Cracking resistance of main oil pipelines with surface defects
Authors: Махутов Николай Андреевич , Неганов Дмитрий Александрович , Студёнов Евгений Павлович , Варшицкий Виктор Миронович , Скородумов Сергей Валериевич 
Published: February 2024

При длительной эксплуатации магистральных нефтепроводов наиболее часто предельные состояния достигаются вследствие возникновения и развития трещин двух основных типов – поверхностных (протяженных и эллиптических) и продольных сквозных. В первом случае образуются течи различной интенсивности, во втором – возникают серьезные аварийные ситуации. Для оценки трещиностойкости трубопроводных конструкций используются уравнения и критерии линейной и нелинейной механики разрушения. Настоящая статья посвящена расчетному анализу поверхностных несквозных трещин и является развитием ранее выполненных и опубликованных исследований для сквозных продольных трещин. С использованием линейной и нелинейной механики разрушения выполнен расчет по критериям предельных состояний сопротивления материала – разрушающим напряжениям – в зависимости от геометрии дефектов (глубины, протяженности, соотношения этих параметров). Полученные результаты верифицированы на основе анализа отказов трубопроводов и результатов модельных стендовых испытаний натурных образцов с искусственными или естественными дефектами. Установлено, что линейная механика разрушения дает завышенные характеристики прочности, не отвечающие физическому смыслу в области малых трещин, и занижает прочность для глубоких поверхностных трещин. Нелинейная механика разрушения дает более обоснованную и правдоподобную оценку трещиностойкости в широкой области глубин трещин, разрушающих напряжений и механических свойств трубных сталей.

During the long-term operation of main oil pipelines, limit states are typically reached due to the occurrence and development of two main types of cracks – surface (extended and elliptical) and through longitudinal cracks. In the first case, leaks of varying rates are generated, while in the second case, serious accidents occur. Equations and criteria of linear and nonlinear fracture mechanics are used to assess the cracking resistance of pipeline structures. This article covers the design analysis of surface part-through cracks and builds upon previously conducted and published studies on through longitudinal cracks. By utilizing linear and nonlinear fracture mechanics, calculations were performed against the limit state criteria of material resistance – rupture stresses, depending on the geometry of the defects (depth, length, and ratio of these parameters). The obtained results were verified based on the analysis of pipeline failures and the results of model bench tests using full-scale specimens with artificial or natural defects. It was found that linear fracture mechanics provide overestimated strength characteristics that do not correspond to the physical meaning in the domain of small cracks, and underestimate the strength for deep surface cracks. Nonlinear fracture mechanics offer a more reasonable and reliable assessment of cracking resistance across a wide range of crack depths, rupture stresses, and mechanical properties of pipe steels.