ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГАЗОПРОВОДОВ, И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА

Рассматривается процесс динамического разрушения типового участка стального магистрального газопровода с трещиной под действием газодинамического давления. Исследуется высокоскоростное развитие трещины, которая растет под действием истекающего большого количества газа под высоким давлением. Моделируется процесс движения магистральной трещины, которое индуцируется движением газа. Математическая модель этого процесса включает модель газодинамических процессов в трубе и модель высокоскоростного деформирования и разрушения участка трубы с трещиной. Предложена приближенная аналитическая модель газодинамических процессов, которая позволяет моделировать динамическое убывание давления на внутреннюю поверхность трубы и берега трещины. Динамическое изменение давления базируется на декомпрессии газа в локализованной части трубы в окрестности трещины. Модель учитывает изменение давления газа в трубопроводе вдоль продольной координаты части трубы с трещиной. Рассмотрена численная процедура для расчета газодинамического давления при истечении газа через трещину. Она позволяет определять давление на берега трещины как функцию времени. Результаты этой численной процедуры используются для численного моделирования высокоскоростного деформирования и лавинного разрушения типового участка магистрального газопровода с трещиной. Предложена аналитическая модель, которая использует методы механики разрушения для предсказания критического давления, при котором наблюдается рост трещины в трубе. Модель верифицирована по экспериментальным данным и служит для быстрой оценки целостности трубы. Этот аналитический подход используется для предсказания возможности разрушения трубы на основе свойств материала, геометрии трещины и размеров трубы. Он может использоваться для предварительных оценочных расчетов. Рассмотрен численно-аналитический метод для анализа неупругого динамического разрушения трубы. Он основывается на анализе величины угла раскрытия вершины трещины. Также рассмотрен численный метод анализа напряженного состояния в области трещины, учитывающий пластическое деформирование. Представленные модели позволяют численными методами исследовать динамику развития трещин и, как следствие, разрушение типовых участков магистральных газопроводов под давлением. Использование результатов этих исследований позволит принять превентивные меры для предотвращения случаев лавинного разрушения аварийных участков магистральных трубопроводов.

1. Отчет национального оператора АО Qazaqgaz за 2021 г. URL: https://qazaqgaz.kz/ru/otchety

2. 11th Report of the European Gas Pipeline Incident Data Group (period 1970–2019) December 2020. URL:https://www.egig.eu/reports

3. UKOPA Pipeline Product Loss Incidents and Faults Report (1962–2020). Report Reference: February 2020. URL: https://www.ukopa.co.uk/published-documents/ukopa-reports/

4. PHMSA. Pipelines and Hazardous Materials Safety Administration. Pipeline Incident 20 Year Trends. URL: https://www.phmsa.dot.gov/data-and-statistics/pipeline/pipeline-incident-20-year-trends

5. Годовой отчет АО «ИнтергазЦентральнаяАзия» за 2019 г. – Нур-Султан. – 2020. – 78 с. URL: https://intergas.kz/ru/reports/88

6. URL:https://zonakz.net/2021/03/12/iznos-kazaxstanskix-gazoprovodov-sostavlyaet-bolee-70/

7. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения. – 2002. – Санкт-Петербург. [PDF file]. Retrieved from: https://studfile.net/preview/2264467/

8. Ibraimova U. et al. Development of method for calculation of pre-strained steel cylindrical sheaths in view of the winding angle, pitch and thickness // Case Studies in Construction Materials. – 2023. – Vol. 19, e02233. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02233

9. O’Donoghue. P.E., Green S.T., Kanninen M.F., Bowles P.K. The development of a fluid/structure interaction model for flawed fluid containment boundaries with applications to gas transmission and distribution piping // Computers and Structures. – 1991. – Vol. 38. – P. 501–513. https://doi.org/10.1016/0045-7949(91)90002-4.

10. O’Donoghue P.E., Kanninen M.F., Leung C.P., Demofonti G., Venzi S. The development and validation of a dynamic fracture propagation model for gas transmission pipelines // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 1997. – Vol. 70. – P. 11–25. https://doi.org/10.1016/S0308-0161(96)00012-9.

