины в поле остаточных сварочных напряжений. Для более полного понимания механики процесса проведено сопоставление результатов расчетов, полученных с учетом и без учета остаточных напряжений. Полученные результаты свидетельствуют о значительном влиянии уровня и распределения остаточных сварочных напряжений на развитие трещин. В частности, показано, что сложное напряженно-деформированное состояние, вызванное остаточными напряжениями, оказывает существенное воздействие на формоизменение и дальнейший рост трещин, расположенных на внутренней поверхности стенки трубопровода. Кроме того, установлено, что характер роста трещин, обусловленный остаточными сварочными напряжениями, представляет значительные сложности для их выявления с использованием традиционных приборных методов контроля. Сложное распределение напряжений может приводить к искажению данных и, следовательно, к трудностям в правильной интерпретации формы и размеров трещин. Это, в свою очередь, может значительно усложнить планирование и проведение ремонтных работ, что указывает на необходимость разработки и применения более точных методик диагностики, учитывающих влияние остаточных напряжений. Результаты исследования подчеркивают важность учета остаточных сварочных напряжений при прогнозировании поведения трещин в трубопроводах и при планировании мероприятий по их обслуживанию и ремонту. Дальнейшие исследования в этом направлении могут способствовать созданию более надежных и эффективных методик оценки технического состояния сварных соединений, что имеет критическое значение для промышленной безопасности и экономической эффективности эксплуатационных процессов.
Благодарность: Работа выполнена с использованием научного оборудования ЦКП ФИЦ «ЯНЦ СО РАН» в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (рег. № НИОКТР 122042000005-4, FWRS-2022-0002). Ключевые слова: коэффициент интенсивности напряжений, остаточные сварочные напряжения, рост трещины, метод конечных элементов Библиография:
- Поисковые исследования повышения надежности металлоконструкций ответственного назначения, работающих в условиях экстремальных нагрузок и низких климатических температур / Ю. Н. Сараев, С. В. Гладковский, Н. И. Голиков, А. С. Киселев, В. П. Безбородов, А. С. Гордынец, А. Г. Лунев, Д. А. Чинахов, А. А. Хайдарова, М. В. Тригуб // Наукоемкие технологии в проектах РНФ. Сибирь / под ред. С. Г. Псахье, Ю. П. Шаркеева. – Томск : Издательство НТЛ, 2017. – Гл. 5. – С. 134–202. – ISBN 978-5-89503607-5
- Матохин Г. В., Воробьев А. Ю., Игуменов А. А. Оценка влияния остаточных сварочных напряжений на предел выносливости различных зон сварных соединений феррито-перлитных сталей // Сварка и диагностика. – 2015. – № 1. – С. 32–34.
- Hiroyuki T. Stress intensity factor analysis and fatigue behavior of a crack in the residual stress field of welding // Journal of ASTM international. – 2005. – Vol. 2 (5). – P. 58–68. – DOI: 10.1520/JAI12558.
- Ma N., Murakawa H., Ueda Y. Welding deformation and residual stress prevention. – Oxford : Butterworth-Heinemann, 2012. – 292 p. – DOI: 10.1016/C2011-0-06199-9. – ISBN 978-0-12-394804-5.
- Копельман Л. А. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разрушению. – Ленинград : Машиностроение, 1978. – 232 с.
- Макаров А. П., Храмовских В. А., Непомнящих К. А. Пути снижения остаточных сварочных напряжений в металлоконструкциях карьерных экскаваторов // Науки о земле и недропользование. – 2023. – № 1 (82). – C. 72–83.
- Тажибаев А. Р., Тажибаева А. В., Бикбулатова Г. И. Методы выявления и снижения остаточных напряжений в сварных соединениях // Современные материалы, техника и технологии. – 2021. – № 5 (38). – C. 45–53.
- Влияние остаточных напряжений в зонах сварного узла на сопротивление хрупким разрушениям / А. С. Заворин, Л. Л. Любимова, К. В. Буваков, А. С. Кулеш, А. А. Ташлыков, Р. Н. Кулеш // Известия ТПУ. – 2018. – № 10. – С. 128–142.
- Кириллова В. А., Рыбакова Л. Ю. Экспериментальное исследование остаточных сварочных напряжений стыкового сварного соединения толстолистовой стали // Инженерный вестник Дона. – 2023. – № 7. – С. 333–342. – URL: http://www.ivdon.ru/en/magazine/archive/n7y2023/8560
- Golikov N. I. Effect of residual stress on crack development in longitudinal welded joints of a gas pipeline // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 30. – P. 28–32. – DOI: 10.1016/j.prostr.2020.12.006.
- Deaconu V. Finite element modelling of residual stress – a powerful tool in the aid of structural integrity assessment of welded structures // 5th International Conference Structural Integrity of Welded Structures (ISCS2007), Timisora, Romania, November 20–21, 2007. –URL: https://www.ndt.net/article/iscs2007/papers/10.pdf
Библиографическая ссылка на статью
Prokopyev L. A., Golikov N. I., Saraev Yu. N. Crack Growth in the Field of Residual Stresses in Welded Joints of Pipelines Used in a Cold Climate // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. -
2024. - Iss. 5. - P. 159-169. - DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.159-169. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2024-5/2024-5_458.html (accessed: 22.12.2024).
|
