Experimental and theoretical investigations of fatique life of industrial pipelines

• Autorzy: Goss C. , Mazur A. , Śnieżek L.

Warianty tytułu

PL

Badania doświadczalne i analityczne trwałości zmęczeniowej rurociągów przemysłowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper has been intended to present findings on the industrial pipeline's fatigue life. The issue has been approached locally, i.e. from the standpoint of fatigue crack propagation. Three pipelines of different diameters of double-pressure acid systems were subjected to the assessment. Experiments were carried out using three test pieces: one taken from the native material, one from the native material with a weld — after some operational-use period, and one made of new material. Cracking initiators were made in the form of half-elliptical cracks. On the grounds of results of fatigue tests, fatigue strength was determined and expressed with a number of cycles. to failure. The range of integral in the basic Paris formula was used. What resulted from the calculations was experimentally verified to prove satisfactory consistency.

PL

Rurociągi przemysłowe, w szczególności rurociągi chemiczne naziemne, zasługują na szczególną uwagę z racji zagrożeń dla ludności i środowiska naturalnego. Zagrożenie występuje zwłaszcza przy przesyłaniu mediów niebezpiecznych, wymuszając permanentne zajmowanie się problematyką trwałości rurociągów. Trwałość ta zależy w głównej mierze od rodzaju obciążeń, materiału oraz oddziaływania otoczenia zewnętrznego i czynników przesyłanych. Jednymi z najczęstszych przyczyn uszkodzeń rurociągów, obok błędów konstrukcyjnych, są wady w postaci karbów spawalniczych. Z tego względu w nowoczesnym podejściu do projektowania rurociągów i weryfikowania ich trwałości wiodące stały się metody obliczeń zmęczeniowych w zakresie zarówno globalnym jak i lokalnym, ze szczególnym uwzględnieniem połączeń spawanych. Celem pracy było opracowanie metody obliczeń trwałości materiału "nowego", rodzimego i rodzimego ze spoiną zastosowanych na trzy różne rurociągi, wykorzystując wartości obciążeń eksploatacyjnych, a w konsekwencji określenie zapasu trwałości badanych rurociągów z uwzględnieniem zmian właściwości mechanicznych i strukturalnych po wieloletnim okresie eksploatacji. Badaniom poddano rurociągi przemysłowe o średnicy 600 x 8 mm, 600 x 6 mm oraz 900 x 5 mm, wykonane ze stali austenitycznej 1H18N9T. Trwałość całkowitą rurociągów określono jako sumę trwałości do inicjacji pęknięcia i trwałości z pęknięciem propagującym. Do wyznaczenia wytężenia materiału wykorzystano wykres rozkładu obciążeń rurociągów sporządzony na postawie wyników pomiarów ciśnienia medium przesyłanego przez ponad 5,5 letni okres ich eksploatacji, uwzględniając (zarówno w podejściu globalnym jak i lokalnym) spiętrzenie naprężeń w strefie działania karbu. Trwałość rurociągów do inicjacji pęknięcia wyznaczono dla amplitudy naprężeń zredukowanych, wyznaczonej za pomocą metody stochastycznej. Lokalną trwałość materiału określono podczas badań propagacji pęknięć zmęczeniowych w próbkach wyciętych z rurociągów. Próbki poddano płaskiemu zginaniu przy współczynniku asymetrii cyklu R = 0. Inicjatory pękania wykonano w postaci pęknięć półeliptycznych. Pomiary przyrostów długości pęknięć zmęczeniowych prowadzono metodą ciągłej rejestracji spadku napięcia wraz ze zmianą czynnego pola powierzchni przekroju próbek, metodą barwienia oraz przy wykorzystaniu mikroskopu świetlnego. Wyniki badań zmęczeniowych przedstawiono w postaci wykresów zmęczeniowego pękania. Trwałość zmęczeniową wyrażono liczbą cykli do zniszczenia, wykorzystując zakres całki DeltaJ w podstawowym wzorze Parisa. Zaproponowany w pracy opis trwałości zmęczeniowej rurociągów chemicznych ułatwia prowadzenie obliczeń granicznej długości pęknięcia lub granicznej wartości naprężenia podczas eksploatacji rurociągu, oraz pozwala na wydłużenie czasu jego bezpiecznej pracy.

