Проблема оценки надежности и ресурса металлоконструкций, работающих в условиях низких климатических температур, на сегодняшний момент является наиболее актуальной задачей обеспечения техногенной безопасности сложных технических систем. Если в начале прошлого века задачей инженеров было решение задач прочности конструкций методами сопротивления материалов, а в 60-70 годах - решение задач обеспечения прочности, надежности и хладостойкости машин и конструкций, то сегодня задача стоит о комплексной оценке прочности, надежности, хладостойкости и безопасности сложных технических систем. Данные задачи, в первую очередь, ставит Федеральный закон "О промышленной безопасности", а также ускоряющиеся темпы промышленного роста и освоения природных ресурсов Северо-Востока России. Решение проблемы требуется рассматривать с нескольких позиций: усовершенствование методов диагностики и мониторинга; разработка новых методов расчета предельного состояния элементов конструкций; и экспериментальные исследования физико-механических свойств материалов. Проблемы безопасности функционирования сложных технических систем таких, как трубопроводный транспорт, энергетические установки, экскаваторы, драги и многих других, эксплуатируемых в условиях Севера, тесно связаны с задачами их диагностики, оценки и продления ресурсов. Для Крайнего Севера требуется учет ряда специфических факторов, что не позволяет в прямом виде применять методы, разрабатываемые для других регионов России и мира. Все эти факторы взаимосвязаны.

Понятия хладостойкость элементов конструкций и хладноломкость металлов практически появились в начале шестидесятых годов после успешного начала освоения космического пространства. В пятидесятые годы велись исследования поведения материалов в условиях вакуума и при температурах жидкого водорода и азота, которые в шестидесятые годы постепенно перешли в исследование порога хладноломкости сталей для производства элементов металлоконструкций массового производства, эксплуатирующихся в условиях экстремально низких климатических температурах. В семидесятые годы в результате этих исследований были созданы новые марки сталей - низколегированных, порог хладноломкости которых лежал ниже стандартизованной климатической температуры эксплуатации, особенно в условиях Крайнего Севера. Результаты этих исследований используются для предотвращения хрупких разрушений в условиях низких климатических температур с целью повышения безопасности эксплуатации опасных производственных объектов, к которым относятся большие механические системы, и (или) повышения эффективности техники в северном исполнении.

Вопросы повышения безопасности опасных промышленных объектов путем предотвращения хрупких разрушений их элементов с каждым годом становятся все более актуальными и острыми, особенно это относится к нефтегазопроводам и резервуарам, длительно эксплуатирующимся в условиях низких температур.

Анализ случаев разрушений трубопроводов и резервуаров показывает, что новые металлоконструкции всегда останавливают трещину (свищ), а старые рассыпаются на осколки. Можно предположить, что за время длительной эксплуатации в металле конструкций накапливается столько повреждений, что любое нарушение сплошности тела, например, трубы приводит к спонтанному разрушению осколочного характера. Отсюда вытекает общая постановка задачи исследований опасных производственных объектов типа газонефтепроводов большого диаметра после длительной эксплуатации - каким образом обнаруженные при проведении диагностики стареющих металлоконструкций дефекты ранжировать не только по геометрическим размерам и формам, но и по степени риска возникновения катастрофических аварий с учетом накопления повреждений в процессе эксплуатации. Очевидно, что к методикам поверочного расчета на прочность, таких как методики расчета по скорости коррозии металла; методики расчета трещиностойкости металла; методики расчета на усталость металла; методики расчета узлов оборудования, работающего в условиях ползучести, должны быть добавлены методики расчета хладостойкости по результатам диагностики металлоконструкций в зависимости от срока эксплуатации.

Решение проблем повышения надежности, прогнозирования несущей способности и остаточного ресурса машин и конструкций, при эксплуатации в условиях Крайнего Севера, затруднено влиянием низких климатических температур на изменение физико-механических свойств материалов. Анализ современного состояния исследований в данной области показывает, что существующие расчетные методы базируются, в основном, на неизменности свойств и сопротивляемости зарождению, развитию и распространению трещины и не в полной мере учитывают: влияние изменения структуры поврежденности на процессы пластического деформирования; влияние неоднородности напряженно-деформированного состояния на предельные характеристики упрочняющихся конструкционных сталей.

