Rudy Metale R53 2008 nr 11
EDWARD STANISA
AW DZIDOWSKI
UKD 669.018.25:669.018.27:
:539.4.013:669.2/.8:669-98:669-462
JAK PROJEKTOWAĆ, WYTWARZAĆ I EKSPLOATOWAĆ RURY
DO BEZPIECZNEJ PRACY POD CIŚNIENIEM
Tradycyjne projektowanie, wytwarzanie i eksploatacja rur pracujących pod ciśnieniem bazuje na klasycznej wytrzymałości
materiałów. Oznacza to brak możliwości przewidywania czasu do uszkodzenia rurociągu wskutek podkrytycznego rozwoju
pęknięć. W ślad za tym niemożliwe staje się skuteczne monitorowanie rozwoju pęknięć i zapobieganie katastroficznemu pę-
kaniu rurociągów. Problem ten potęguje zarówno coraz częstsze stosowanie wysoko wytrzymałych stopów metali (w tym
nieżelaznych), jak i niedostateczny stan wiedzy inżynierskiej na temat mechaniki i mezomechaniki pękania materiałów. Bez
znajomości mezomechaniki pękania trudno bowiem unikać pęknięć podczas wytwarzania rur. Bez znajomości mechaniki
pękania nie można zapobiegać katastroficznemu rozwojowi pęknięć podczas eksploatacji rurociągów. Dlatego też, zasadni-
czym celem niniejszego opracowania jest omówienie mało znanych zasad stosowania tych teorii przy projektowaniu proce-
sów wytwarzania rur oraz przy projektowaniu i bezpiecznej eksploatacji rurociągów.
Słowa kluczowe: Rury, pękanie poślizgowe, pękanie katastroficzne, zapobieganie
HOW TO DESIGN, MANUFACTURE AND EXPLOIT PIPES
FOR SECURE OPERATION UNDER PRESSURE
Traditional design, manufacture and exploitation of the pipes operating under pressure is based on the classical strength of
materials. This means that the time required to damage the pipeline due to the sub-critical fracture development cannot be
predicted. Consequently, efficient monitoring of fracture development, as well as the prevention of catastrophic pipeline
fracture become impossible. The above problem is intensified not only by the increasing application of high-strength metal
alloys (including non-ferrous metals) but also by insufficient level of engineering knowledge on the mechanics and me-
somechanics of material fracture. Without the knowledge of fracture mesomechanics, it is difficult to avoid the fractures
appearing during pipe manufacture process, while the lack of knowledge of fracture mechanics makes it impossible to pre-
vent catastrophic crack development during pipeline operation. Therefore, the key objective of this paper is to present the
little known principles of applying the aforementioned theories to the design and manufacture of pipes resistant to catastro-
phic fractures. Further to the above, the considerable limitations of the classical strength of materials have been indicated.
As a result, the need for applying fracture mesomechanics to the design of pipe manufacture process has been demon-
strated. This need results from the necessity to prevent pipe fracture not only during the manufacture process, but also dur-
ing their exploitation. The presence of post-manufacture mesoscopic fractures accelerates the sub-critical development of
such fractures during pipeline operation Resultantly, the general principles of applying fracture mechanics to monitor sub-
critical fracture development have been discussed. What is crucial, it has been proved that the same principles may be ap-
plied to designing and selecting of pipes resistant to catastrophic damage. However, conscious prevention of such destruc-
tion requires further research to enable the development and application of the so-called processing maps, as well as the
research on determining material resistance to catastrophic fracture development. Such research is indispensable to opti-
mise the manufacture process and to associate the pipe geometry closely with their resistance to catastrophic damage. Only
then it will be possible to avoid the catastrophes of constructions operating under pressure. What is more, human and ma-
terial losses which accompany the catastrophic fracture development in pipelines will be prevented.
