Структурные, физико-химические и механические свойства сталей в расчетах и обоснованиях прочности магистральных нефтепроводов
Authors: Махутов Николай Андреевич , Неганов Дмитрий Александрович , Зорин Александр Евгеньевич 
Published: December 2024

В физике прочности конструкционных материалов принято выделять несколько масштабных уровней металла, на каждом из которых происходит последовательное снижение фактической прочности анализируемого объема металла по сравнению с его теоретической прочностью. Причина заключается в появлении по мере увеличения анализируемого объема новых групп дефектности металла – от вакансий и атомов внедрения на наномасштабном уровне до микротрещин и неоднородности структуры на мезо- и макроуровне. Также на прочность влияют различные конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы. Отмеченные сложности обосновывают правильность использования предела прочности σв трубных сталей в качестве основной характеристики при выполнении нормативных расчетов в рамках проектирования трубопроводов. Использование при этом существующих коэффициентов запаса прочности позволяет учитывать указанные неопределенности и создавать исходные условия для обеспечения высокого уровня надежности трубопроводной системы, однако опыт обслуживания трубопроводных систем показывает целесообразность использования на этапе эксплуатации трубопроводов более гибких подходов к оценке их работоспособности. Возникновение и увеличение количества различных типов дефектов, изменение механических свойств металла определяют необходимость проведения расчетов прочности и долговечности уже не для трубопровода в целом, а для его различных потенциально опасных участков. Достоверность этих расчетов определяется уже полнотой учета фактической информации об анализируемой зоне – в частности, фактических механических характеристик в ней. Поскольку прямое определение механических свойств для эксплуатируемого трубопровода невозможно, перспективным становится развитие фундаментальных исследований по физике, химии и механике структур и строения трубных сталей, а также современных прикладных технологий, которые позволят на основании данных о параметрах строения металла, получаемых неразрушающим способом, уточнить его фактические механические характеристики. Такой подход позволит оптимизировать выполняемые ремонтно-профилактические мероприятия на трубопроводах, сохранив требуемый уровень надежности.

In the physics of strength of structural materials, it is customary to distinguish several scale levels of metal, at each of which there is a consistent decrease in the actual strength of the analyzed volume of metal, in comparison with its theoretical strength. The reason for this is the emergence of new groups of metal defects (from vacancies and interstitial atoms at the nanoscale level, to microcracks and structural inhomogeneity at the meso- and macrolevel) as the analyzed volume increases. Various design, technological and operationa factors also affect strength. The noted difficulties justify the correctness of using the tensile strength σв of pipe steels as the main characteristic when performing standard calculations as part of pipeline design. The use of existing safety factors allows to take into account the specified uncertainties and create initial conditions for ensuring a high level of reliability of the pipeline system. However, the experience in servicing pipeline systems shows the expediency of using more flexible approaches to assessing pipeline serviceability at the stage of pipeline operation. The possibility of the emergence and growth of various types of defects, changes in mechanical properties of metal determine the need for strength and durability calculations not for the entire pipeline, but for its various potentially dangerous locations. And the reliability of these calculations is determined by the completeness of the accounting of actual information about the analyzed zone; in particular, the actual mechanical characteristics in it. Since direct determination of mechanical properties for an operating pipeline is not possible, it becomes promising to develop fundamental research on physics, chemistry and mechanics of the structures and construction of pipe steels, as well as modern applied technologies, which will make it possible to clarify actual mechanical characteristics of metal based on data on its structure parameters obtained by a non-destructive method, is becoming promising. This approach will allow to optimize repair and preventive measures carried out on pipelines, while maintaining the required level of their reliability.