Разработка научных основ технологий и методов повышения прочности, хладостойкости и безопасности конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных условиях Севера

Цель: выявление закономерностей накопления повреждений и анализ процессов разрушения в материалах и элементах конструкций, включая натурные испытания, исследование динамики напряженно-деформированного состояния конструкций, сварных соединений стыков труб, разработку методов оценки ресурса элементов транспортных систем, повышения прочности и хладостойкости материалов, риск-анализ сложных технических систем, эксплуатирующихся вэкстремальных условиях Севера. Разработаны основы теории разрушения материалов, претерпевающих вязкохрупкий переход в условиях низких климатических температур, в том числе после длительной эксплуатации. Теория основана на многоуровневом рассмотрении процессов накопления структурных повреждений, выявлении их количественных характеристик с помощью методов электронной сканирующей микроскопии и мультифрактального анализа. На основе изучения внутреннего трения и микроструктурных исследований выявлена природа низкотемпературного вязкохрупкого перехода в ОЦК-металлах. С использованием метода электронной сканирующей микроскопии и элементного анализа исследована морфология поверхностей разрушения образцов, испытанных на ударную вязкость при низких климатических температурах, из стали, находящейся в состоянии поставки, и обработанных РКУП. Получены данные о боковом износе железнодорожных рельс и колёс, эксплуатирующихся в условиях центральной Якутии. Произведены измерения микротвердости металла, предложена модель накопления повреждений при износе, основанная на термофлюктуационном характере зарождения микродефектов и усреднении напряжений в пятне контакта рельса и колеса. Выявлено, что в результате РКУП происходит смещение температуры вязкохрупкого перехода в безопасный диапазон ниже -60°С. Разработаны новые методы комбинированной обработки сталей и сплавов экструзией и винтовым прессованием с целью создания ультрамелкозернистой сдвигоустойчивой структуры. Проведены испытания на усталость и ударную вязкость. Выполнены анализ разрушения крупногабаритных конструкций, натурные испытания сосудов давления, дана оценка процессов ветвления для сталей с различной внутренней структурой, оценено воздействие малых токов на прочность тонкостенных конструкций при низких климатических температурах. В рамках концепции приемлемого риска разработан научно-практический подход к анализу и оценке риска аварий резервуаров, эксплуатирующихся в условиях Севера. По результатам анализа статистических данных аварий на резервуарах впервые получены исходные частоты аварий резервуаров, предназначенные для количественной оценки риска при низких температурах окружающей среды. Разработаны «дерево отказов» хрупкого разрушения резервуаров, «деревья событий» при взрыве резервуара соценкой частот реализации аварийных сценариев. Предложен способ оценки пластической деформации трубного металла, накопленной при длительной эксплуатации. Проведены мониторинговое профилирование дна реки на створе подводного перехода магистрального газопровода (ППМГ), исследование изменений планово-высотных положений на пойменных участках трассы. В результате мониторингового исследования состояний ниток ППМГ на пойменных участках трассы выявлены участки сезонных прогибов и просадок газопровода, связанные с морозным пучением и термопросадкой грунта. Выявлено максимальное снижение уровня дна реки со стороны правого берега, что способствует увеличению размыва дна реки и в несудоходных протоках, где проходит подводный переход газопровода. Проведено математическое моделирование размыва берегов и морозного пучения грунта на пойменном участке трассы ППМГ. Установлено, что в прибережной части берега образуется льдонасыщенная зона, которая в зимнее время полностью замерзает и сопровождается морозобойным растрескиванием грунта, а в следующий сезон полностью протаивает, легко размывается паводковой водой; наличие надмерзлотных грунтовых вод усиливает процесс влагонакопления и образование зоны повышенной влажности. Показано, что в областях с водными переходами или при наличии подземных вод наблюдается морозное пучение, которое с течением времени переходит в пластическую деформацию газопровода. При многогодичном «сезонном расшатывании» могут происходить малоцикловые усталостные разрушения. Установлено, что длительность эксплуатации резервуаров, изготовленных из сталей Ст3 и 17Г1С, зависит от коррозионных процессов. Уменьшение толщины стенки способствует росту напряжений и разрушению локальных участков резервуара. Для труб диаметром 1220 мм толщиной стенки ~30 мм, предназначенных для подводного перехода магистральных нефтепроводов, оптимальный режим сварки достигается с предварительным подогревом и при определенной силе тока.