Keywords: Pipes, shear fracture, fracture toughness, prevention
Wprowadzenie sto zawężamy tę odporność do odporności na odkształcenie
plastyczne. Innymi słowy staramy się nie przekraczać gra-
Problematyka pękania rur podczas wytwarzania i eks- nicy plastyczności. Takie podejście do wytrzymałości mate-
ploatacji rurociągów leży poza zakresem typowych pro- riałów było dostateczne w dobie stosowania materiałów ni-
gramów kształcenia polskich inżynierów. Jedną z istotnych
sko wytrzymałych, to jest mających małą wartość granicy
przyczyn takiego stanu rzeczy jest aktualne podejście do plastyczności i dużą plastyczność. Obecnie coraz częściej
nauczania Wytrzymałości Materiałów. Chociaż zdajemy stosujemy materiały wysoko wytrzymałe, a te są mało od-
sobie sprawę z tego, że wytrzymałość materiałów należy
porne na katastroficzny rozwój pęknięć. Problem potęguje
utożsamiać z ich odpornością na uszkodzenie, to zbyt czę- fakt, iż do katastroficznego rozwoju pęknięć dochodzi przy
Dr hab. inż. Edward Stanisław Dzidowski, prof. nzw.  Politechnika Wrocławska, W10/Z1, Wrocław.
714
naprężeniach uważanych powszechnie za bezpieczne, bo
niższe od granicy plastyczności. Dlatego też, stosowanie
materiałów wysoko wytrzymałych wymaga innej filozofii
projektowania oraz stosowania innych, niż dotychczas, kry-
teriów wytrzymałościowych.
W przypadku wytwarzania rur mamy podobne proble-
my. Podczas wytwarzania rur nie możemy dopuszczać do
rozwoju pękania poślizgowego. Problem polega na tym, że
wiedza na temat mechanizmu i przyczyn tego pękania nie
należy ani do pełnej, ani do powszechnej.
Dlatego też, zasadniczym celem niniejszego opracowa-
nia jest syntetyczne omówienie najnowszych (w tym wła-
snych) osiągnięć w poznawaniu i opisie mechanizmów pę-
kania oraz opracowywaniu metod zapobiegania pękaniu rur
na etapie ich wytwarzania i eksploatacji w postaci rurocią-
gów.
Poślizgowe pękanie rur
Wytwarzanie rur może być zakłócone wskutek niesta-
bilnego płynięcia i następującego po nim pękania materiału.
Mapy procesów (rys. 1b), opracowane przez Prasada i współ-
autorów [1] pozwalają, co prawda, przewidywać takie nie-
stabilności procesu i zapobiegać im, np. poprzez unikanie
nadmiernych prędkości odkształceń, ale nie przyczyniają
Rys. 2.
się one do pełnego rozumienia mechanizmu pękania (rys.
1a-1). Podobnie ma się rzecz z mapami pękania (rys. 2a),
a  mapa mechanizmów pękania
zaproponowanymi dużo wcześniej przez Ashby ego [2, 3]. i b  model mechanizmu pękania ciągliwego [2, 3]
Problem polega na tym, że najbardziej rozpowszechnio-
Fig. 2.
a  fracture mechanism map
and b  model of ductile fracture [2, 3]
ny model mechanizmu pękania ciągliwego i poślizgowego
bazuje na zarodkowaniu i rozwoju pustek wokół wtrąceń
i wydzieleń (rys. 2b). Model ten nie tłumaczy jednak pęka-
nia czystych metali i stopów jednofazowych. Co gorsze,
model ten nie generuje kryteriów sterowania przebiegiem
takiego pękania nawet w przypadku materiałów z wtrące-
niami i wydzieleniami.
W związku z powyższym autor niniejszego opracowa-
nia proponuje inne rozwiązanie. Jest nim mezoskopowo-
-makroskopowa koncepcja i model mechanizmu pękania
poślizgowego, przedstawiona na rysunku 3 [4, 5].
U podstaw tej koncepcji leży założenie, że skłonność do
pękania poślizgowego zależy od skutków ewolucji struktury
dyslokacyjnej w odkształcanym materiale. Mowa tu o koń-
cowym stadium takiej ewolucji, w którym dochodzi do lo-
kalizacji odkształceń w mezoskopowych pasmach ścinania
(rys. 3h). To czy dojdzie do pękania, czy nie zależy od
energii zgromadzonej w ścianach dyslokacji, stanowiących
granice wydłużonych podziarn (rys. 3i) oraz od stopnia
dezorientacji tych podziarn (rys. 3n).