Повышение надежности и несущей способности металлоконструкций и сооружений, работающих при низких климатических температурах, требует решения фундаментальных задач, а именно: разработка феноменологических основ оценки хладостойкости от материала до конструкции по физически обоснованным параметрам; оценка предельных параметров в зависимости от структурной поврежденности; разработка методологических алгоритмов, оценки хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации. Комплексные исследования по оценке хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера ранее не проводились.

Цель диссертационной работы заключается в развитии научных основ анализа остаточного ресурса и в разработке методов и критериев оценки хладостойкости труб и сосудов при статических нагрузках после длительной эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью, требовалось решение следующих задач:

путем проведения комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин разрушений магистральных трубопроводов и резервуаров Севера выявить и систематизировать основные факторы, влияющие на надежность и прочность после их длительной эксплуатации;

изучить физико-механические свойства трубных сталей северного исполнения, создать базу данных и оценить характеристики сопротивления хрупкому разрушению материалов конструкций длительно эксплуатирующихся в условиях Севера;

провести экспериментальные исследования механических свойств и характеристик статической трещиностойкости на образцах моделированием потери пластичности в виде поврежденности и низких температур и обосновать предельное состояние при разрушении в результате потери пластичности;

исследовать границы потери пластичности на образцах, провести корреляцию с методами неразрушающего контроля и сформулировать критерий хрупкого разрушения при потере пластичности;

разработать критерий потери пластичности материала для оценки показателей хладостойкости конструкций, длительно эксплуатирующихся в условиях Севера;

разработать методику и алгоритм оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа трубопроводов и резервуаров Севера после длительной эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в развитии экспериментальных методов оценки предельного состояния и усовершенствовании подходов оценки вязкохрупкого перехода для элементов конструкций, типа труб и сосудов большого диаметра после длительной эксплуатации, на основе подходов механики разрушения. При этом получены следующие основные научные результаты:

разработан метод оценки хладостойкости тонкостенных металлоконструкций, типа магистральных трубопроводов и сосудов давления большого диаметра после длительной эксплуатации, путем расчетного определения второй критической температуры вязкохрупкого перехода с использованием предельной кривой потери пластичности, установленной испытаниями на образцах характеристик статической трещиностойкости, механических свойств и показателя потери пластичности с учетом конструктивных размеров;

разработана экспериментально обоснованная предельная кривая разрушения в зависимости от характеристик статической трещиностойкости, механических свойств и характера потери пластичности, смоделированная на образцах в виде поврежденности и низких температур;

исследование границ потери пластичности на образцах позволило предложить критерий пластичности материала заключающийся в исчерпании пластической составляющей в упруго-пластическом деформировании вследствие воздействия различных факторов;

проведена корреляция фактора потери пластичности материала с микротвердостью, позволяющая оценить деформационное старение материала методами неразрушающего контроля;

на основе проведенных исследований потери пластичности, предложено условие хрупкого разрушения материала конструкции в виде деформационного критерия потери пластичности, состоящей из факторов поврежденности и низких температур, позволяющая оценить хладостойкость конструкции после длительного периода эксплуатации.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке метода оценки хладостойкости тонкостенных металлоконструкций типа трубопроводов и резервуаров большого диаметра после длительной эксплуатации и составляют единый прикладной комплекс для решения задач по обеспечению требуемого уровня эксплуатационной надежности конструкций Севера в результате исчерпания несущей способности.

Результаты диссертационной работы использованы для разработки практических рекомендаций по оценке технического состояния и хладостойкости трубопроводов и резервуаров, работающих в условиях Севера, а также стандартов предприятий по расследованию аварий и инцидентов на опасных производственных объектах:

1. Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Оценки технического состояния непроектных участков магистрального газопровода.

2. Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Сбор, хранение и подготовка первичной информации для оценки технического состояния и проведения исследования причин отказов и разрушения магистрального газопровода.

