blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-1-25-33blackmet-1560Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESОЦЕНКА СТРУКТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРЕДЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ К СРОКУ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ РАЗРУШЕНИЯ СИНЕРГЕТИКИESTIMATION OF STRUCTURAL SENSITIVITY OF PIPE STEELS ULTIMATE STRAIN TO PIPELINES SERVICE LIFE USING COMPLEX ENERGY CRITERIA OF SYNERGY FRACTUREСкудновВ. А.SkudnovV. A.

д.т.н., профессор кафедры «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов»

603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Physical Metallurgy, Heat and Plastic Treatment of Metals”

СафроновА. С.SafronovA. S.

главный сварщик

603152, Нижний Новгород, ул. Ларина, 19-А

Acting Chief Mechanic

safronov_ne@mail.ruХлыбовА. А.KhlybovA. A.

д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Материаловедение, технологии материалов и термическая обработка металлов»

603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Materials Science, Technology of Materials and Heat Treatment of Metals”

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNovgorod State Technical University named after R. AlexeevRussian FederationАО «Транснефть – Подводсервис»РоссияJSC Transneft UW ServiceRussian Federation2019220220196212533Copyright © Скуднов В.А., Сафронов А.С., Хлыбов А.А., 20192019Скуднов В.А., Сафронов А.С., Хлыбов А.А.Skudnov V.A., Safronov A.S., Khlybov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1560

Представлен обзор существующих известных гипотез и теорий, описывающих предельное состояние металла. Даны описания процессам, происходящим в металлах при приложенном напряжении (нагрузки). Описаны фазы процесса разрушения в структуре деформированного поликристалла. Представлено уравнение, связывающее предельную деформацию металла до разрушения со всеми характеристиками, определяющими его предельное состояние. Показаны уравнения комплексных двух и трех параметрических энергетических критериев разрушения, таких как энергоемкость, а также критерии зарождения трещин, распространения трещин, хрупкости и масштаба. Критерии разрушения могут быть применены для оценки качества структур и работоспособности металлов при эксплуатации магистральных трубопроводов. В качестве примера рассмотрен расчет критериев разрушения для конкретных образцов из стали Х70, отобранных из аварийных труб, бывших в эксплуатации 20 и 24 года, а также действующего магистрального трубопровода, бывшего в эксплуатации 5  лет. Выполнен сравнительный анализ значений комплексных критериев разрушения магистральных трубопроводов из стали Х70 после различного срока эксплуатации. Механические (прочностные) характеристика стали Х70 магистральных трубопроводов в процессе эксплуатации (после 5, 20 и 24 лет эксплуатации) практически не изменились. Изменение характеристик, определяемых по критериям разрушения, направлены в сторону их снижения от 21 до 48,5 %, причем наибольшее изменение наблюдается у критерия распространения трещин и у критерия хрупкости. Показана одинаковая природа зарождения трещин для всех классов сталей, лежащая на мезоуровне. Под действием эксплуатационных нагрузок энергоемкость, т.е. способность металла противостоять любым нагрузкам с увеличением срока эксплуатации, значительно снижается, что подтверждается изменением рассмотренных критериев разрушения. Показано, что критерии разрушения могут быть использованы для прогнозирования работоспособности сталей трубопроводов после длительной эксплуатации.

The article gives an overview of well-known hypotheses and theories on ultimate state of metals. Processes in metals when stress is applied are described. Multifunctional equation for ultimate strain dependence from density (opening) is offered with all the factors of metal’s ultimate state before fracture. Phases of the fracture of deformed polycrystal structure are specified. An equation is presented that relates the ultimate deformation of a metal to fracture with all the characteristics that determine the limiting state of the metal. Two- or three- compound energy failure criteria equations used for quality estimation of metal structure and performance when main pipeline operating are given for such criteria as energy capacity, crack initiation, crack proliferation, fragility and scale. The fracture criteria calculation for Kh70 steel samples of pipes after operation for 5, 20 and 24  years was made as an example. The comparative analysis of complex fracture criteria values for Kh70 steel pipelines of different lifespans has been carried out. After 5, 20 and 24 years of usage mechanical characteristics of steel Kh70 of main pipelines haven’t changed dramatically, and fracture criteria are inclined to decrease from 21 to 48.5  %, crack proliferation and fragility criteria are the most changeable. At mesolevel the nature of crack initiation is the same for all classes of steel. Under the influence of operating loads, energy intensity, i.e. the ability of metal to withstand any loads with increasing service life is significantly reduced, which is confirmed by the change in the fracture criteria considered in the article. It is shown that the fracture criteria can be used to predict the performance of pipeline steels after a long period of operation.