U podstaw pękania poślizgowego leży zjawisko lokali-
zacji odkształceń, ale rozważane w skali mezoskopowej,
a nie makroskopowej. Dzięki temu mechanizm pękania
można powiązać z własnościami struktury dyslokacyjnej.
Oznacza to możliwość sterowania pękaniem poślizgo-
Rys. 1.
wym poprzez wpływanie na własności tej struktury [4�7].
a-1  przykład pękania rur podczas wyciskania i b  mapa
Sterowanie to może polegać na opóz
nianiu i przyśpieszaniu
procesu wyciskania, wskazująca na przyczyny tego pękania [1]
rozwoju pękania lub zupełnym jego eliminowaniu (rys. 3i-l).
Fig. 1.
Można również wpływać na kształt trajektorii pękania (rys.
3l), co nie jest możliwe w przypadku stosowania modelu
a-1  example of fracture rising during pipe extrusion
and b  processing map of such process [1] pokazanego na rysunku 2b.
715
a b
Rys. 3. Mezoskopowo-makroskopowa koncepcja pękania poślizgowego (wg Dzidowskiego)
Fig. 3. Mesoscopic-macroscopic concept of shear fracture (acc. Dzidowski)
Rys. 5. Poglądowa ilustracja wpływu wartości
Rys. 4. Poglądowa ilustracja wpływu temperatury na udarność granicy plastyczności R0,2 na wartość odporności
materiałów. Widoczne ewidentne różnice pomiędzy udarnością na niestabilny rozwój pęknięć KIC i wynikającą
materiałów nisko i wysoko wytrzymałych z tego potrzebę zmiany strategii projektowania
Fig. 4. Influence of temperature on impact energy of materials. Fig. 5. Impact of the value of yield strength R0.2
Significant differences between the impact energy of low-strength on fracture toughness KIC,
and high-strength materials can be noticed and the resulting need for modifying design strategy
716
Katastroficzne pękanie rur kryterium w postaci odporności na niestabilny rozwój pęk-
nięć KIC (rys. 5).
Obniżanie ciężaru rurociągów wymaga zwiększania wy-
Stosowanie tego nowego kryterium wymaga znajomości
trzymałości materiałów stosowanych do produkcji rur. Jak
mechaniki pękania oraz zasad laboratoryjnego określania
wynika z rysunku 4 materiały wysoko wytrzymałe cechuje
wartości KIC. W przypadku braku takich umiejętności trze-
niska udarność i obniżona odporność na niestabilny (kata-
ba przynajmniej wiedzieć, czy rzeczywiście stoimy w obli-
stroficzny) rozwój pęknięć (rys. 5). Taki stan rzeczy wyma-
czu konieczności stosowania mechaniki pękania zamiast
ga zmiany filozofii projektowania. Oznacza to, że zamiast
tradycyjnego podejścia do wytrzymałości materiałów.
projektowania bazującego na tradycyjnym pojmowaniu wy-
Można się o tym szybko przekonać, jeżeli zastosujemy kry-
trzymałości (granicy plastyczności R0,2) należy stosować
Rys. 6. Kryteria podziału i ogólne zasady projektowania w zależności od stopnia wytrzymałości materiałów:
E  moduł Younga, R0,2  granica plastyczności, �  naprężenie, �pęk.  naprężenie pękania,
KIC  odporność na pękanie, a  długość pęknięcia
Fig. 6. Classification criteria and general design principles dependent on the strength of material:
E  Young s modulus, R0,2  yield strength, �  stress, �pęk.  the stress required to make the crack propagate,
KIC  fracture toughness, a  crack size
717
terium umożliwiające orientacyjny podział materiałów na
materiały nisko i wysoko wytrzymałe. Jednym z łatwiej-
szych kryteriów tego rodzaju może być stosunek granicy
plastyczności R0,2 do moduły Younga E. Ogólne zasady po-
działu materiałów i wyboru właściwego kryterium wytrzy-
małościowego przedstawiono na rysunku 6.
