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

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.