предельное состояние металловпредельная деформация до разрушениярелаксация внутренних напряженийэнергоемкостьэнергетические критерии разрушениякритерий зарождения трещинкритерий распространения трещинкритерий хрупкостикритерий масштабаultimate state of metalsultimate straininternal stress relaxationenergy capacityenergy fracture criteriacrack initiationcrack proliferationfragilityscaleReferencesЭфрон Л.И. Материаловедение в большой металлургии. Трубные стали. – М.: Металлургиздат, 2012. – 696 с.Efron L.I. Materiallovedenie v bol’shoi metallurgii. Trubnye stali [Materials science in metallurgy. Pipe steel]. Moscow: Metalurgizdat, 2012, 696 p. (In Russ.).Методология выбора металлических сплавов и упрочняющих технологий в машиностроении: Учеб. пособие. – В 2-х томах. Т. 1. Стали и чугуны / М.А. Филиппов, В.Г. Бараз, М.А. Гервасьев, М.М. Розенбаум. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2013. – 232 с.Filippov M.A., Baraz V.R., Gervas’ev M.A., Rozenbaum M.M. Metodologiya vybora metallicheskikh splavov i uprochnyayushchikh tekhnologii v mashinostroenii: uchebnoe posobie: v 2 t. T.  1. Stali i chuguny [Methodology for selection of metal alloys and hardening technology in mechanical engineering: Textbook in 2 vols. Vol.  1: Steel and iron]. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. Un-ta, 2013, 232 p. (In Russ.).Куманин В.И., Соколова М.Л., Лунева С.В. Развитие повреждаемости в металлических материалах // Металловедение и термическая обработка металлов. 1995. № 4. С. 2 – 6.Kumanin V.I., Sokolova M.L., Luneva S.V. Development of damage in metallic materials. Metal Science and Heat Treatment. 1995, vol. 37, no. 4, pp. 131–135.Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. – М.: Машиностроение, 1981. – 272 с.Makhutov N.A. Deformatsionnye kriterii razrusheniya i raschet elementov konstruktsii na prochnost’ [Deformation and fracture criteria and calculation of strength of construction elements]. Moscow: Mashinostroenie, 1981, 272 p. (In Russ.).Архаров В.И. Мезоскопические явления в твердых телах // Проблемы современной физики: Сб. статей к 100- летию со дня рождения А.Ф. Иоффе. – Л.: Наука, 1980. С. 384 – 409.Arkharov V.I. Mesoscopic phenomena in solids. In: Problemy sovremennoi fiziki: Sb.statei k 100-letiyu so dnya rozhdeniya A.F.  Ioffe [Issues of modern physics: Coll. of articles to the 100th anniversary of A.F. Ioffe]. Leningrad: Nauka, 1980, pp. 384–409. (In Russ.).Степанов В.А. Роль деформации в процессе разрушения твердых тел // Проблемы прочности и пластичности металлов: Сб. науч. тр. ЛТФИ. – Л.: Наука, 1979. С.10 – 26.Stepanov V.A. Role of the deformation in the destruction process of solids. In: Problemy prochnosti i plastichnosti metallov: sb. nauchn. tr. LTFI [Problems of strength and plasticity of metals: Coll. of sci. papers of LTFI]. Leningrad: Nauka, 1979, pp. 10–26. (In Russ.).Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. – М.: Металлургия, 1984. – 280 с.Vladimirov V.I. Fizicheskaya priroda razrusheniya metallov [Physical nature of metals fracture]. Moscow: Metallurgiya, 1984, 280  p. (In Russ.).Журков С.Н. Кинетическая теория прочности // Журнал технической физики. 1958. Т. 28. С. 17 – 19.Zhurkov S.N. Kinetic theory of strength. Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. 1958, vol. 28, pp. 17–19. (In Russ.).