The Stress State of a Thick-Walled Shell with Allowance for Contact with a Hydrogen-Containing Medium

I. G. Emelyanov; D. A. Ogorelkov

doi:10.17804/2410-9908.2024.2.020-035

I. G. Emelyanov, D. A. Ogorelkov

THE STRESS STATE OF A THICK-WALLED SHELL WITH ALLOWANCE FOR CONTACT WITH A HYDROGEN-CONTAINING MEDIUM

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.2.020-035

Numerical and experimental methods are used to solve a multidisciplinary problem on determining the stress state of a steel shell of revolution under mechanical loading and thermal effect with allowance for its contact with a hydrogen-containing medium. The study uses a well-developed mathematical tool for solving heat conduction problems in order to solve the problem of hydrogen diffusion into metal. The effective stresses and their invariants are determined by solving the nonlinear boundary value problem of thermoplasticity of a thick-walled shell of revolution in a three-dimensional formulation. The study takes into account the experimentally found effect of changes in the mechanical properties of steel affected by hydrogen. The correctness of the proposed method and the performed calculations is quantitatively estimated by comparison with a well-known problem having an analytical solution. The paper shows that it is possible and necessary to take into account the change in mechanical properties when determining the stress state of steel structures operating in contact with a hydrogen-containing medium.

Acknowledgement: The work was performed under the state assignment for the IES UB RAS, No. AAAA-A18-118020790140-5.

Keywords: thick-walled shell, steel, hydrogen, diffusion, experiment, mechanical properties, stress state

References:

Karpenko, G.V. and Kripyakevich, R.I. Vliyanie vodoroda na svoystva stali [The Effect of Hydrogen Upon the Properties of Steel]. Metallurgizdat Publ., Moscow, 1962, 192 p. (In Russian).
Shreider, A.V., Shparber, I.S., and Archakov, Yu.I. Vliyanie vodoroda na neftyanoe i khimicheskoe oborudovanie [Effect of Hydrogen on Oil and Chemical Equipment]. Mashinostroenie Publ., Moscow, 1976, 144 p. (In Russian).
Archakov, Yu.I. Vodorodnaya korroziya stali [Hydrogen Corrosion of Steel]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1985, 192 p. (In Russian).
Rebyakov, Yu.N., Cherniavsky, A.O., and Cherniavsky, O.F. Deformation and destruction of materials and structures in the diffusion. Vestnik YuUrGU, 2010, 10, 4–16. (In Russian).
Ovchinnikov, I.I. and Ovchinnikov, I.G. Effect of hydrogen-containing environment at high temperature and pressure on the behavior of metals and structures. Naukovedenie, 2012, 14. (In Russian). Available at: https://naukovedenie.ru/ PDF/60tvn412.pdf
Tehranchi, A. and Curtin, W.A. The role of atomistic simulations in probing hydrogen effects on plasticity and embrittlement in metals. Engineering Fracture Mechanics, 2019, 216, 106502. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106502.
Baek, S.-W., Song, E.J., Kim, J.H., Jung, M., Baek, U.B., and Nahm, S.H. Hydrogen embrittlement of 3-D printing manufactured austenitic stainless-steel part for hydrogen service. Scripta Materialia, 2017, 130, 87–90. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.11.020.
Dasa, T., Legranda, E., Brahimia, S.V., Songa, J., and Yue, S. Evaluation of material susceptibility to hydrogen embrittlement (HE): an approach based on experimental and finite element (FE) analyses. Engineering Fracture Mechanics, 2020, 224, 106714. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106714.
Shishvana, S.S., Csányi, G., and Deshpande, V.S. Hydrogen induced fast-fracture. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2020, 134, 103740. DOI: 10.1016/j.jmps.2019.103740.
Ogawa, Y., Okazaki, S., Takakuwa, O., and Matsunaga, H. The roles of internal and external hydrogen in the deformation and fracture processes at the fatigue crack tip zone of metastable austenitic stainless steels. Scripta Materialia, 2018, 157, 95–99. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.08.003.
Merson, E.D., Myagkikh, P.N., Klevtsov, G.V., Merson, D.L., and Vinogradov, A. Effect of fracture mode on acoustic emission behavior in the hydrogen embrittled low-alloy steel. Engineering Fracture Mechanics, 2019, 210, 342–357. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.05.026.
Anand, L., Mao, Y., and Talamini, B.L. On modeling fracture of ferritic steels due to hydrogen embrittlement. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2019, 122, 280–314. DOI: 10.1016/j.jmps.2018.09.012.
Pradhan, A., Vishwakarma, M., and Dwivedi, S.K. A review: the impact of hydrogen embrittlement on the fatigue strength of high strength steel. Materials Today: Proceedings, 2020, 26 (2), 3015–3019. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.02.627.
Tehranchi, A. and Curtin, W.A. Atomistic study of hydrogen embrittlement of grain boundaries in nickel. I. Fracture. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2017, 101, 150–165. DOI: 10.1016/j.jmps.2017.01.020.
Yu, H., Cocks, A.C.F., and Tarleton, E. The influence of hydrogen on Lomer junctions. Scripta Materialia, 2019, 166, 173–177. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.03.022.
Mironov, V.I., Emelyanov, I.G., Vichuzhanin, D.I., Zamaraev, L.M., Ogorelkov, D.A., and Yakovlev, V.V. Effect of hydrogenation temperature and tensile stress on the parameters of the complete deformation diagram for steel 09G2S. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2020, 1, 24–33. DOI: 10.17804/2410-9908.2020.1.024-033. Available at: http://dream-journal.org/issues/2020-1/2020-1_279.html
