Создание и применение математических и компьютерных моделей прогнозирования разрушения нефтепровода с внутренними коррозионными дефектами после длительной эксплуатации на основе оценки трехмерного напряженно-деформированного состояния и объемной повреждаемости, а также технологий искусственного интеллекта

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-49-10061

НазваниеСоздание и применение математических и компьютерных моделей прогнозирования разрушения нефтепровода с внутренними коррозионными дефектами после длительной эксплуатации на основе оценки трехмерного напряженно-деформированного состояния и объемной повреждаемости, а также технологий искусственного интеллекта

Руководитель Соляев Юрий Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №73 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Нефтепровод, коррозионные дефекты, локальная коррозия, концентрация напряжений, термоупругость, численное моделирование, аналитические решения, размерные эффекты, повреждаемость, опасный объем

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Трубопроводный транспорт имеет огромное экономическое значение для государств Центральной и Восточной Европы. При этом он оказывает минимальное, по сравнению с другими видами транспорта, вредное воздействие на окружающую среду. Срок эксплуатации большинства магистральных нефтегазопроводов Беларуси и значительная часть в России или приближается к плановому, или уже исчерпан, поэтому большое значение имеет их сохранение в работоспособном состоянии. Возможные эксплуатационные повреждения труб ведут к снижению производительности нефтепровода, что обуславливает соответствующий экономический ущерб, а также может приводить к возникновению чрезвычайных ситуаций и наносить вред экологии. Поэтому проблема обеспечения работоспособности системы в безаварийном режиме весьма актуальна. Несмотря на многочисленные исследования, задача оценки эксплуатационной деградации свойств магистральных нефтегазопроводов остается актуальной, но нерешенной задачей. Весьма важным является установление влияния длительной эксплуатации нефтегазотранспортной системы на изменение коррозионной стойкости, электрохимического поведения, сопротивления коррозионно-механическому разрушению и циклической трещиностойкости сталей магистральных нефтегазопроводов, что будет способствовать выяснению механизма деградации трубных сталей от действия коррозионных сред. Как в Республике Беларусь, так и в России развитие моделей и методов математического и компьютерного анализа сложных технических систем, прогнозирование долговечности и ресурса конструкций и систем трубопроводов, резервуаров являются важными направлениями научных исследований. Предлагаемый проект направлен на развитие методов достоверного прогнозирования остаточной прочности и ресурса нефтепроводов, содержащих внутренние коррозионные дефекты, образующиеся в условиях длительной эксплуатации. В проекте рассматривается иерархия задач, связанная с анализом характера концентрации напряжений и развития повреждений, как на уровне единичных точечных коррозионных дефектов, для которых дается оценка критических размеров, так и на уровне моделей множественных дефектов и полноразмерных моделей участков нефтепроводов с локальной точечной и язвенной коррозией. Развиваются численные методы определения опасных объемов материала, подверженного коррозии и работающего в условиях сложно напряженного состояния и неравномерного нагрева, основанные на статистических и вероятностных подходах к оценке параметров поврежденности стенок трубопроводов. Предлагается развитие фундаментальных подходов к аналитическому прогнозу характера концентрации напряжений вблизи поверхностных коррозионных дефектов, учитывающих масштабные эффекты. Экспериментальная часть исследований включает в себя построение и исследование реалистичных моделей образцов металла с точечными малоразмерными коррозионными дефектами на основе данных микро-томографии с последующим детализированным численным моделированием и анализом процессов зарождения и развития повреждений. По результатам работ запланировано получение новых универсальных аналитических оценок, регрессионных зависимостей, численных моделей, а также обученной нейронной сети, позволяющих прогнозировать возникновение опасной концентрации напряжений вблизи коррозионных дефектов (с учетом их характерных размеров, формы, плотности расположения) и достоверно оценивать остаточный ресурс участков нефтепровода, подверженных коррозии. Результаты проекта будут способствовать повышению безопасности, в том числе экологической, трубопроводов, эксплуатирующихся в сложных условиях нагружения и воздействия коррозионных сред в течение длительного времени.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дель-Изола Ф., Еремеев В.А., Короленко В.А., Соляев Ю.О. Deformation of an elastic second gradient spherical body under equatorial line density of dead forces European Journal of Mechanics, A/Solids, vol. 103, article №105153 (год публикации - 2024)
10.1016/j.euromechsol.2023.105153