Синергетика и фракталы в материаловедении / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. – М.: Наука и жизнь, 1994. – 383 с.Ivanova V.S., Balankin A.S., Bunin I.Zh., Oksogoev A.A. Sinergetika i fraktaly v materialovedenii [Synergetics and fractals in materials science]. Moscow: Nauka i zhizn’, 1994, 383 p. (In Russ.).Иванова В.С. Концепция Л. Жильмо предельной удельной энергии деформации с позиции синергетики // Известия АН ССР. Металлы. 1989. № 5. С. 179 – 179.Ivanova V.S. Synergetic-based consideration of Gilemot’s concept of the ultimate specific deformation energy. Russian metallurgy (Metally). 1989, no. 5, pp. 160–169.Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. – М.: Металлургия, 1989. – 187 с.Skudnov V.A. Predel’nye plasticheskie deformatsii metallov [Limit plastic deformations of metals]. Moscow: Metallurgiya, 1989, 187  p. (In Russ.).Скуднов В.А. Синергетика явлений и процессов в металловедении, упрочняющих технологиях и разрушении: Учеб. пособие. – Н. Новгород: НГТУ им Р.Е. Алексеева, 2011. – 198 с.Skudnov V.A. Sinergetika yavlenii i protsessov v metallovedenii, uprochnyayushchikh tekhnologiyakh i razrushenii. Uchebnoe posobie [Synergetics of phenomena and processes in metallurgy, hardening technologies and fracture. Tutorial]. Nizhny Novgorod: NGTU im R.E. Alekseeva, 2011, 198 p. (In Russ.).Скуднов В.А. Определение величины работоспособности материалов (сталей) деталей машин: Метод. указания для выполнения лабор. и науч.-исслед. работ студентами, магистрантами и аспирантами спец. 110500. – Н.Новгород: НГТУ, 2002. – 14 с.Skudnov V.A. Opredelenie velichiny rabotosposobnosti materialov (stalei) detalei mashin: Metod. ukazaniya dlya vypolneniya lab. i nauchn.-issled. rabot studentami, magistrantami i aspirantami spets. 110500 [Determination of the efficiency of materials (steel) of machinery parts: Method. instructions for laboratory and research works for students, undergraduates and postgraduates of 110500 specialization]. Nizhny Novgorod: NGTU, 2002, 14 p. (In Russ.).Скуднов В.А., Богашев Ф.А. Закономерности изменения плотности металлов при ОМД // Изв. вуз. Черная металлургия. 1986. № 8. С. 38 – 45.Skudnov V.A., Bogashev F.A. Laws of metal density changes at metal forming. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1986, no. 8, pp. 38–45. (In Russ.).Скуднов В.А. Закономерности поведения энергоемкости металлов и новые энергетические критерии разрушения // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 1. С. 52 – 55.Skudnov V.A. Behavioral patterns of metals energy intensity and new energy-sensitive destruction criterion. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2013, no. 1, pp.  52–55. (In Russ.).Борздыка А.М., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Металургия, 1978. – 256 с.Borzdyka A.M., Getsov L.B. Relaksatsiya napryazhenii v metallakh i splavakh [Stress relaxation in metals and alloys]. Moscow: Metalurgiya, 1978, 256 p. (In Russ.).Маслов Л.И., Замолодчиков О.Г. Кунавин С.А. Использование параметров микрорельефа разрушения для оценки работоспособности конструктивных материалов / Известия АН ССР. Металлы. 1982. № 1. С. 196 – 201.Maslov L.I., Zamolodchikov O.G., Kunavin S.A. Using the parameters of microrelief failure to assess the performance of construction materials. Izvestiya AN SSR. Metally. 1982, no. 1, pp. 196–201. (In Russ.).Тот Л., Ромвари П. Применение концепции удельной работы разрушения для оценки циклической трещиностойкости сталей // Проблемы прочности. 