Mironov, V.I., Emelyanov, I.G., Vichuzhanin, D.I., Kamantsev, I.S., Yakovlev, V.V., Ogorelkov, D.A., and Zamaraev, L.M. A method for experimental investigation of degradation processes in materials. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2019, 2, 16–27. DOI: 10.17804/2410-9908.2019.2.016-027. Available at: http://dream-journal.org/issues/2019-2/2019-2_246.html
Metody rascheta obolochek: v 5 t. T. 3. Shevchenko, Yu.N. and Prokhorenko, I.V. Teoriya uprugoplasticheskikh obolochek pri neizotermicheskikh protsessakh nagruzheniya [Theory of Elastoplastic Shells under Nonisothermal Loading Processes, vol. 3. In: Methods for Calculating Shells]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1981, 296 p. (In Russian).
Metody rascheta obolochek: v 5 t. T. 4. Grigorenko, Ya.M. and Vasilenko, A.T. Teoriya obolochek peremennoy zhestkosti [The theory of Shells of Variable Stiffness, vol. 4. In: Methods for Calculating Shells]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1981, 544 p. (In Russian).
Lykov, A.V. Teplomassoobmen [Heat-Mass Exchange: Reference Book]. Energiya Publ., Moscow, 1978, 480 p. (In Russian).
Aramanovich, I.G. and Levin, V.I. Uravneniya matematicheskoy fiziki [Equations of Mathematical Physics]. Nauka Publ., Moscow,1969, 288 p. (In Russian).
Vorobyev, A.Kh. Diffuzionnye zadachi v khimicheskoy kinetike: uchebnoe posobie [Diffusional Problems in Chemical Kinetics]. MGU Publ., Moscow, 2003, 98 p. (In Russian).
Cherdantsev, Yu.P., Chernov, I.P., and Tyurin, Yu.I. Metody issledovaniya sistem metall–vodorod: uchebnoe posobie [Methods for Studying Metalhydrogen Systems]. TPU Publ., Tomsk, 2008, 286 p. (In Russian).
Galaktionova, N.A. Vodorod v metallakh [Hydrogen in Metals]. Metallurgizdat Publ., Moscow, 1959, 255 p. (In Russian).
Shevchenko, Yu.N., Babeshko, M.E., Piskun, V.V., Prokhorenko, I.V., and Savchenko V.G. Reshenie osesimmetrichnoy zadachi termoplastichnosti dlya tonkostennykh i tolstostennykh tel vrashcheniya na ES EVM [The Solution of the Axisymmetric Problem of Thermoplasticity for Thin-Walled and Thick-Walled Bodies of Revolution on the EU Computer]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1980, 196 p. (In Russian).
Shevchenko, Yu.N. Termoplastichnost pri peremennykh nagruzheniyakh [Thermoplastocity Under Variable Loads]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1970, 288 p. (In Russian).
Ilyushin, A.A. Plastichnost. Osnovy obshchey matematicheskoy teorii [Plasticity. Foundations of the General Mathematical Theory]. Izd-vo AN SSSR, Moscow, 1963. 271 p. (In Russian).
Emelyanov, I.G. and Mironov, V.I. A thermodiffusion problem of hydrogenation of a steel shell structure. Vestnik PNIPU. Mekhanika, 2018, 3, pp. 27–35. (In Russian). DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.03.
Emelyanov, I.G. and Mironov, V.I. The method for estimation of shell hydrogenation with variable geometrical and physics-mechanicals parameters. AIP Conference Proceedings, 2018, 2053, 030012. DOI: 10.1063/1.5084373.
Emelyanov, I.G., Mironov, V.I., and Hodak, A.S. The boundary value problem of determining hydrogen concentration and the stress state in a titanium shell. AIP Conference Proceedings, 2019, 2176, 030005. DOI: 10.1063/1.5135129.
Syrotyuk, A.M., Leshchak, R.L., and Dorosh, M.І. Experimental and analytic investigation of the hydrogenation of pipe steels. Materials Science, 2018, 53, 811–817. DOI: 10.1007/s11003-018-0140-0.
Ivanytskyi, Ya.L., Hembara, O.V., and Chepil, Ya.O. Determination of the durability of elements of power-generating equipment with regard for the influence of working media. Materials Science, 2015, 51, 104–113. DOI: 10.1007/s11003-015-9815-y.
Khismatulin, E.R., Korolev, E.M., Livshits, V.I. et al. Sosudy i truboprovody vysokogo davleniya: spravochnik [High-Pressure Vessels and Pipelines: Handbook]. Mashinostroenie Publ., Moscow, 1990, 384 p. (In Russian).
Pisarenko, G.S., Yakovlev, A.P., and Matveev, V.V. Spravochnik po soprotivleniyu materialov [Handbook on Strength of Materials]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1988, 736 p. (In Russian).