11. Berardo G., Salvini P. On longitudinal propagation of a ductile fracture in a buried gas pipeline: numerical and experimental analysis. In: Proceedings of the 2000 3rd international pipeline conference, Calgary, Canada. – 2000. https://www.researchgate.net/publication/313743175_On_longitudinal_propagation_of_a_ductile_fracture_in_a_buried_gas_pipeline_numerical_and_experimental_analysis

12. Shuai J., Zhang H., Wang Y.G., Dai S.L. Research advance of dynamic crack propagation and arrest techniques for gas transmission pipeline. Journal of the university of petroleum, China. – 2004. – Vol. 28(3). – P. 129–135. [PDF file]. https://www.researchgate.net/publication/287616844_Research_advance_of_dynamic_crack_propagation_and_arrest_techniques_for_gas_transmission_pipeline.

13. Nordhagen H.O., Kragset S., Berstad T., Morin A., Dørum S.T. A new coupled fluid–structure modeling methodology for running ductile fracture // Computers & Structures. – 2012. – Vol. 94–95. – P. 13–21. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2012.01.004.

14. Okodi A., Lin M., Yoosef-Ghodsi N., Kainat M., Hassanien S., Adeeb S. Crack propagation and burst pressure of longitudinally cracked pipelines using extended finite element method // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2020. – Vol. 184. – P. 104115. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2020.104115.

15. Fries T.P., Belytschko T. The extended/generalised finite element method: an overview of the method and its applications // Int. J. Numer. Methods Eng. – 2010. – Vol. 84. – Issue 3. – P. 253 – 304. https://doi.org/10.1002/nme.2914.

16. Melenk J.M., Babuska I. The Partition of Unity Finite Element Method: Basic Theory and Applications // Computer methods in Applied Mechanics and Engineering. – 1996. – Vol. 139. – P. 289–314. [PDF file]. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(96)01087-0.

17. Moes N., Dolbow J., Belytschko T. A finite element method for crack growth without remeshing // Int. J. Numer. Methods Eng. – 1999. – Vol. 46. – P. 131–150. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0207(19990910)46:13.0.CO;2-J.

18. Yan Z., Zhang S., Zhou W. Model error assessment of burst capacity models for energy pipelines containing surface cracks. International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2014. – P. 80–93. [PDF file]. https://www.academia.edu/29425274/Model_error_assessment_of_burst_capacity_models_for_energy_pipelines_containing_surface_cracks.

19. Zhu X.K. Review of fracture control technology for gas transmission pipelines. Proceedings of the 10th International Pipeline Conference. https://doi.org/10.1115/IPC2014-33121

20. Di Biagio M., Demofonti G., Mannucci G., Iob F., Spinelli C.M., Schmidt T. Development of a reliable model for evaluating the ductile fracture propagation resistance for high grade steel pipelines. Proceedings of the 2012 9th International Pipeline Conference, IPC2012, September 24-28, Calgary, Alberta, Canada. – 2012. https://doi.org/10.1115/IPC2012-90614.

21. Yang X.B., Zhuang Z., You X.C., Feng Y.R., Huo C.Y., Zhuang C.J. Dynamic fracture study by an experiment/simulation method for rich gas transmission X80 steel pipelines. Engineering Fracture Mechanics. – 2008. – Vol. 75. – P. 5018–5028. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2008.06.032.

22. Berstad T., Dorum C., Jakoben J.P., Kragset S., Li H. et.al. CO2 pipeline interity: A new evalution methodology / Energy Procedia. – 2010. – Vol. 4. – P. 3000–3007. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.02.210

23. Zhuang Z., O’donoghue P.E. The recent development of analysis methodology for rapid crack propagation and arrest in gas pipelines // International Journal of Fracture. – 2000. – Vol. 101. – P. 269–290. https://doi.org/10.1023/A:1007614308834

24. Zhangabay N. et al. Factor affecting extended avalanche destructions on long-distance gas pipe lines: Review / Case Studies in Construction Materials. – 2023. – Vol. 19. – P. e02376. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02376.

25. Fengping Y., Chunyong H., Jinheng L., He L.I., Yang L.I. Crack Propagation and Arrest Simulation of X90 Gas Pipe // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2017. – Vol. 149. – P. 120–131. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2016.12.005.