3. Методические рекомендации. Хладостойкость магистральных газопроводов при эксплуатации.

4. Стандарт организации. Положения проведения технического расследования аварий и инцидентов на опасных производственных объектах.

5. Программа проведения экспертизы промышленной безопасности резервуаров для нефти и нефтепродуктов.

Перечисленные нормативно-технические документы внедрены в производственные предприятия: ОАО "Якутгазпром", ОАО "Сахатранснефтегаз", ОАО "Саханефтегазсбыт", а также в экспертную организацию ЗАО НПП "ФизтехЭРА".

Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ Института физико-технических проблем Севера им.В.П. Ларионова СО РАН по темам:

1.11.1.10 Разработка методов моделирования неравновесных процессов в гетерогенных материалах и создание новых материалов, технологий и основ оптимального проектирования для повышения надежности и работоспособности конструкций и машин, работающих под действием статических и динамических нагрузок в условиях Крайнего Севера. Раздел 3. Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов распространения стабильной (хрупкой) трещины как последействие автоволновых деформаций в твердом теле с системой рассеянных повреждений и дефектов (1996-2000). № гос. регистрации 0196000703.

3.3, 2.3.6 Разработка и усовершенствование методов расчета прочности, надежности и оценки ресурса элементов машин и конструкций, работающих в условиях Севера. Раздел 1. Разработка методики экспериментально-расчетной оценки несущей способности и расчета показателей надежности элементов конструкций эксплуатирующихся в условиях холодного климата (2003-2005). № Гос. рег.01.2.00.107181.

Фундаментальная программа РАН 3.16.3 Динамика и устойчивость многокомпонентных машиностроительных систем с учетом техногенной безопасности. Проект: "Оценка риска и системы контроля технической безопасности", тема: "Техногенная безопасность и оценка ресурса больших механических систем с учетом воздействия низких климатических температур" (2004-2006).

Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций. Программы 8.3 Физика и механика деформирования и разрушения однородных и композитных материалов и конструкций для транспортных и авиационных систем. Проект "Развитие теории хрупкого разрушения кристаллических конструкционных материалов и их неразъемных соединений с накопленными повреждениями в условиях низких температур (до - 120⁰ С)". Блок 1. Исследование закономерностей поведения деградирующих твердых тел для прогнозирования их ресурса от воздействия различных силовых нагрузок и механохимического поведения материалов с различной поликристаллической структурой и их неразъемных соединений в элементах конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах ( - 120⁰ С) (2006-2009).

Достоверность научных положений и полученных результатов обоснована:

общепринятыми апробированными исходными положениями;

применением стандартных методов исследований и обработки результатов;

соответствием результатов исследований, полученных автором, с результатами других исследователей в этой области.

Личный вклад автора состоит:

в постановке задачи исследования, формулировке основных положений, определяющих научную новизну и ее практическую значимость;

в разработке подходов, критериев и методов расчета на хладостойкость после длительной эксплуатации;

в непосредственном руководстве организацией и проведением всех этапов исследований эксперимента и расчета показателей хладостойкости;

в формулировке подходов оценки потери пластичности и обработке результатов исследований.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы докладывались и обсуждались на: Международном семинаре "Механические свойства и разрушение сталей при низких температурах" (г. Санкт-Петербург,19 апр. 1996г.); Научно-практической конференции "Молодежь и наука РС (Я) (г. Якутск, 5-6 дек. 1996 г.); Научно-практической конференции "Якутск-столица северной республики: глобальные проблемы градосферы и пути их решения"; Региональном семинаре "Технология и качество сварки в условиях низких температур" (г. Якутск, 9-14 июня 1997 г.); Всероссийской конференции "Проблемы защиты населения территорий от чрезвычайных ситуаций" (г. Красноярск, 21-25 сент. 1997 г.); Научно-техническом семинаре "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" (г. Санкт-Петербург, 1998 г.); II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г. Якутск, 20-27 августа 2004 г.); XI-й Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций "Актуальные проблемы гражданской защиты" (18-20 апреля 2006 г. Москва); IV Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (22-27 июля 2008 г. Якутск); I-й Научно-практической конференции "Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объектов в условиях Крайнего Севера: Проблемы и пути решения" (г. Якутск, 20-22 мая 2009 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 45 научных работах, в том числе 1 монография, 14 статей в журналах.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов, списка источников, приложения и изложена на 358 страницах машинописного текста с 41 таблицей и 130 рисунками и списка литературы из 319 источников.