Słowa kluczowe

EN

pipeline dimensioning; fatigue life; loading distribution

PL

badanie doświadczalne; trwałość zmęczeniowa; rurociąg przemysłowy; analiza; pęknięcie zmęczeniowe

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 53, nr 1
• Strony: 75--84
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., il.

Twórcy

autor

Goss C.

autor

Mazur A.

autor

Śnieżek L.

• Military University of Technology, Warszawa, Poland,

Bibliografia

• 1. G. B. DE WOLF, Process safety management in the pipeline industry: paralles and differences between the pipeline integrity management (IMP) rule of the Office of Pipeline Safety and the PSM/RMP approach for process facilities, Journal of Hazardous Materials, 104, 2003.
• 2. G. A. PAPADAKIS, Major hazard pipelines: a comparative study of onshore transmission accidents, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 12, 91-107, 1999.
• 3. H. F. CHEN, F. W. SHU, Simplified limit analysis of pipelines with multi-defects, Engineering Structures, 23, 207-213, 2001.
• 4. H. F. CHEN, F. W. SHU, Lower and upper bound limit analyses for pipeline with multi-slots of various configurations, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 77, 17-25, 2000.
• 5. S. H. AHN, K. ANDO, A. HIDAKA, Fatigue crack growth and penetration behaviour in a pipe subjected to bending load, Engineering Against Fatigue, 73-82, A. A. Balkema/Rotterdam/Brookfield, 1999.
• 6. S. KOCAŃDA, Z. KOLASIŃSKI, K. WERNER, Theoretische und experimentelle Bestimmung der Ermüdungslebensdauer von Proben mit halbelliptischen Rissen auf der Oberfläche, Technische Mechanik, Bd 4., H., 34-38, 1983.
• 7. F. CALEYO, J. L. GONZALEZ, J. M. HALLEN, A study on the reliability assessment methodology for pipelines with active corrosion defects, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 79, 77-86, 2002.
• 8. M. AHAMMED, Probabilistic estimation of remaining life of a pipeline in the presence of active corrosion defects, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 75, 321-329, 1998.
• 9. J. SAMUELSSON, Design and analysis of welded high strength steel structures, Nordic Industrial Fund. EMAS. Stockholm, Sweden, 2002.
• 10. K. Y. LAM, Q. X. WANG, Z. ZONG, A nonlinear fluid-structure interaction analysis of a near-bed submarine pipeline in a current, Journal of Fluids and Structures, 16(8), 1177-1191, 2002.
• 11. D. MATKO, G. GEIGER, W. GREGORITZA, Verification of various pipeline models, Mathematics and Computers in Simulation, 53, 303-308, 2000.
• 12. M. BERGMAN, Stress intensity factors for circumferential surface cracks in pipes, Fatigue Fract. Engng Mater. Struct., 18, 1155-1172, 1995.
• 13. M. ŁUBIŃSKI, W. WOJNOWSKI, Cz. Goss, Load capacity of steel strucures taking into acount Iow cycle fatigue, Archives of Civil Engineering, 48, 2, 183-204, 2002.
• 14. M. ŁUBIŃSKI, W. WOJNOWSKI, Cz. Goss, Nośność graniczna konstrukcji stalowych z uwzględnieniem zmęczenia niskocyklowego, Kontrakcje stalowe, 5, 25-30, 2002.
• 15. M. ŁUBIŃSKI, W. WOJNOWSKI, Cz. Goss, S. KŁYSZ, Badania niskocyklowej wytrzymałości stali 18G2A i St3 wedlug kryterium odkształceniowego, Inżynieria i Budownictwo, 7, 409-414, 2001.
• 16. Cz. Goss, A. MAZUR, L. ŚNIEŻEK, Analysis of chemical pipeline after some estimated operational-use interval, lst International Conference on Engineering Failure Analysis. Lisbon 2004, P.2.25.