Jak wynika z rysunku 6, za materiały nisko wytrzymałe
możemy uważać te, których granica plastyczności ma war-
tość niższą od 1/300 modułu Younga (R0,2 < E/300). Jeżeli
wartość granicy plastyczności jest większa od 1/150 modu-
łu Younga (R0,2 > E/150), to takie materiały możemy uwa-
żać za wysoko wytrzymałe, a to wymaga zmiany filozofii
projektowania. Oznacza to, że zamiast kryterium wytrzy-
małościowego w postaci granicy plastyczności R0,2, należy
stosować kryterium w postaci naprężenia pękania: �pęk. =
KIC/(Ąa)1/2.W przypadku pośrednich wartości granicy pla-
styczności (E/300 < R0,2 < E/150) należy sprawdzić obie
możliwości, to jest zrealizować czynności wyszczególnione
Rys. 7. Wpływ naprężenia �
w zacienionych ramkach (rys. 6).
na krytyczną długość pęknięcia (a/Q)kryt [8]
Wybór odpowiedniego kryterium wytrzymałościowego
nie kończy jednak rozważań na temat bezpiecznej pracy ru- Fig. 7. Impact of stress � on the critical crack size (a/Q)kryt [8]
rociągów. W przypadku materiałów wysoko wytrzymałych
nie wolno bowiem poprzestać na tym etapie. Potrzeba za-
pobiegania katastrofie wymaga bowiem ustawicznego mo-
a
nitorowania rozwoju pęknięć. Pęknięcie nie może bowiem
osiągnąć długości krytycznej akryt. dla danego poziomu na-
prężeń eksploatacyjnych �ekspl. (rys. 7).
Jak wynika z rysunku 7, powszechnym sposobem zapo-
biegania nadmiernemu rozwojowi i osiągania krytycznej
długości pęknięcia jest kontrolne obciążanie rurociągu
w celu wykrywania pęknięć o długości równej lub przekra-
czającej maksymalną długość początkową ai,max.
Problem polega na tym, że jeżeli początkowa długość
pęknięcia ai zrówna się z jej wartością dopuszczalna ai,max,
to w takim przypadku dochodzi do katastroficznego pęka-
nia rurociągu już podczas badań kontrolnych, to jest przy
naprężeniu ą�ekspl..
Uniknięcie takiej sytuacji jest możliwe, ale wymaga za-
b
chowania specyficznej relacji pomiędzy krytyczną długo-
ścią pęknięcia i grubością ścianki rury, co ilustruje rysunek 8.
Jak wynika z rysunku 8a, nawet normalna eksploatacja
rurociągu może zakończyć się katastrofą, jeżeli krytyczna
długość pęknięcia akryt będzie mniejsza od grubości ścianki
rury. Żeby uniknąć katastrofy, należy tak zaprojektować ru-
rociąg, aby krytyczna długość pęknięcia była mniejsza od
grubości ścianki (rys. 8b). W takim przypadku dojdzie je-
dynie do perforacji ścianki rury, bez niestabilnego rozwoju
pęknięcia. Innymi słowy nastąpi jedynie łatwo wykrywalny
i łatwo usuwalny wyciek płynu, zamiast globalnego znisz-
czenia rurociągu.
Staranny dobór proporcji pomiędzy odpornością na nie-
stabilny rozwój pęknięć KIC, początkową ai i krytyczną dłu-
gością pęknięcia akryt oraz grubością ścianki rury może
Rys. 8. Sposób uszkodzenia eksploatacyjnego jako kryterium
w zupełności wyeliminować zagrożenie katastroficznym
podziału rur na cienkościenne i grubościenne:
pękaniem rurociągów, co ilustruje rysunek 9.
a  pękanie (rury grubościenne),
Z rysunku 9 wynika, że zupełne wyeliminowanie moż-
b  wyciek (rury cienkościenne) [8]
liwości katastroficznego pękania rurociągów jest możliwe,
Fig. 8. Operational damage manner as the criterion
ale wymaga takiego projektowania, aby nastąpił wyciek
przed pękaniem. Stosowanie tej pozornie prostej zasady of classifying pipes as thin-walled and thick-walled:
wymaga jednak dalszych uściśleń oraz omówienia metod a  fracture (thick-walled pipes),
ułatwiających optymalizację postępowania.
