АНАЛИЗ РИСКА ОТКАЗА ТЕПЛОВОЙ СЕТИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С КОРРОЗИОННЫМИ ДЕФЕКТАМИ В SOLIDWORKS SIMULATION

АННОТАЦИЯ

Цель работы – верификация конечно-элементной модели в SolidWorks Simulation для оценки разрушающих напряжений трубопроводов тепловых сетей с коррозионными дефектами. Проведены испытания на растяжение образцов стали 20 после 17 и 26 лет эксплуатации, определены механические свойства. Выполнено численное моделирование растяжения образцов с реальными дефектами. Рассчитанные напряжения по Мизесу сравнены с экспериментом и критерием B31G. Погрешность моделирования составила 0,2–7,3 %, что подтверждает пригодность модели для оценки остаточной прочности.

Ключевые слова: тепловые сети, механические свойства, метод конечных элементов, Solidworks Simulation, критерий в31g.

Тепловая сеть – совокупность устройств для передачи тепловой энергии от источника до потребителей [1]. Аварии на тепловых сетях – серьёзная проблема. В 2023 году в России произошло 3 718 аварий, из них 3 297 – на тепловых сетях. Доля ветхих сетей достигает 30–42 %, основная причина аварий – наружная коррозия (>65 %) [2–3].

Для обоснования безопасной эксплуатации необходимо оценивать влияние коррозионных дефектов на прочность. Аналитический метод B31G даёт разрушающие напряжения, но не распределение напряжений. Более точную информацию даёт конечно-элементное моделирование в SolidWorks Simulation.

Для проведения эксперимента были выбраны два фрагмента участков прямых трубопроводов тепловых сетей из конструкционной малоуглеродистой стали 2 с разным сроком эксплуатации (17 и 26 лет).

В таблице 1 приведены характеристики трубопроводов.

Таблица 1.

Характеристики исследуемых участков трубопроводов

Из каждого фрагмента было изготовлено по 9 образцов. Каждый образец был пронумерован в соответствии с принадлежностью к фрагментам (П5, П7). Геометрия образцов определена в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» [4]. Испытания на растяжение проведены на машине МИМ.2-100 (до 100 кН). Определены механические свойства (табл. 2).

Таблица 2.

Механические свойства материала до и после эксплуатации

С увеличением срока эксплуатации прочностные характеристики снижаются, что свидетельствует о постепенном ухудшении его упругих свойств, сопротивления пластической деформации и способности сопротивляться воздействию внешних нагрузок, однако пластичность материала остается достаточно высокой для всех исследуемых образцов.

Перед проведением испытаний на растяжение на образцах были выявлены наибольшие коррозионные дефекты в рабочей зоне образцов и измерены длина L, глубина H, толщина s (табл. 3).

Таблица 3.

Размеры коррозионных дефектов образцов

Для учета влияния коррозионных дефектов на поверхности исследуемых образцов был рассчитан коррозионный критерий B31G. Схема определения критерия представлена на рисунке 3, используемые для расчёта соотношения (1) – (4) приведены далее (рисунок 1).

Рисунок 1. Размеры коррозионного дефекта

В общем виде выражение для расчёта величины разрушающих кольцевых напряжений базируется на следующем уравнении:

                                      (1)

σ_т – минимальный нормативный предел текучести материала трубы;

A – площадь проекции (профиля) дефекта на продольное сечение стенки трубы:

                                                          (2)

L – длина дефекта;

Н - глубина дефекта;

А₀ – площадь продольного сечения стенки трубы, на которую проецируется дефект:

                                                       (3)

s – толщина стенки трубы;

М – коэффициент Фолиаса, рассчитанный для длины дефекта L:

                                             (4)

d – наружный диаметр трубы [5].

Далее была рассчитана величина разрушающих кольцевых напряжений для данных образов по формулам (1)-(4). Параметр d был принят равным 60 мм (соответствует рабочей зоне образца).

Погрешность D определяется по формуле:

                                          (5)

s_р0 - действительное значение напряжения при разрушении [5].

В таблице 4 приведены результаты расчета, на основе которых можно сделать вывод о том, что определение разрушающих напряжений на основе метода «Критерий B31G» производится со средней погрешностью D = 1,8% для образцов из серии П5, и D = 5,81% для образца из серии П7. Невысокий уровень погрешности говорит о том, что данный метод целесообразно использовать для исследуемых типов трубопроводов, особенно с учетом регрессии механических свойств в ходе эксплуатации.

