Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск, Россия

В. В. Лепов, главный научный сотрудник, докт. техн. наук, действительный член АН РС(Я), эл. почта: wisecold@mail.ru
Н. И. Голиков, главный научный сотрудник, докт. техн. наук, эл. почта: n.i.golikov@mail.ru
Я. М. Андреев, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: yakovmich@yandex.ru
Е. С. Лукин, и. о. директора, канд. техн. наук, эл. почта: lukin@iptpn.ysn.ru

Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск, Россия

С. О. Семенов, младший научный сотрудник, эл. почта: semens1993@mail.ru
Л. А. Прокопьев, научный сотрудник, эл. почта: l.prokopyev@yandex.ru

Основой комплексной системы обеспечения надежности и безопасности сварных трубопроводов является расчетно-экспериментальное обеспечение контроля их технического состояния на основе системно-структурного подхода. Представлены результаты многомасштабного моделирования процесса разрушения сварной стенки трубопровода из низколегированной стали 09Г2С, анализ двухосности напряженного состояния и расчетное обоснование широко применяемого в отрасли критерия «течь перед разрушением». Макроскопический уровень представлен расчетным анализом напряженно-деформированного состояния прямошовной трубы ø 530×7 мм с полуэллиптической поверхностной трещиной в cреде ANSYS, мезоуровень — моделированием роста трещины в рамках алгоритма SmartCrack по параметрам макромоделирования, микроуровень — стохастическим моделированием роста микротрещин допустимого размера согласно физическим представлениям о преимущественном распространении трещин по границам зерен и дефектам. Анализ результатов свидетельствует о значительном запасе прочности при эксплуатации трубопроводов из низколегированной высокопрочной стали 09Г2С, однако выявлено значительное влияние остаточных напряжений на коэффициент интенсивности напряжений, Т-напряжения и коэффициент двухосности. Проведенные расчетные оценки коррелируют с экспериментальными данными инструментальных измерений. Разработанная методика позволяет дать более точный прогноз развития трещиноподобных дефектов и оценить остаточный ресурс конструкций, в том числе по критерию «течь перед разрушением». Полученные результаты имеют фундаментальное значение для численного прогноза стадий, предшествующих образованию трещины и первичной течи по перколяционному критерию. Результаты применимы для совершенствования методов неразрушающего контроля, обоснования размеров допустимых дефектов, разработки технологий ремонта сварных соединений и повышения безопасности эксплуатации металлоконструкций, эксплуатируемых в экстремальных климатических условиях северо-востока России.

Работа выполнена с использованием научного оборудования ЦКП ФИЦ «ЯНЦ СО РАН». Применение многоуровневого моделирования и стохастический расчет роста трещины на микроуровне осуществлены при поддержке РНФ (грант 24-21-20122 https://rscf.ru/project/24-21-20122).