Основное содержание работы

1. Методы оценки хладостойкости

В первой главе проведены: аналитический обзор методов оценки сопротивления хрупкому разрушению; анализ предельного состояния элементов конструкций при низких температурах и деформационных критериев механики разрушения.

На протяжении многих лет, фундаментальные основы анализа хрупких разрушений даны в работах А.Е. Андрейкива, В.В. Болотина, Р.В. Гольдштейна, Н.Н. Давиденкова, А.Ф. Иоффе, Л.А. Копельмана, А.Я. Красовского, Н.А. Махутова, Е.М. Морозова, В.В. Панасюка, В.З. Партона, Ю.Н. Работнова, С.В. Серенсена, G. R. Irwin A. A. Griffith, J. M. Robertson и др.

Прикладные задачи, связанные с разработкой методов оценки хрупкого разрушения крупногабаритных металлоконструкций, рассматривались в работах Е.М. Баско, А.В. Викулина, А.Г. Гумерова, Ю.И. Егорова, О.М. Иванцова, П.Ф. Кошелева, В.Н. Красико, А.Я. Красовского, С.А. Куркина, В.П. Ларионова, Н.А. Махутова, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичева, А.М. Лепихина, А.В. Лыглаева, Ю.И. Пашкова, Ю.П. Солнцева, В.Т. Трощенко, В.В. Харионовского, F.M. Burdekin, K. Kalna, T. Kanazawa, W. Weibull, и др.

Проблемы повышения безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и объектов нефтяной и газовой промышленности, т.е. сложных технических систем (СТС), в суровых климатических условиях Крайнего Севера приобретают актуальные значения. В связи с трудностью энергетического и технического снабжения на Крайнем Севере, любые виды разрушения СТС могут привести к катастрофическим последствиям в экономическом, техногенном, энергетическом и экологическом положении.

Для металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур, одним из основных требований является обеспечение хладостойкости материала. Одним из критериев оценки опасности и предотвращения хрупкого разрушения металлов является критическая температура хрупкости. Для определения температуры хрупкости используются различные показатели: уровень ударной вязкости, по результатам испытаний образцов Шарпи с V-образным надрезом; процент вязкой составляющей в изломе, по результатам испытаний образцов DWTT. Основным недостатком данных методов является то, что эти показатели не учитывают напряженно-деформированное состояние элемента конструкции. Для расчетов на сопротивление хрупкому разрушению получили развитие методы построения зависимостей от приведенной температуры (равной разности температуры эксплуатации и температуры хрупкости) и вторая критическая температура вязко-хрупкого перехода для элементов тонкостенных металлоконструкций.

Как известно, разрушение материалов при напряжениях ниже их расчетной прочности связано с наличием и образованием различного рода дефектов типа трещин. Отличительная особенность хрупкого разрушения элементов конструкций связана с мгновенным распространением магистральной трещины при максимальных эквивалентных напряжениях равных или ниже предела текучести конструкционных материалов. Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования хрупкого разрушения позволяют охарактеризовать закономерности образования и развития хрупких трещин в связи с основными конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами.

Анализ разрушений конструкций при низких температурах, с одной стороны, и температурных зависимостей ударной вязкости, с другой стороны, показали, что сопротивление хрупкому разрушению при некоторых температурах, называемых критическими, резко снижается (ударная вязкость для конструкционных малоуглеродистых сталей снижается 2-10 раз).

Объяснение критичности температур вытекает из схемы, предложенной А.Ф. Иоффе, в соответствии с которой при снижении температуры испытаний на гладких образцах предел текучести у_Т повышается, а сопротивление отрыву S_от остается практически постоянным. Температура, при которой достигается равенство у_Т и S_от, является критической, т.е.