Таблица 4.

Результаты расчета характеристик, оцененных при определении статического разрушения

Для оценки напряжённо-деформированного состояния образцов с коррозионными дефектами было выполнено численное моделирование процесса растяжения в программном комплексе SolidWorks Simulation [6]. Моделирование проводилось в линейной статической постановке, с учетом геометрии модели (диаметр (таблица 1), толщина (таблица 3)) и с использованием геометрических параметров дефектов (таблица 3). Свойства материала задавались на основе экспериментальных данных: модуль Юнга E (таблица 2), предел прочности s_в, предел текучести s_т (таблица 5), определённых из кривых нагружения, и коэффициент Пуассона ν=0,3 (для стали 20). На торце модели прикладывалось перемещение L, равное экспериментальному перемещению в момент разрушения образца (таблица 5).

Таблица 5.

Механические характеристики образцов и перемещение при разрушении

В результате расчёта были получены поля эквивалентных напряжений по Мизесу и зафиксированы максимальные значения σ_max, FEM в зоне коррозионного дефекта. Сравнение этих величин с экспериментальными напряжениями разрушения σ_р0 (из кривых нагружения) приведено в таблице 6.

Таблица 6.

Сравнение расчётных (при моделировании) и экспериментальных напряжений разрушения

Анализ погрешностей (табл. 6) показал: для образцов П5 (17 лет) максимальная погрешность составила 2,8 %, минимальная – 0,2 %, средняя – 1,4 %. Для образцов П7 (26 лет) погрешность варьируется от 1,5 % до 7,3 %, в среднем 3,9 %. Такой уровень ошибок подтверждает, что линейный статический анализ в SolidWorks Simulation с корректными механическими характеристиками обеспечивает приемлемую точность прогноза разрушающих напряжений. Наибольшее расхождение (7,3 % для образца 3П7) объясняется идеализацией геометрии дефекта (малая глубина при большой толщине стенки).

Эти результаты хорошо согласуются с расчётами по критерию B31G, где для того же образца также зафиксирована повышенная погрешность (9,44 %).

Заключение.

1. Проведены механические испытания стали 20 после длительной эксплуатации. Установлено снижение прочностных характеристик с увеличением срока службы.
2. Конечно-элементная модель в SolidWorks Simulation верифицирована экспериментально. Погрешность прогнозирования разрушающих напряжений для большинства образцов не превышает 3 % (до 7,3 % в сложных конфигурациях).
3. Результаты моделирования хорошо согласуются с расчётами по критерию B31G.
4. Рекомендовано использовать верифицированную модель для оценки остаточной прочности трубопроводов тепловых сетей с коррозионными дефектами.

Список литературы:

1. Российская Федерация. Законы. О теплоснабжении : Федеральный закон № 190-ФЗ : [принят Гос. Думой 27 июля 2010 г. : одобрен Советом Федерации 27 июля 2010 г.] // Собрание законодательства Российской Федерации. – 2010. – № 31. – Ст. 4159.
2. Отчет о состоянии теплоэнергетики и централизованного теплоснабжения в Российской Федерации в 2023 году [Электронный ресурс] / РЭА Минэнерго России. – Москва, 2023. – 164 с. – Режим доступа: https://minenergo.gov.ru/press-center/presentations/doklad-o-sostoyanii-teploenergetiki-i-tsentralizovannogo-teplosnabzheniya-v-rossiyskoy-federatsii-2023 (дата обращения: 12.05.2026).
3. Жилищное хозяйство в России. 2025 [Электронный ресурс] : стат. сб. / Росстат. – Москва, 2025. – 55 с. – Режим доступа: https://www.rosstat.gov.ru/storage/mediabank/Jil_hoz_2025.pdf (дата обращения: 12.05.2026).
4. ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84). Металлы. Методы испытаний на растяжение. – Введ. 01.01.1986. – М. : Стандартинформ, 2008. – 27 с. (с изменениями № 1, 2, 3 и поправками 2014 г.).
5. ASME B31G-2012. Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines : a supplement to ANSI/ASME B31 code for pressure piping. – Revision of ASME B31G-200. – New York : The American Society of Mechanical Engineers, 2012. – 55 p.
6. Основные понятия анализа [Электронный ресурс] // Справка по SOLIDWORKS Design 2013. – Режим доступа: https://help.solidworks.com/2013/russian/SolidWorks/cworks/c_Basic_Concepts_of_Analysis.htm (дата обращения: 12.05.2026).