2. Соляев Ю.О. Self-consistent homogenization approach for polycrystals within second gradient elasticity Mechanics Research Communications, vol. 32; article № 104162 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mechrescom.2023.104162

3. Дедова Д.В., Кузнецова Е.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Influence of Internal Defects on the Stress–Strain State of a Three-Layer Panel with Different Honeycomb Fillers Russian Engineering Research, Vol. 43, No. 11, pp. 1457–1460 (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23110072

4. Соляев Ю.О., Щербаков С.С., Голубкин К.С., Поляков П.О. Оценка масштабных параметров металлов по данным усталостных испытаний образцов с поверхностными дефектами Известия Российской академии наук. Механика твердого тела (Mechanics of Solids), Т. 1, стр. 170-196 (год публикации - 2024)
10.31857/S1026351925010098

5. Кузнецова Е.Л., Егорова О.В., Новиков А.С. Действие движущейся полосовой нагрузки на дискретно подкрепленную цилиндрическую оболочку СТИН (Russian Engineering Research), № 11, стр. 57-61 (год публикации - 2024)

6. Антуфьев Б.А., Егорова О.В., Кузнецова Е.Л. Dynamic Behavior of Liquid-Filled Cylindrical Shell under a Mobile Load Russian Engineering Research, № 4, т. 45, стр. 550–553 (год публикации - 2025)
10.3103/S1068798X25700431

7. Щербаков С.С., Кумар П., Подгайская Д.А., Поляков П.О., Добрянский В.Н., Мамухо Э.М., Прислу А., Вишванатха Х.М. Machine learning-based approach for predicting the fatigue crack growth in the radial direction in steel pipe under pure bending Engineering Research Express, № 2, т. 7 (год публикации - 2025)
10.1088/2631-8695/adc541

8. Щербаков С.С., Подгайская Д.А., Сколубович А., Кумар П., Поляков П.О., Добрянский В.Н. Modeling of hoop stress in defect-free steel pipe subjected to internal pressure and temperature difference using finite element analysis and response surface methodology Engineering Solid Mechanics, Structural steel pipe, Hoop stress, Finite element analysis, Response surface methodology, Mathematical modeling (год публикации - 2025)
10.5267/j.esm.2025.10.003

9. Подгайская Д.А., Щербаков С.С., Суденко Н.А., Кисельков А.Л., Кумар П., Поляков П.О. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния участка нефтепровода с коррозионными дефектами различных размеров при действии внутреннего давления Теоретическая и прикладная механика: международный научно-технический сборник, Выпуск 39, стр. 33-40 (год публикации - 2024)

10. Кузнецова Е.Л., Рабинский Л.Н. Dynamics of a Liquid-Filled Cylindrical Shell under a Mobile Load and Excess Pressure Russian Engineering Research, № 10, т. 45, стр. 1452-1454 (год публикации - 2025)
10.3103/S1068798X25702284

11. Щербаков С.С., Кумар П., Подгайская Д.А., Поляков П.О., Добрянский В.Н., Вишванатха Х.М. A Modified Exponential Model for Predicting the Fatigue Crack Growth Rate in a Pipeline Steel Under Pure Bending Advances in Technology Innovation, № 3, т. 10, стр. 238-253 (год публикации - 2025)
10.46604/aiti.2024.14372