при (1)

Разрушение элемента конструкции с трещиной (исходной или возникшей в процессе статического или циклического нагружения) может быть хрупким или вязким. Эти виды разрушения определяются уровнем местных пластических деформаций в вершине трещины и отличаются номинальными разрушающими напряжениями, скоростями развития трещины и видом излома. При этом в качестве основных критериев хрупкого разрушения элемента конструкции принимаются: первая Т_КР1 и вторая Т_КР1 критические температуры; величина номинальных разрушающих напряжений у_С или деформаций е_С; критические значения интенсивности напряжений К_С и деформаций К_Ie. Используя эти критерии разрушения, можно оценить предельные состояния элемента конструкции с трещиной в условиях низких температур и произвести оценку запасов по критическим температурам.

Обеспечение достаточной хладостойкости означает предотвращение хрупких разрушений элементов конструкций при нагрузках, существенно ниже расчетных. К настоящему времени, общепризнанными являются два подхода, базирующиеся на представлениях о критической длине дефекта и о критической температуре хрупкости. Первый подход основан на предотвращении предельного состояния в вершине существующего или трещиноподобного дефекта при заданных условиях нагружения. Второй подход предполагает запрет эксплуатации конструкции при температуре, ниже допускаемой. Оба эти подхода развивались обособленно, первый для создания хладостойких конструкционных материалов, а второй для разработки экспериментально-расчетных методов оценки хладостойкости элементов конструкций, хотя связаны с одним и тем же явлением - вязко-хрупким переходом в металлах.

Для элементов конструкций критическая температура перехода из одного состояния в другое устанавливается по данным эксперимента на стандартных образцах, при этом учитываются смещения первой и второй критической температуры под влиянием конструктивных и технологических факторов:

(2)

Наибольшую сложность для инженерных расчетов, представляет именно корректное определение смещения критической температуры хрупкости для элементов конструкций. Такое смещение вызвано рядом особенностей, таких как геометрия конструкции и, возникающим отсюда, сложным характером концентраторов напряжений, неоднородностью напряженно-деформированного состояния, технологической и эксплуатационной дефектностью.

Особую сложность вызывают расчеты на прочность и надежность деталей машин и элементов конструкций, длительно эксплуатирующихся при низких климатических температурах. На данный момент не существует методов оценки хладостойкости крупногабаритных металлоконструкций, типа трубопроводов и резервуаров, после длительной эксплуатации. Для решения данной задачи по инженерному подходу, предлагается в виде системы расчетов на хладостойкость:

оценка предельного состояния и факторы, ограничивающие хладостойкость несущих конструкций после длительной эксплуатации;

оценка показателей хладостойкости, количественно характеризующие изменение надежности конструкции (запас прочности, ресурса, риска отказа конструкции и т.п.) при понижении температуры;

методика расчета показателей хладостойкости;

регламентирующая научно-техническая документация, технико-экономического анализа показателей и выбора оптимального режима эксплуатации конструкции по техническому состоянию в условиях низких температур.

2. Катастрофические разрушения газопроводов и резервуаров Севера

Общую последовательность развития разрушений трубопроводов и резервуаров Севера можно представить следующим образом. В результате циклических температурных напряжений и колебания рабочего давления за время эксплуатации трубопровода или резервуара около монтажных и конструкционных дефектов накапливаются повреждения (вакансии, дислокации и т.д.), которые служат зародышем трещиноподобных дефектов, и при достижении критического размера или условия в процессе эксплуатации, происходит хрупкое или квазихрупкое распространение трещины по основному металлу и кольцевым сварным швам. Изломы разрушившихся труб и сварных соединений, как правило, имеют хрупкое строение без видимых пластических деформаций с характерным для этого вида шевронным узором. Основным механизмом разрушения является отрыв, однако, имеются и вязкие разрушения основного металла труб с незначительной утяжкой, при этом разрушение происходит по механизму сдвига. Статистический анализ отказов и аварий газопроводов показал, что частота разрушений имеет определенную связь со сменой времени года, т.е. с сезонными колебаниями температуры грунта и газа. Наибольшее количество отказов приходится на осенне-зимние месяцы, именно в этот период приходится более 40% всех разрушений, что объясняется резким увеличением потребления газа и геокриологическими условиями этого времени года.

