Исследование влияния остаточных сварочных напряжений на параметры двухосности напряженного состояния у вершины трещины, расположенной на стенке трубопровода
Прокопьев Л.А.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Якутск
Голиков Н.И.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск
Андреев Я.М.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Якутск
Лукин Е.С.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»; Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск
Максимова Е.М.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Якутск
Ключевые слова: коэффициент интенсивности напряжений, Т-напряжения, коэффициент биаксиальности, остаточные сварочные напряжения, метод конечных элементов, трещина.
Аннотация. В статье представлены результаты комплексного численного анализа влияния остаточных сварочных напряжений на напряженно-деформированное состояние у вершины трещины, расположенной на стенке трубопровода. Исследование выполнено с применением трехмерного моделирования методом конечных элементов для прямошовной трубы диаметром 530 мм с толщиной стенки 7 мм, содержащей полуэллиптическую поверхностную трещину. Моделирование учитывало реальное распределение остаточных напряжений, возникающих при сварке, и их взаимодействие с эксплуатационными нагрузками от внутреннего давления. Анализ результатов выявил значительное влияние остаточных напряжений на параметры механики разрушения: коэффициент интенсивности напряжений, Т-напряжения, коэффициент биаксиальности. Учет остаточных напряжений приводит к возрастанию коэффициента интенсивности напряжений на 41-46% по сравнению с расчетами, учитывающими только рабочие нагрузки. Коэффициент биаксиальности увеличивается на 122%, что свидетельствует о формировании двухосного напряженного состояния. Наибольшие растягивающие напряжения зафиксированы на внутренней поверхности трубы, формируя зоны повышенной опасности для развития трещин. Проведенные расчетные оценки коррелируются с экспериментальными данными инструментальных измерений остаточных напряжений и характером разрушений участков газопроводов, что подтверждает адекватность применяемой методики моделирования и достоверность полученных результатов. Исследование подтвердило необходимость комплексного подхода при оценке трещиностойкости трубопроводов, учитывающего совместное действие остаточных сварочных напряжений и эксплуатационных факторов. Разработанная методика позволяет: точнее прогнозировать развитие трещиноподобных дефектов, объективнее оценивать остаточный ресурс конструкций, оптимизировать периодичность диагностических обследований. Полученные результаты имеют практическое значение для совершенствования методов неразрушающего контроля, обоснования нормативов по допустимым дефектам, разработки технологий ремонта сварных соединений, повышения безопасности эксплуатации трубопроводов в северных регионах.
Research of the influence of residual welding stresses on bi-axiality parameters of stress state at the crack tip in pipeline wall
Prokopyev L.A.
Federal Research Centre “The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”, Yakutsk
Golikov N.I.
V.P. Larionov Institute of Physical-Technical Problems of the North of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Yakutsk
Andreev Ya.M.
Federal Research Centre “The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”, Yakutsk
Lukin E.S.
Federal Research Centre “The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”; V.P. Larionov Institute of Physical-Technical Problems of the North of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Yakutsk
Maksimova E.M.
Federal Research Centre “The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”, Yakutsk
Keywords: stress intensity factor, T-stress, biaxiality ratio, residual welding stresses, finite element analysis, crack.
Abstract. The article presents the results of a comprehensive numerical analysis of the influence of residual welding stresses on the stress-strain state at the tip of a crack located on the pipeline wall. The study was performed using three-dimensional finite element modeling of a 530 mm diameter straight-seam pipe with a 7 mm wall thickness, containing a semi-elliptical surface crack. The simulation accounted for the actual distribution of residual stresses arising from welding and their interaction with operational loads from internal pressure. Analysis of the results revealed a significant influence of residual stresses on fracture mechanics parameters: stress intensity factor, T-stresses, and biaxiality ratio. Accounting for residual stresses leads to an increase in the stress intensity factor by 41-46% compared to calculations considering only operational loads. The biaxiality ratio increases by 122%, indicating a transition to a significantly biaxial stress state. The highest tensile stresses were recorded on the inner surface of the pipe, forming zones of increased risk for crack propagation. The computational estimates correlate with experimental data from instrumental measurements of residual stresses and the failure patterns of gas pipeline sections, confirming the adequacy of the applied modeling methodology and the reliability of the obtained results. The study confirmed the necessity of a comprehensive approach to assessing pipeline fracture toughness, which considers the combined effect of residual welding stresses and operational factors. The developed methodology enables: more accurate prediction of crack-like defect growth, more objective assessment of the residual life of structures, and optimization of the frequency of diagnostic inspections. The obtained results are of practical importance for improving non-destructive testing methods, justifying standards for permissible defects, developing repair technologies for welded joints, and enhancing the operational safety of pipelines in northern regions.