b  leakage (thin-walled pipes) [8]
718
Rys. 9. Wpływ grubości ścianki rury na wartość naprężenia próbnego ą�ekspl [8]
Fig. 9. Impact of the thickness of pipe wall on the value of proof stress ą�ekspl [8]
Tabl i ca 1
Poglądowe zestawienie różnic pomiędzy tradycyjnymi oraz zalecanymi kryteriami i zasadami wielokryterialnego doboru
materiałów na bezpieczne rurociągi. Opracowano na podstawie [9]
Tabl e 1
Demonstrative comparison of variances between the traditional and recommended principles of multi-criteria selection
of materials for secure pipelines. Based on [9]
Stosowane Poglądowe mapy
Uwagi
kryterium własności materiałów
Kryteria zalecane:
1. Kryterium uplastycznienia
Aktualne kryteria i zasady doboru materia-
przed pękaniem:
łów wymagają maksymalizacji
wartości KIC/R0,2 lub K2IC/R0,2.
KIC/R0,2
Oznacza to, że odpowiadające im
linie przewodnie powinny znajdować się
w górnej części zacienionego obszaru
2. Kryterium wycieku przed
(patrz: rysunek)
pękaniem:
K2IC/R0,2
719
cd. Tabl. 1
Kryterium tradycyjne.
Odporność na uplastycznienie:
Tradycyjne kryterium w postaci granicy
plastyczności, nie uwzględnia różnej
pr
� = < R0,2
odporności materiałów na rozwój pęknięć,
g
przez co nie eliminuje możliwości
katastroficznego rozwoju pęknięć
M1 = R0,2
Odporność na katastroficzne pękanie:
KIC
� =
Stosowanie tego kryterium jest skuteczne
Ą�" akryt
w połączeniu z monitorowaniem rozwoju
pęknięć podkrytycznych, co w przypadku
g KIC
p d" rurociągów jest bardzo kosztowne
r
i najczęściej niemożliwe
Ą�" akryt
M2 = KIC
Uplastycznienie przed pękaniem:
Kryterium przydatne w przypadku
doboru materiałów na rurociągi
2
Ą# ń#
KIC nisko ciśnieniowe
Ą�" akryt d"
ó# Ą#
R0,2
ó# Ą#
Ł# Ś#
Należy maksymalizować wartość M3,
co nie wyklucza, dyskusyjnej w tym
przypadku, minimalizacji R0,2
M3 = KIC/R0,2
Wyciek przed pękaniem:
KIC
� =
Ą �" g / 2
Kryterium przydatne w przypadku
doboru materiałów na rurociągi wysoko-
pr
ciśnieniowe
g e"
2R0,2
Należy maksymalizować wartość M4,
2
Ą#
co nie wyklucza, dyskusyjnej w tym
4 KIC ń#
p d"
ó# Ą#
przypadku, minimalizacji R0,2
Ą�" r R0,2 Ą#
ó#
Ł# Ś#
M4 = K2IC/R0,2
720
cd. Tabl. 1
Połączenie kryterium uplastycz-
nienia (M3) lub wycieku przed
pękaniem (M4)
Umożliwia dobór materiałów na bez-
z kryterium wytrzymałościowym
pieczne i lekkie (materiałooszczędne)
(M1) zapobiega katastroficznemu
rurociągi niskociśnieniowe (M1 + M3)
rozwojowi pęknięć
lub wysoko ciśnieniowe (M1 + M4)
przy jednoczesnym zmniejszeniu
grubości ścianek rury
(ciężaru rurociągu)
Zapobieganie katastroficznemu pękaniu rurociągów: 4. Takimi kryteriami powinny być: kryterium uplastycz-
kryteria i zasady doboru własności materiałów nienia przed pękaniem i/lub kryterium wycieku przed
pękaniem.