Однако, в последнее время ряд, разрушений на магистральных газопроводах "первого поколения" показывает на усталостный вид развития трещин по основному металлу. Часть системы газопроводов имеет эксплуатационный возраст 30 и более лет, общее техническое состояние линейной части этих газопроводов с каждым годом ухудшается, так как эксплуатационный ресурс практически исчерпан. Из-за старения металла труб газопровода, существенно снизилась сопротивляемость сварных соединений и основного металла хрупкому разрушению, происходит необратимое изменение механических свойств и характеристик трещиностойкости. В этих условиях, очевидно, возрастает риск катастрофических разрушений, прежде всего участков газопроводов смонтированных более 30 лет назад, общая длина которых составляет примерно около 500 км, так как скорость протекания разрушения в этих конструкциях значительно больше, чем в конструкциях с наибольшим запасом прочности.

Анализ аварий на 185 и 183 км II-й нитки магистрального газопровода Берге-Якутск и резервуара РВС-700 (рис. 1) показывает на катастрофический, хрупкий тип разрушений. Аварии представляют собой раскрытие металла вдоль оси цилиндрических конструкций, протяженностью на несколько метров. Визуальные и фрактографические обследования фрагментов разрушившихся труб и резервуаров показывают, что распространение трещин происходило по механизму - отрывом, на местах остановки трещины переходящим на квазихрупкий вид с пластическими составляющими.

Результаты механических испытаний указывают на повышение прочностных характеристик, временного сопротивления и предела текучести, а также снижение пластических характеристик материала труб (относительного удлинения и относительного сужения) и характеристик ударной вязкости до 50% и более, по сравнению с исходным металлом, это объясняется деформационным старением основного металла газопровода и особенно металла в зоне термического влияния, вследствие длительного периода эксплуатации.

Процесс деформационного старения малоуглеродистых и низколегированных сталей магистральных трубопроводов включает в себя все основные механизмы: накопление необратимых микропластических напряжений (движение дислокаций), перераспределение атомов углерода, азота и других элементов, взаимодействие примесных атомов с дислокациями, распад цементита и образование новых карбидных частиц, образование микротрещин, при накоплении одноименных дислокаций у различных препятствий (границ зерен или субзерен, примесных атомов, вакансий).

Рис. 1. Разрушения резервуаров и магистральных газопроводов Севера

Комплексный анализ отказов и разрушений магистральных газопроводов, оборудований нефтяной и газовой промышленности, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов после длительной эксплуатации показывает, что основной причиной является: исчерпание несущей способности, выражающееся в потере пластичности материала конструкции в результате воздействия различных факторов, в том числе низких температур, при этом разрушения носят лавинообразный, катастрофический характер.

На многих отраслях промышленности Севера эксплуатируются трубопроводы, сосуды давления и резервуары, отработавшие более 20-40 лет, многие из них отработали свой проектный ресурс. В связи с этим перед научными и производственными организациями возникает задача научно обоснованного продления ресурса, предупреждения возникновения аварий сварных конструкций. Одним из этапов решения данной проблемы является проведение комплексного обследования технического состояния резервуаров, с помощью средств неразрушающего контроля для обнаружения дефектов и трещин. С этой целью, были обследованы магистральные газопроводы и резервуарные парки, находящиеся в центральной и западной части республики.