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Построено, исследовано и валидировано решение задачи градиентной теории упругости (ГТУ) о концентрации напряжений вблизи полу-эллипсоидальной полости (коррозионного дефекта), расположенной на поверхности полупространства. Показано, что построенное решение позволяет описывать эффекты снижения концентрации напряжений вблизи дефектов, характерный размер которых сопоставим с масштабным параметром материала. При этом дополнительно установлено, что степень влияния размерного эффекта определяется ориентацией дефектов. Для полостей, вытянутых вдоль действующей нагрузки, размерные эффекты оказываются минимальными, в отличие от сферических полостей или полостей, ориентированных поперек нагрузки. На основе анализа полученных численных и аналитических оценок по зависимости коэффициента концентрации напряжений от плотности расположения и характерных размеров взаимодействующих полостей (множественных коррозионных дефектов), показано что применение метода эффективного поля в сочетании с аналитическими решениями ГТУ для изолированных дефектов в задачах с поверхностными полостями является допустимым при значениях поверхностной плотности дефектов < 0.5. Проведена валидация построенных решений на основе их сопоставления с известной полу-эмпирической формулой Петерсона, применяемой для описания экспериментальных зависимостей коэффициентов концентрации напряжений от размеров концентратора, которые не могут быть учтены классическими упругими и упруго-пластическими решениями. Показано, что масштабный параметр упрощенной ГТУ может считаться пропорциональным (коэффициент ~8/1) дополнительной материальной константе, которая была введена и идентифицирована Петерсеном на основе большого числа экспериментов для разных материалов. Кроме этого, построенные решения валидированы на основе обработки известных экспериментальных данных по зависимости параметров сопротивления усталости образцов металлов от характерных размеров поверхностных дефектов (нанесенных полостей, коррозионных повреждений и т.д.). Показано, что известные эксперименты, как для параметров зарождения поверхностных трещин на поверхностных полостях, так и для предела ограниченной выносливости образцов с коррозионными повреждениями, могут быть единым образом описаны в рамках концепции концентрации напряжений и решений ГТУ. Идентифицированные значения масштабных параметров ГТУ для сталей (Х65, X20Cr13) и алюминиевых сплавов (7075, 2024) позволили в широком диапазоне абсолютных и относительных размеров дефектов описывать изменение номинального уровня концентрации напряжений, наблюдаемого в экспериментах для образцов, содержащих малоразмерные дефекты (с характерными размерами менее 1 мм). Значения идентифицированных масштабных параметров определяются свойствами материала. В частности, для более хрупких и прочных сплавов реализуются меньшие значения масштабных параметров (20-150 мкм), а для более пластичных сплавов они повышаются и могут достигать 200-250 мкм, причем эти значения не коррелируют с характерным размером зерна металла. На основе проведенных детализированных численных расчетов для моделей образцов с точечными коррозионными дефектами, построенных на основе данных микро-томографии и с учетом изменения состава приповерхностного слоя металла вблизи дефектов, установлено, что учет приповерхностного коррозионного слоя позволяет уточнить (в диапазоне 20-30%) максимальный уровень концентрации напряжений в основном материале стенки трубы. Таким образом, стандартная практика по расчету эффективного коэффициента концентрации напряжений в условиях наличия коррозионных повреждений на поверхности конструкции может быть уточнена путем введения дополнительного поверхностного слоя в модели дефекта. Установлено, что характерная толщина коррозионного слоя может считаться параметром, определяющим значение масштабного параметра градиентной теории упругости, как феноменологической теории для малоразмерных дефектов. Однако, это не ограничивает возможность существования иных причин, приводящих к реализации аналогичных градиентных и размерных эффектов в отсутствие поверхностных коррозионных слоев.