W tablicy 1 zestawiono uściślone kryteria projektowa-
5. Możliwość stosowania tych kryteriów wymaga badania
nia bezpiecznych rurociągów oraz ogólne zasady stosowa-
odporności na rozwój pęknięć. Badania takie powinny
nia tych kryteriów. Zasady przedstawiono na wykresach
być prowadzone przez zakłady produkujące rury, a wy-
sporządzonych we współrzędnych: odporność na niestabil-
niki tych badań powinny stanowić podstawową i ogól-
ny rozwój pęknięć KIC  wytrzymałość (granica plastycz-
nie dostępną charakterystykę własności rur.
ności R0,2). W celu podkreślenia korzyści płynących ze sto-
6. Skuteczne opanowanie problemu katastroficznego pę-
sowania tych uściślonych kryteriów, w tablicy 1 zamiesz-
kania materiałów wymaga uwzględnienia tej problema-
czono również mniej efektywne kryteria. Są to kryteria
tyki w programach nauczania wyższych uczelni tech-
w postaci samej granicy plastyczności R0,2 i samej odporno-
nicznych oraz rozbudowy sieci laboratoriów, specjalizu-
ści na rozwój pęknięć KIC.
jących się w zakresie mezomechaniki i mechaniki pęka-
Jak wynika z tablicy 1, w celu zaprojektowania bezpiecz-
nia materiałów.
nego i lekkiego (materiałooszczędnego) rurociągu należy
stosować jedną z dwu następujących kombinacji kryteriów:
Li t erat ura
1. Hot working guide. A compendium of processing maps. Ed.
M1 i M3 lub M1 i M4
by Y.V.R.K. Prasad and S. Sasidhara, ASM International, Materi-
als Park 1997.
Pierwsza z tych kombinacji dotyczy projektowania ru-
2. Ashby M. F., Gandhi C., Taplin D. M. R.: Acta Metallurgica
rociągów niskociśnieniowych, a druga wysokociśnienio-
1979, nr 27, s. 699.
wych. Dzięki graficznemu powiązaniu tych kryteriów z wy-
3. Gurson A. L.: J. Eng. Mater. and Technology 1984, nr 99, s. 2.
kresami odpowiednich własności materiałów, możemy
4. Dzidowski E. S.: Mechanism of Shear Fracture in the Aspect
w bardzo łatwy i skuteczny sposób optymalizować dobór
of Controlled Decohesion of Metals (in Polish). Scientific Papers
materiałów na bezpieczne rurociągi.
of the Technical University of Wroclaw, Monographs, Wroclaw
1990, nr 11.
Wnioski
5. Dzidowski E. S.: Physical Mesomechanics 2004, t. 7, nr 3,
s. 75.
Na podstawie przeprowadzonej tu analizy potencjalnego
6. Dzidowski E. S.: Shear fracture mesomechanics: New mo-
pękania materiałów podczas wytwarzania rur i eksploatacji
delling strategies and criteria. In: Multiscale behaviour of materi-
rurociągów można sformułować następujące wnioski:
als and structures: Analytical, numerical and experimental simula-
1. Zapobieganie pękaniu poślizgowemu podczas wytwa-
tion, Editors: G. C. Sih, P. M. S. T. de Castro, Porto, Portugal
rzania rur wymaga znajomości map procesów oraz me-
2006, s. 83�90.
zomechanicznych aspektów mechanizmu pękania pośli-
7. Dzidowski E. S.: The mesoscopic mechanism of the iso-
zgowego.
thermal shear fracture of aluminium alloys. In: Aluminium alloys.
2. Skłonność do pękania poślizgowego zależy od prędko-
Their physical and mechanical properties, Edited by J. Hirsch, B.
ści odkształceń oraz własności granic substruktury two- Skrotzki and G. Gottstein, Wiley-Vch 2008, s. 1844�1849.
rzącej się w obrębie mezoskopowych pasm ścinania.
8. Fracture control of metallic pressure vessels. NASA`Space
3. Zapobieganie niestabilnemu rozwojowi pęknięć podczas
Vehicle Design Criteria (structures), NASA SP-8040, 1070, s. 55.
eksploatacji rurociągów wymaga stosowania kryteriów
9. Ashby M. F.: Materials selection in mechanical design.
wywodzących się z mechaniki pękania. Elsevier 2005, s. 603.
721