По результатам проведенных обследований, это более 600 вертикальных и горизонтальных резервуаров, для хранения нефтепродуктов, по визуально-измерительному и радиографическому контролю обнаружено около 8580 дефектов. Из них преобладающее количество занимают подрезы около 45%, поры 30%, дефекты формы шва 15%, непровары 5%, шлаки 5%. По данным технического диагностирования участков магистральных газопроводов общей протяженностью 245 километров обнаружено около 1300 различных дефектов, из которых 29,3% занимают подрезы, 13,3% - поры, 29,3% - шлаки, 27,6% - непровары (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Распределение обнаруженных дефектов: а) резервуары для хранения ГСМ; б) магистральные газопроводы Кысыл-Сыр - Мастах-Берге-Якутск

Проведенное исследование особенностей размерного распределения дефектов магистральных газопроводов и резервуаров Севера, позволило сделать следующее заключение:

для сварных соединений газопроводов и резервуаров основными видами дефектов являются: подрезы, поры, непровары и шлаковые включения;

для автоматической сварки, преобладают дефекты в виде непроваров; для ручной дуговой - поры, шлаковые включения, подрезы, дефекты формы шва;

для рассмотренных случаев наиболее характерными являются вейбулловский (рис.3 и табл.1) и экспоненциальный законы распределения.

, (3)

где - параметры распределения.

Рис.3. Гистограмма и плотность распределения диаметра дефектов магистрального газопровода (автоматическая дуговая сварка)

Таблица 1. Параметры распределений дефектов для магистрального газопровода

3. Оценка предельного состояния при потере пластичности

Исследование механических свойств и характеристик трещиностойкости материалов, применяемых для конструкций Севера, являются базовыми знаниями для успешной эксплуатации высоконагруженных элементов конструкций, таких как магистральные газопроводы, сосуды высокого давления. С этой целью, в ИФТПС СО РАН создана база данных механических свойств и характеристик трещиностойкости, широкого класса низколегированных сталей, применяемых для строительства трубопроводов и сосудов давления Севера.

Изучение и анализ физико-механических свойств трубных сталей 16Г2САФ, 18Г2ФБ, 09Г2ФБ, 06Г2МБ, 09Г2СЮЧ, 09Г2С, Х70 показали на высокую пластичность и почти одинаковые прочностные свойства при положительных температурах. Пределы прочности и условные пределы текучести находятся в пределах от 585 до 625 МПа и от 456 до 490 МПа, т.е. отличаются не более чем на 8 и 6 %. При температуре 77К эти характеристики увеличиваются на 16 и 37 %. Если ранжировать данные стали по уменьшению прочностных свойств, в виде ряда в интервале температур от 293К до 203К, то эту последовательность можно представить следующим образом: 16Г2САФ, 18Г2ФБ, 06Г2МБ и 09Г2ФБ.

Проведена статистическая обработка характеристик трещиностойкости с использованием критического коэффициента интенсивности напряжений К_CJ, вычисленного по величине J_с, полученных на образцах типа 3 (внецентренное растяжение), типа 4 (трехточечный изгиб) по ГОСТ 25.506-85 для сталей: 09Г2ФБ, 06Г2МБ - контролируемой прокатки; 16Г2САФ и 18Г2ФБ - в нормализованном состоянии, применяемые для изготовления труб северного исполнения,

Для изучения влияния накопления поврежденности, были проведены механические испытания гладких образцов на малоцикловую усталость, с целью имитации процесса накопления поврежденности конструкционным материалом. Образцы, изготовленные по ГОСТ 11150-84 из сталей 15, 09Г2С испытывали на малоцикловую усталость с помощью разрывной машины "INSTRON" при следующих условиях нагружения: максимальное число циклов - 370 и 500 соответственно; коэффициент асимметрии цикла менялся в диапазоне 0<R<1; максимальная нагрузка - 2,7 кН (1,3у_т); амплитуда цикла - 2,55 кН.

Суть экспериментальных исследований заключается в имитации накопления поврежденности через проведение испытаний на малоцикловую усталость на стандартных образцах. После циклического нагружения, образцы подвергли одноосному растяжению до разрушения (рис.4) при низких температурах (рис.5). Результаты испытаний показали, что с увеличением числа циклов (накоплением поврежденности), пластичность стали уменьшается, т.е. происходит потеря пластичности (охрупчивание) материала.

Полученные данные легли в основу построения зависимости ув/ут от Дер /епл - предельной кривой (рис.6,7).