1. Лепов В. В., Бисонг С. М., Голых Р. Н. Многоуровневый подход к моделированию процессов разрушения материалов с субмикроструктурой, применимых в условиях Арктики и Субарктики // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2023. № 28(1). С. 156–171. DOI: 10.31242/2618-9712-2023-28-1-156-171
2. Пермяков П. П. Математическое моделирование негативных мерзлотных процессов. — Новосибирск : СО РАН, 2023. — 160 c.
3. Казанцев А. Г., Петров О. М., Соков Л. М. Влияние остаточных технологических напряжений на раскрытие и стабильность сквозных трещин в элементах трубопроводов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. № 6. С. 51–61.
4. Prokopyev L. A., Golikov N. I., Saraev Yu. N. Crack growth in the field of residual stresses in welded joints of pipelines used in a cold climate // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2024.
Vol. 5. P. 159–169. DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.159-169
5. Liu Z., Zhang S., Mao Q., Zheng X. Y. Role of welding residual stress in stainless steel piping with application of the leak-before-break technology // Front. Energy Res. 2023. Vol. 10. 1079476. DOI: 10.3389/fenrg.2022.1079476
6. Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия: Введение / Пер. с англ. — М. : Мир, 1989. — 478 с.
7. Voronoi G. F. Nouvelles applications des paramètres continus à la théorie de formes quadratiques // Journal für die reine und angewandte Mathematik. 1908. Vol. 134. P. 198–287.
8. Ботвина Л. Р., Болотников А. И., Левин В. П., Демина Ю. А., Тютин М. Р., Белецкий Е. Н., Синев И. О. Особенности деформации и разрушения нержавеющей стали с разным размером зерен // Металлы. 2024. № 6. С. 75–86.
9. Kmar T., Missaoui M. T., Tabbane N. Optimal C-RAN clustering in 5G context based on memetic algorithm // 19th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA). 2019. P. 642-647.
10. Сараев Ю. Н., Гладковский С. В., Голиков Н. И. и др. Поисковые исследования повышения надежности металлоконструкций ответственного назначения, работающих в условиях экстремальных нагрузок и низких климатических температур // Наукоемкие технологии в проектах РНФ Сибирь / Под ред. С. Г. Псахье, Ю. П. Шаркеева. — Томск : Издательство НТЛ, 2017. — С. 134–202.
11. Матохин Г. В., Воробьев А. Ю., Игуменов А. А. Оценка влияния остаточных сварочных напряжений на предел выносливости различных зон сварных соединений ферритоперлитных сталей // Сварка и диагностика. 2015. № 1. С. 32–34.
12. Hiroyuki T. Stress intensity factor analysis and fatigue behavior of a crack in the residual stress field of welding // Journal of ASTM international. 2005. Vol. 2, Iss. 5. P. 58–68. DOI: 10.1520/JAI12558
13. Ma N., Murakawa H., Ueda Y. Welding deformation and residual stress prevention. — Oxford : Butterworth-Heinemann, 2012. — 29 p. DOI: 10.1016/C2011-0-06199-9
14. Копельман Л. А. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разрушению. — Ленинград : Машиностроение, 1978. — 232 с.
15. Jiang X., Wang W., Xu C., Li J., Lu J. Effect of process parameters on welding residual stress of 316L stainless steel pipe // Materials. 2024. Vol. 17. 2201. DOI: 10.3390/ma17102201

16. Irwin G. R. Fracture of pressure vessels // Material for missile and spacecraft. — Mc GrawHill, 1963. — P. 204–229.
17. Тарасов Ю. Л. Математическое моделирование эффекта «течь перед разрушением» // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12, № 1(2). С. 542–547.
18. Алексеев А. Т., Алексеев П. В., Лоскутов О. Д., Тутнов А. А. Подход к вероятностному обоснованию условия течи перед разрушением и исключения разрыва трубопроводов второго контура реакторной установки ВВЭР // Атомная энергия. 2023. Т. 135. № 5-6. С. 212–218.
19. Bisong M. S., Makharova S. N., Lepov V. V. Heterogeneity estimation of lowcycled steel weld probes // Solid State Phenomena. 2017. Vol. 265 SSP. P. 873–878.
20. Лебедев М. П., Голоков Н. И., Лепов В. В. и др. Надежность материалов, техники и конструкций в условиях экстремально холодного климата / под ред. М. П. Лебедева. — Новосибирск : СО РАН, 2025. — 372 с.
21. Deaconu V. Finite element modelling of residual stress — a powerful tool in the aid of structural integrity assessment of welded structures // 5th International Conference Structural Integrity of Welded Structures (ISCS2007), Timisora, Romania, November 20–21, 2007. — URL: www.ndt.net/article/iscs2007/papers/10.pdf (дата обращения: 18.12.2025)
22. Wen Sh., Dong H., Zhang Sh. Y., Bannister A., Connelly M. Neutron diffraction measurement of weld residual stresses in an UOE linepipe subjected to mechanical expansion // Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2013. DOI: 10.1115/OMAE2013-11257