О механохимической коррозии трубы с отклонением по толщине под действием внешнего и внутреннего давления

  • Чжао Шисян Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия) https://orcid.org/0000-0002-4731-1397
Ключевые слова: механохимическая коррозия, конечно-элементный анализ, прочность, трубопровод, овальность трубы, отклонение по толщине

Аннотация

Работа посвящена компьютерному моделированию внутренней механохимической коррозии линейной части длинных трубопроводов, находящихся под действием внутреннего и внешнего давления агрессивных сред. Полагается, что внешняя граница поперечного сечения трубы является круговой, а его внутренняя граница – эллиптической. Задача исследуется в двухмерной постановке. Многие решения, касающиеся неравномерного коррозионно-механического износа, основаны на предположениях о сохранении определенной формы корродирующего изделия. Кроме того, аналитическое решение для идеальной трубы дает существенно завышенную долговечность в случае трубы с отклонением по толщине стенки даже в пределах стандартных допусков. Следовательно, хорошим подходом для решения подобных задач труб с дефектами является компьютерное моделирование. В работе проведен численный эксперимент для конкретного примера по изучению влияния отклонения по толщине трубы на ее долговечность при помощи метода конечных элементов (МКЭ) в среде MATLAB. Предложена модель для моделирования коррозионного процесса. Обнаружено, что даже слабое изменение толщины стенки трубы вызывает концентрацию напряжений, при этом наличие механохимической коррозии приводит к еще большей разнотолщинности. Кроме того, к заметному сокращению долговечности трубы приводит как утонение, так и утолщение ее стенки. При этом чем больше разность внутреннего и внешнего давления, тем сильнее проявляется механохимический эффект и тем меньше прогнозируемый срок службы изделия. Наибольший рост абсолютных значений напряжений наблюдается на внутренней поверхности трубы в тех точках, где ее толщина имеет минимальные значения.

Биография автора

Чжао Шисян, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия)

магистрант

Литература

Gutman E.M. Mechanochemistry of Solid Surfaces. Singapore: World Scientific, 1994. 332 p.

Русанов А.И. Термодинамические основы механохимии. СПб.: Наука, 2006. 221 с.

Rusanov A.I. Thermodynamic aspects of materials science // Russian Chemical Reviews. 2016. Vol. 85. № 1. P. 1–13.

Elishakoff I., Ghyselinck G., Miglis Y. Durability of an Elastic Bar Under Tension With Linear or Nonlinear Relationship Between Corrosion Rate and Stress // Journal of Applied Mechanics. 2012. Vol. 79. № 2. P. 021013.

Gutman E., Bergman R., Levitsky S. Influence of internal uniform corrosion on stability loss of a thin-walled spherical shell subjected to external pressure // Corrosion Science. 2016. Vol. 111. P. 212–215.

Fridman M.M., Elishakoff I. Design of bars in tension or compression exposed to a corrosive environment // Ocean Systems Engineering. 2015. Vol. 5. № 1. P. 21–30.

Pronina Y. Design of pressurised pipes subjected to mechanochemical corrosion // Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications. London: CRC Press, 2019. P. 644–649.

Pronina Y., Sedova O., Grekov M., Sergeeva T. On corrosion of a thin-walled spherical vessel under pressure // International Journal of Engineering Science. 2018. Vol. 130. P. 115–128.

Sedova O.S., Pronina Y.G., Kuchin, N.L. A thin-walled pressurized sphere exposed to external general corrosion and nonuniform heating // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 1959. P. 070032. DOI: 10.1063/1.5034707.

Prevost J. H., Baker T. J., Liang J., Suo Z. A finite element method for stress-assisted surface reaction and delayed fracture // International Journal of Solids and Structures. 2001. Vol. 38. № 30–31. P. 5185–5203.

Tang Z., Li Q. Advances in research of stress-assisted corrosion fatigue problem // Journal of Zhejiang University-Science A. 2007. Vol. 8. № 2. P. 221–227.

Awrejcewicz J., Krysko A.V., Krylova E.Y., Yaroshenko T.Y., Zhigalov M.V., Krysko V.A. Analysis of flexible elastic-plastic plates/shells behaviour under coupled mechanical/thermal fields and one-sided corrosion wear // International Journal of Non-Linear Mechanics. 2020. Vol. 118. P. 103302. DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2019.103302.

Charles R.J., Hillig W.B. The kinetics of glass failure by stress corrosion // Symposium on Mechanical Strength of Glass and Ways of Improving it. Charleroi: Union Scientifique Continentale du Verre, 1961. P. 511–527.

Miglis Y., Elishakoff I., Presuel-Moreno F. Analysis of a cracked bar under a tensile load in a corrosive environment // Ocean Systems Engineering. 2013. Vol. 3. № 1. P. 001–008.

Pronina Y.G., Khryashchev S.M. Mechanochemical growth of an elliptical hole under normal pressure // Materials Physics and Mechanics. 2017. Vol. 31. № 1–2. P. 52–55.

Stareva I., Pronina Y. Modelling the general corrosion of a steel tube under its own weight // Procedia Structural Integrity. 2017. Vol. 6. P. 48–55.

Долинский В.М. Расчет нагруженных труб, подверженных коррозии // Химическое и нефтяное машиностроение. 1967. № 2. С. 9–10.

Zhao S., Pronina Y. On the MATLAB finite element modelling of an elastic plane with a hole under tension // 2017 Constructive Nonsmooth Analysis and Related Topics (Dedicated to the Memory of V.F. Demyanov), CNSA 2017 – Proceedings. St. Petersburg, 2017. P. 7974036. DOI: 10.1109/CNSA.2017.7974036.

Zhao S., Pronina Y. On the stress state of a pressurised pipe with an initial thickness variation, subjected to non-homogeneous internal corrosion // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 121. P. 01013. DOI: 10.1051/e3sconf/201912101013.

Чжао Ш. Алгоритм расчета напряженного состояния пластинки с эллиптическим отверстием в MATLAB // Процессы управления и устойчивость. 2017. Т. 4. № 1. С. 251–255.

Павлов П.А., Кадырбеков Б.А., Колесников В.А. Прочность сталей в коррозионных средах. Алма-Ата: Наука, 1987. 272 с.

Pronina Y.G. An analytical solution for the mechanochemical growth of an elliptical hole in an elastic plane under a uniform remote load // European Journal of Mechanics - A/Solids. 2017. Vol. 61. P. 357–363.

Опубликован
2020-03-28
Выпуск
Раздел
Технические науки