Разработка модели разрушения

Практическое занятие № 1: Разработка модели разрушения трубопровода.

Интенсивное развитие газовой промышленности требует ускоренного развития основной его составляющей - сети магистральных газопроводов.
Одной из главных задач в нефтегазовом комплексе на современном этапе является повышение требований к обеспечению безопасной эксплуатации трубопроводов и снижение рисков тяжелых аварий. Вместе с тем, необходимость транспортировки больших объемов газа требует решения проблемы повышения пропускной способности трубопроводов, которая достигается повышением рабочих скоростей и давления транспортирования, а также увеличением диаметра трубопровода.
Необходимость учета этих аспектов обусловлена угрозами масштабных пожаров, взрывов, загрязнений почвы и водоемов при утечках в условиях объективной невозможности полного исключения разрушений трубопроводов. В связи с этим, возникает необходимость дальнейшего экспериментального и теоретического изучения протяженных разрушений газопроводов с учетом свойств трубных сталей, особенностей нагружения и геометрических размеров труб, а также изучения механизма распространения разрушения в газопроводах.
Исследования были проведены на моделях линейной части трубопроводов, выполненных в масштабе 1:5 к натурному газопроводу диаметром 1020 мм. Анализ моделирования равновесных состояний и процесса разрушения на основе метода анализа размерностей физических величин, описывающих процесс разрушения, приведен в работе [1].
Модели изготовлены из листов стали марки Ст08 толщиной 1мм, диаметром 200 мм, длиной 1000 мм. Общий вид модели, подготовленной к испытаниям, приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Общий вид модели линейной части газопровода
Напряженное состояние стенки модели трубопровода определялось тензометрическими методами измерениями. Тензодатчики наклеивались на стенку в месте ослабления надрезом таким образом, чтобы предоставлялась возможность измерения кольцевых, продольных и касательных напряжений.
В качестве вторичных преобразователей служил осциллограф Н 044.1 в комплекте с десятиканальным тензоусилителем «Топаз-3-01». Запись производилась на осциллографной фотобумаге УФС, не требующей химической обработки. При измерении скорости распространения трещины по корпусу модели от внутреннего давления воспользовались методикой, описанной в работе [2].
Определение остаточной пластической деформации в кольцевом, продольном и радиальном направлениях производили методом координатной сетки. На зачищенный внешний корпус модели путем накернения лунок наносили координатную сетку с базой 5мм.
Измерение базы координатных сеток осуществляли деформометром. Иглы деформометра устанавливали в соседние лунки и по показанию индикатора часового типа определяли расстояние между лунками. Замеры базы координатной сетки производили до и после разрушения и по разнице между ними определяли абсолютную деформацию, а отношение последней к базе координатной сетки давало возможность определения компонент относительной пластической деформации. Направление и величину главных деформаций определяли путем измерения диагоналей ромба, возникающего в результате деформирования квадратных ячеек координатной сетки. Ширину зоны пластической деформации по берегам трещины определяли путем измерения утонения стенки модели.
После разрушения модели перпендикулярно по берегам трещины разрыва были вырезаны полосы металла и при помощи микрометра произведены замеры толщин стенки модели на различных расстояниях от кромки трещины, по которым и устанавливалась ширина зоны пластической деформации по берегам трещины (рисунок 2).

Рисунок 2 – Измерение ширины зоны пластической деформации по берегам трещины
Экспериментальные исследования разрушения моделей позволили выявить особенности изменения геометрической формы оболочки и распространения трещины по корпусу модели. По мере увеличения давления в испытуемой модели трубы, в месте инициатора разрушения визуально было замечено интенсивное выпучивание стенки модели.
Начало разрушения связано с мгновенным разрушением места стенки модели у надреза, которое сопровождалось характерным хлопком и истечением воздуха из модели. Разрушение корпуса модели произошло отрывом при достижении предельного давления 2,3 МПа. Визуальное обследование зоны разрушения выявило, что в области у вершины трещины образуется вогнутость, а сечение,