И. Г. Емельянов, Д. А Огорелков

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТОЛСТОСТЕННОЙ ОБОЛОЧКИ С УЧЕТОМ КОНТАКТА С ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДОЙ

С использованием численных и экспериментальных методов решена мультидисциплинарная задача определения напряженного состояния стальной оболочки вращения в условиях механического нагружения и температурного воздействия с учетом ее контакта с водородсодержащей средой. В работе используется разработанный математический аппарат решения задач теплопроводности для решения задачи диффузии водорода в металл. Действующие напряжения и их инварианты определяются решением нелинейной краевой задачи термопластичности толстостенной оболочки вращения в трехмерной постановке. В работе учитывается экспериментально зафиксированный эффект изменения механических свойств стали под воздействием водорода. Даны количественные оценки правильности предлагаемого метода и выполненных расчетов путем сравнения с известной задачей, имеющей аналитическое решение. Показана возможность и необходимость учитывать изменение механических свойств при определении напряженного состояния стальных конструкций, работающих в условиях контакта с водородсодержащей средой.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания ИМАШ УрО РАН (тема АААА-А18-118020790140-5).

Ключевые слова: толстостенная оболочка, сталь, водород, диффузия, эксперимент, механические свойства, напряженное состояние

Библиография:

Карпенко Г. В., Крипякевич Р. И. Влияние водорода на свойства стали. – М. : Металлургиздат, 1962. – 192 с.
Шрейдер А. В., Шпарбер И. С., Арчаков Ю. И. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование. – М. : Машиностроение,1976. – 144 с.
Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. – М. : Металлургия, 1985. – 192 с.
Ребяков Ю. Н., Чернявский А. О., Чернявский О. Ф. Деформирование и разрушение материалов и конструкций в условиях диффузии // Вестник ЮУрГУ. – 2010. – № 10. – С. 4–16.
Овчинников И. И., Овчинников И. Г. Влияние водородосодержащей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». – 2012. – № 4. – URL: https://naukovedenie.ru/PDF/60tvn412.pdf
Tehranchi A., Curtin W. A. The role of atomistic simulations in probing hydrogen effects on plasticity and embrittlement in metals // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 216. – P. 106502. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106502.
Hydrogen embrittlement of 3-D printing manufactured austenitic stainless-steel part for hydrogen service / S.-W. Baek, E. J. Song, J. H. Kim, M. Jung, U. B. Baek, S. H. Nahm // Scripta Materialia. – 2017. – Vol. 130. – P. 87–90. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.11.020.
Evaluation of material susceptibility to hydrogen embrittlement (HE): an approach based on experimental and finite element (FE) analyses / T. Dasa, E. Legranda, S. V. Brahimia, J. Songa, S. Yue // Engineering Fracture Mechanics. – 2020. – Vol. 224. – P. 106714. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106714.
Shishvana S. S., Csányi G., Deshpande V. S. Hydrogen induced fast-fracture // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 2020. – Vol. 134. – P. 103740. – DOI: 10.1016/j.jmps.2019.103740.
The roles of internal and external hydrogen in the deformation and fracture processes at the fatigue crack tip zone of metastable austenitic stainless steels / Y. Ogawa, S. Okazaki, O. Takakuwa, H. Matsunaga // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 157. – P. 95–99. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.08.003.
Effect of fracture mode on acoustic emission behavior in the hydrogen embrittled low-alloy steel / E. D. Merson, P. N. Myagkikh, G. V. Klevtsov, D. L. Merson, A. Vinogradov // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 210. – P. 342–357. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.05.026.
Anand L., Mao Y., Talamini B. L. On modeling fracture of ferritic steels due to hydrogen embrittlement // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 2019. – Vol. 122. – P. 280–314. – DOI: 10.1016/j.jmps.2018.09.012.
Pradhan A., Vishwakarma M., Dwivedi S. K. A review: The impact of hydrogen embrittlement on the fatigue strength of high strength steel // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 26, part 2. – P. 3015–3019. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.02.627.
Tehranchi A., Curtin W. A. Atomistic study of hydrogen embrittlement of grain boundaries in nickel: I. Fracture // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 2017. – Vol. 101. – P. 150–165. – DOI: 10.1016/j.jmps.2017.01.020.
Yu H., Cocks A. C. F., Tarleton E. The influence of hydrogen on Lomer junctions // Scripta Materialia. – 2019. – Vol. 166. – P. 173–177. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.03.022.
Effect of hydrogenation temperature and tensile stress on the parameters of the complete deformation diagram for steel 09G2S / V. I. Mironov, I. G. Emelyanov, D. I. Vichuzhanin, L. M. Zamaraev, D. A. Ogorelkov, V. V. Yakovlev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2020. – Iss. 1. – P. 24–33. – DOI: 10.17804/2410-9908.2020.1.024-033. – URL: http://dream-journal.org/issues/2020-1/2020-1_279.html
A Method for experimental investigation of degradation processes in materials / V. I. Mironov, I. G. Emelyanov, D. I. Vichuzhanin, I. S. Kamantsev, V. V. Yakovlev, D. A. Ogorelkov, L. M. Zamaraev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2019. – Iss. 2. – P. 16–27. – DOI: 10.17804/2410-9908.2019.2.016-027. – URL: http://dream-journal.org/issues/2019-2/2019-2_246.html
Методы расчета оболочек : в 5 т. / отв. ред. А. Н. Гузь. Т. 3 : Шевченко Ю. Н., Прохоренко И. В. Теория упругопластических оболочек при неизотермических процессах нагружения. – Киев : Наукова думка, 1981. – 296 с.
Методы расчета оболочек : в 5 т. / отв. ред. А. Н. Гузь. Т. 4 : Григоренко Я. М., Василенко А. Т. Теория оболочек переменной жесткости. – Киев : Наукова думка, 1981. – 544 с.
Лыков А. В. Тепломассообмен : справочник. – М. : Энергия, 1978. – 480 с.
Араманович И. Г., Левин В. И. Уравнения математической физики. – М. : Наука, 1969. – 288 с.
Воробьев А. Х. Диффузионные задачи в химической кинетике : учебное пособие. − М. : МГУ, 2003. – 98 с.
Черданцев Ю. П., Чернов И. П., Тюрин Ю. И. Методы исследования систем металл–водород : учебное пособие. – Томск : Изд-во ТПУ, 2008. – 286 с.
Галактионова Н. А. Водород в металлах. – М. : Металлургиздат, 1959. – 255 с.
Решение осесимметричной задачи термопластичности для тонкостенных и толстостенных тел вращения на ЕС ЭВМ / Ю. Н. Шевченко, М. Е. Бабешко, В. В. Пискун, И. В. Прохоренко, В. Г. Савченко. – Киев : Наукова думка, 1980. – 196 с.
Шевченко Ю. Н. Термопластичность при переменных нагружениях. – Киев : Наукова думка, 1970. – 288 c.
Илюшин А. А. Пластичность. Основы общей математической теории. – М. : Изд-во АН СССР, 1963. – 271 с.
Емельянов И. Г., Миронов В. И. Термодиффузионная задача наводороживания стальной оболочечной конструкции // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2018. – № 3. – С. 27–35. – DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.03.
Emelyanov I. G., Mironov V. I. The method for estimation of shell hydrogenation with variable geometrical and physics-mechanicals parameters // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2053. – P. 030012. – DOI: 10.1063/1.5084373.
Emelyanov I. G., Mironov V.I., Hodak A. S. The boundary value problem of determining hydrogen concentration and the stress state in a titanium shell // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2176. – P. 030005. – DOI: 10.1063/1.5135129.
Syrotyuk А. М., Leshchak R. L., Dorosh М. І. Experimental and analytic investigation of the hydrogenation of pipe steels // Materials Science. – 2018. – Vol. 53. – P. 811–817. –DOI: 10.1007/s11003-018-0140-0.
Ivanytskyi Ya. L., Hembara O. V., Chepil Ya. O. Determination of the durability of elements of power-generating equipment with regard for the influence of working media // Materials Science. – 2015. – Vol. 51. – P. 104–113. – DOI: 10.1007/s11003-015-9815-y.
Сосуды и трубопроводы высокого давления : справочник / Хисматулин Е. Р., Королев Е. М., Лившиц В. И. и др. – М. : Машиностроение, 1990. – 384 с.
Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. – Киев : Наукова думка, 1988. – 736 c.

Библиографическая ссылка на статью

Emelyanov I. G., Ogorelkov D. A. The Stress State of a Thick-Walled Shell with Allowance for Contact with a Hydrogen-Containing Medium // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 2. - P. 20-35. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.2.020-035. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_418.html
(accessed: 21.12.2024).