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Получено и проанализировано новое численно-аналитическое решение для задачи о полу-сферическом включении на поверхности полупространства в условиях всестороннего растяжения и/или присутствия собственных неупругих деформаций во включении в рамках градиентной теории упругости. Использована формулировка теории с определяющими соотношениями Айфантиса, содержащая единственный дополнительный масштабный параметр (по отношению к набору классических констант), методика идентификации которого была предложена на предыдущем этапе проекта. Построенное решение позволяет учесть влияние размера включений на эффекты концентрации напряжений и деформаций вблизи поверхностных микро-размерных примесей, которые являются основными источниками зарождения поверхностных коррозионных полостей в металлах. Решение построено в рядах на основе представления общего решений для поля перемещений через обобщенные потенциалы Буссинеска, разработанные на первом этапе проекта. Показано, что построенное решение позволяет объяснить явление замедления питтинговой коррозии вблизи ультрамалых включений (размер которых сопоставим с масштабным параметром материала) за счет снижения концентрации напряжений вследствие влияния градиентных эффектов, что согласуется с известными экспериментальными данными. При этом в рамках используемого феноменологического подхода учитывается корреляция локального изменений электрохимического потенциала и первого инварианта тензора напряжений в материале основы. Построенное решение прогнозирует явление, при котором за счет реализации размерных эффектов концентрация напряжений снижается в материале основы и повышается во включениях малого размера – в решении с учетом градиентных эффектов происходит перераспределение напряжений между фазами, и при снижении концентрации напряжений в более мягкой фазе (в основном материале), происходит ее повышение в более жесткой фазе (в карбидных или сульфидных включениях в сталях, в интерметаллидных включениях в алюминиевых сплавах и т.д.). Построенные решения могут быть использованы в будущем в рамках связанных термодинамических и электрохимических моделей в целях получения уточненных оценок по влиянию размера поверхностных включений-примесей на скорость коррозионных процессов в условиях действия внешней механической нагрузки и остаточных напряжений на уровне микрострукутры материала. На основе испытаний образцов с малоразмерными поверхностными коррозионными дефектами с использованием метода корреляции цифровых изображений установлен эффект снижения концентрации деформаций по отношению к расчетным данным, полученным на втором этапе выполнения проекта на детализированных представительных фрагментах. Установлено, что предложенный на втором этапе проекта учет наличия разрыхленного (пористого) слоя на поверхности коррозионных повреждений позволяет уточнить результаты расчетов и улучшить их согласованность с экспериментальными данными. В рамках обобщения и анализа полученных результатов исследований предложена классификация коррозионных поверхностных дефектов с выделением класса менее опасных микро-размерных дефектов, которая может быть использована при построении детализированных моделей изделий с коррозией. В частности, установлено, что при построении моделей фрагментов трубопроводов, подверженных коррозии, целесообразно включать только дефекты, характерные размеры которых превышают пять масштабных параметров для данного материала. Определение значения масштабного параметра возможно реализовать с использованием методики, предложенной на втором этапе проекта по данным усталостных испытаний образцов с поверхностными дефектами или концентраторами напряжений. Коллектив белорусской стороны на третьем этапе проекта проводил исследования, направленные на исследование и систематизацию данных по зависимости концентрации напряжений и объемной повреждаемости во фрагментах трубопроводов с коррозионными дефектами в условиях различных внешних термомеханических нагрузок. На основе проведенных исследований разработана и обучена нейронная сеть, позволяющая идентифицировать опасные объемы во фрагментах нефтепроводов с учетом геометрические характеристик присутствующих в них коррозионных дефектов (с учетом характерной формы и характерного размера), уровня действующего внутреннего давления и перепада температуры между стенками трубы.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проведенных исследований могут быть использованы для оптимизация ремонтных регламентов и продление срока безопасной службы трубопроводных систем. Нейросеть и классификация дефектов позволяют перейти от планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по фактическому состоянию. Можно более точно прогнозировать, какие уровни поврежденности требуют проведения срочных ремонтов. Обобщенные модели, разработанные для прогноза концентрации напряжений вблизи коррозионных дефектов различного размера, позволяют более точно оценить остаточный ресурс конструкции. Это может позволить предотврадить преждевременную замену дорогостоящих трубопроводных систем и безопасно продлить сроки их эксплуатации.