1986. № 1. С. 38 – 45.Tot L., Romvari P. Application of the concept of specific fracture performance for the evaluation of cyclic crack resistance of steels. Problemy prochnosti. 1986, no. 1, pp. 38–45. (In Russ.).Бетехин В.И. Пластическая деформация и разрушение кристаллических тел. Сообщение 1, 2 // Проблемы прочности. 1979. № 7. С. 38 – 45; 1979. № 8. С. 51 – 57.Betekhin V.I. Plastic deformation and fracture of crystalline bodies. Message 1-2. Problemy prochnosti. 1979, no. 7, pp. 38–45; 1979, no. 8, pp. 51–57. (In Russ.).Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов / Под ред. Б.В. Будзуляка, А.Д. Седых, В.Н. Чувильдеева. – Н.Новгород: Университетская книга, 2006. – 220 с.Problemy stareniya stalei magistral’nykh truboprovodov [Ageing of steel of main pipelines]. Budzulyak B.V., Sedykh A.D., Chuvil’deev  V.N. eds. Nizhny Novgorod: Universitetskaya kniga, 2006, 220 p. (In Russ.).Новиков И.И. Термодинамические аспекты пластической деформации и разрушения металлов // Физико-механические и теплофизические свойства металлов: Сб. науч. тр. ИМЕТ. – М.: Наука, 1976. С. 170 – 179.Novikov I.I. Thermodynamic aspects of plastic deformation and fracture of metals. In: Fiziko-mekhanicheskie i teplofizicheskie svoistva metallov: sb. nauchn. tr. (IMET) [Physical-mechanical and thermal properties of metals. Coll. of sci. papers (IMET)]. Moscow: Nauka, 1976, pp. 170–179. (In Russ.).Artinger I. Conection between the fracture determining the Toughness of hot working tool steels // Proc. Conf. on dimensioning and dapest. Akadem. Kiado. 1974. Vol. 1. P. 215.Artinger I. Connection between the fracture determining the toughness of hot working tool steels. Proc. Conf. on dimensioning and dapest. Akadem. Kiado, 1974, vol. 1, p. 215.Ginstler Y. Retarding the crack initiation process during low cycle thermal shock fatigue // Proc. Conf. low cycle fatigue and elastoplastic behavior of materials (Minich. Sept. 7 – 11, 1987) / Ed. K.T.L. Rie. – N.Y.: Elsevier Appl. Sci., 1987. P. 643.Ginstler Y. Retarding the crack initiation process during low cycle thermal shock fatigue. Proc. Conf. low cycle fatigue and elasto-plastic behavior of materials. (Minich. Sept. 7-11, 1987). Rie K.T.L. ed. N.Y.: Elsevier Appl. Sci., 1987, p. 643.Пояркова Е.В. Эволюция структурно- механической неоднородности материалов сварных элементов конструкций в рамках концепции иерархического согласования масштабов: Автореф. дис. … док. техн. наук. – Уфа: Уфим. гос. нефтяной техн. ун-т, 2015.Poyarkova E.V. Evolyutsiya strukturno-mekhanicheskoi neodnorodnosti materialov svarnykh elementov konstruktsii v ramkakh kontseptsii ierarkhicheskogo soglasovaniya masshtabov: avtoref. dis... doktora tekh. nauk. [Evolution of structural and mechanical heterogeneity of welded structural elements of materials within the concept of hierarchical matching scale. Extended Abstract of Dr. Sci. Diss.]. Ufa: Ufimskii Gosudarstvennyi Neftyanoi Tekhnicheskii Universitet, 2015. (In Russ.).РД-23.040.00-КТН-115-11 Нефтепроводы и нефтепродуктопроводы магистральные. Определение прочности и долговечности труб и сварных соединений с дефектами. – М.: ОАО «АК«Транснефть», 2013. – 142 с.RD-23.040.00-KTN-115-11. Nefteprovody i nefteproduktoprovody magistral’nye. Opredeleniya prochnosti i dolgovechnosti trub i svarnykh soedinenii s defektami [Pipelines and main pipelines. Determining the strength and durability of the pipe and welds with defects]. Moscow: OAO “AK “Transneft’”, 2011, 142 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.