26. Makino H., Sugie T., Watanabe H., Kubo T., Shiwaku, T., End, S. Inoue T., Kawaguchi, Y., Matsumoto Y., Machida S. Natural Gas Decompression Behavior in High Pressure Pipelines. ISIJ International. – 2001. – Vol. 4. – P. 389–395. https://doi.org/10.2355/isijinternational.41.389.

27. ANSYS Learning–Thermal Convection in Heat Transfer–Assess Mode. Available online: https://courses.ansys.com/index.php/courses/thermal-convection-in-heat-transfer/

28. Jingshan T., Guanghua G., Yuping L. Chemical engineering thermodynamics. Beijing: Tsinghua University Press. – 1995. https://chemicalpdf.com/category/chemical-engineering-thermodynamics/.

29. Starling K. Fluid thermodynamic properties for light petroleum system. Houston. Gulf Publishing Company. – 1973. [Cited November 25, 2023]. https://books.google.ru/books/about/Fluid_Thermodynamic_ Properties_for_Light.html?hl=ru&id=YXMvAQAAIAAJ&redir_esc=y.

30. Oikonomidis F., Shterenlikht A., Truman C.E. Prediction of crack propagation and arrest in X100 natural gas transmission pipelines with a strain rate dependent damage model (SRDD). Part 2: Large scale pipe models with gas depressurization // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2014. – Vol.105. – P. 60–68. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2013.03.003

31. Kiefner J.F., Maxey W.A., Eiber R.J., Duffy A.R. Failure Stress Levels of Flaws in Pressurized Cylinders. American Society of Testing and Materials Report. – 1973. – P. 536, 461–481. https://doi.org/10.1520/STP49657S.

32. Zhang X., Lin M., Okodi A., Tan L., Leung J.Y. & Adeeb S. Numerical Analysis of API 5 L X42 and X52 Vintage Pipes With Cracks in Corrosion Defects Using Extended Finite Element Method // Journal of Pressure Vessel Technology. – 2021. – Vol. 143(6). – P. 061302. https://doi.org/10.1115/1.4050988

33. ASME Fitness-For-Service, API Recommended Practice 579-1/ASME FFS-1 2007, second ed. The American Society of Mechanical Engineers, New York, USA. – 2007. https://www.yumpu.com/en/document/view/26949457/fitness-for-service/1025.

34. B.S.I. BS7910. Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structure, British standards institution, London, UK. – 2005. https://www.academia.edu/33758342/Guide_to_methods_for_assessing_the_acceptability_of_flaws_in_metallic_structures.

35. Zhang Z., Xu J., Nyhus B., Østby E. SENT (single edge notch tension) methodology for pipeline applications, in: Proceedings of the 18th European Conference on Fracture, Dresden, Germany. – 2010. https:// folk.ntnu.no/zhiliang/Zhiliangs-Papers-in-PDF-format/ZZ-C070-2010-ECF18-SENT%20Methodology%20 for%20pipeline%20applications.pdf.

36. Schwalbe K.H., Scheider I., Cornec A. The SIAM Method for Applying Cohesive Models to the Damage Behavior of Engineering Materials and Structures, GKSS 2009/1, ISSN 0344-9629. https://www.hereon.de/imperia/md/content/hzg/zentrale_einrichtungen/bibliothek/berichte/2009/gkss_2009_1.pdf

37. Li H., Chandra N. Analysis of crack growth and crack-tip plasticity in ductile materials using cohesive zone models // Int. J. Plast. – 2003. – Vol. 19. – 849–882. [Cited November 25, 2023] URL: https://researchwith.njit.edu/en/publications/analysis-of-crack-growth-and-crack-tip-plasticity-in-ductile-mate.

38. Hallquist J.O. LS-DYNA Theory manual. Livermore Software Technology Corporation (LSTC), Livermore, California 94551. – 2006. – P. 680 [Cited November 25, 2023] URL: https://www.academia.edu/23076592/LS_DYNA_Theory_Manual_LIVERMORE_SOFTWARE_TECHNOLOGY_CORPORATION_LSTC