Acoustic oscillations of main gas pipeline wall as one of causes of stress corrosion of the pipe metal

A.B. Arabey, D.E. Kaputkin ORCID logo , T.Y. Istomina, V.A. Stepanova ORCID logo , D.I. Preferansov ORCID logo show affiliations and emails
Received 02 December 2023; Accepted 13 March 2024;
Citation: A.B. Arabey, D.E. Kaputkin, T.Y. Istomina, V.A. Stepanova, D.I. Preferansov. Acoustic oscillations of main gas pipeline wall as one of causes of stress corrosion of the pipe metal. Lett. Mater., 2024, 14(2) 119-124
BibTex   https://doi.org/10.48612/letters/2024-2-119-124

Abstract

Ultra-high frequency acoustic oscilations of main gas pipeline wall are one of the causes of stress corrosion of the metal pipelineDuring the mainline transportation, the flow of natural gas is always turbulent (Reynolds number Re =106…1010), accompanied by pressure fluctuations that cause previously unexplored small-amplitude oscillations in mechanical stress in the pipe wall, manifested in the acoustic effect (hum) observed in practice for gas pipelines. These stress fluctuations with an amplitude of no more than a few percent of the yield strength affect the pipe walls throughout the entire period of operation (40 – 50 years or more), so the total number of accumulated cycles can reach 1012. According to the authors’ hypothesis, when the protective coating of the pipeline is damaged and the wall contacts with ground electrolyte, such ultra-high-cycle low-energy corrosion-mechanical influence can be one of the factors of stress corrosion damage to the main gas pipeline. Theoretical evaluation and computer simulation showed that the resonant frequencies of oscillations of the gas in the pipeline and of the pipe wall could coincide (e. g., for the pipe diameter of 1020 mm — about n ∙ 800 Hz, where n means the harmonic number). Experiments confirmed this effect.

References (42)

1. Public Inquiry Concerning Stress Corrosion Cracking on Canadian Oil and Gas Pipeline Steels. Report of NEB, MH-2-95, Canada, National Energy Board, Calgary, 1996, p. 147.
2. V. V. Kharionovsky, Reliability and resource of gas pipeline constructions, Moscow, Nedra, 2000, 407 p. (in Russian) [В. В. Харионовский, Надежность и ресурс конструкций газопроводов, Москва, изд-во «Недра», 2000, 407с.].
4. A. B. Arabey et al, Brittle-ductile transition temperature of K65 pipe steel - experimental determination and related signs, Scientific and Technical Collection «Vesti gazovoy nauki» 44 (2020) 152 - 161. (in Russian) [А. Б. Арабей и др, Температура хрупко-вязкого перехода трубной стали К65 - экспериментальное определение и сопутствующие признаки, Научно-технический сборник «Вести газовой науки» 44 (2020) 152 - 161.].
5. D. E. Kaputkin, Influence of cold plastic deformation on impact toughness of steel, Izvestiya vuzov. Chernaya Metalurgiya 5 (1997) 50 - 52. (in Russian) [Д. Е. Капуткин, Влияние холодной пластической деформации на ударную вязкость стали, Известия вузов. Черная металлургия 5 (1997) 50 - 52.].
6. A.B. Arabey, Corrosion cracking of pipe metal on main gas pipelines: retrospective and new tasks. Improving the reliability of main gas pipelines subjected to stress corrosion cracking, in: Collection of Abstracts of V International Scientific and Practical Seminar, Moscow, 2020, p. 14-15. (in Russian) [А.Б. Арабей, Коррозионное растрескивание металла труб на магистральных газопроводах: ретроспектива и новые задачи. Повышение надёжности магистральных газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением, Тезисы докладов V Международного научно-практического семинара, Москва, 2020, с. 14-15.].
7. A. I. Malkin, A. I. Marshakov, A. B. Arabey, Processes of nucleation and growth of corrosion cracks on steel of main pipelines, Corrosion: materials, protection, 10 (2009) 1-15. (in Russian) [А. И. Малкин, А. И. Маршаков, А. Б. Арабей, Процессы зарождения и роста коррозионных трещин на стали магистральных трубопроводов, Коррозия: материалы, защита, 10 (2009) 1-15.].
8. A. B. Arabey, Corrosion cracking of pipe metal on main gas pipelines: a retrospective and new challenges, in: V International Scientific and Technical Seminar, Gazprom VNIIGAZ LLC, Moscow, 2020, p. 13-14.
11. A. L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, S. J. Dowey, Plasma electrolysis for surface engineering, Surface and Coatings Technology 122 (1999) 73 - 93.
12. D. E. Kaputkin, V. N. Duraji, N. A. Kaputkina, Accelerated diffusion saturation of metal surface at electro-chemical-thermal treatment. Physics and Chemistry of Materials Processing 2 (2020) 48 - 57. (in Russian) [Д. Е. Капуткин, В. Н. Дураджи, Н. А. Капуткина, Ускоренное диффузионное насыщение поверхности металлов при электро-химико-термической обработке, Физика и химия обработки материалов 2 (2020) 48 - 57.].
15. K. Komai, K. Minoshima, T. Fujito, Influences of Vibratory Stresses on Initiation of Stress Corrosion Cracking in High-Strength Steel, Transactions of the Japan Institute of Metals 27 (1986) 23 - 31.
16. ASME B31G-2012. Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines: supplement to B31 Code for pressure piping.
20. I. V. Ryakhovskikh, Regularities of the near-neutral pH stress corrosion cracking of gas pipelines. Vesti gazovoy nauki 3 (2019) 43 - 59.
21. Building codes and regulations 2.05.06-85* «Trunk pipelines», I.D. Krasnulin et al, Moscow, 1997. (in Russian) [Cтроительные нормы и правила "Магистральные трубопроводы" И.Д. Красулин и др. СНиП 2.05.06-85*, Москва, 1997.].
22. I. I. Mazur et al, Security of Russia, legal, technical-economic and scientific-technical aspects. Safety of pipeline transportation, Moscow, Znanie, 2002, 752 p. (in Russian) [Мазур и др., Безопасность России, правовые, технико-экономические и научно технические аспекты. Безопасность трубопроводного транспорта, Москва, МГФ «Знание», 2002, 752 с.].
24. GSSSD 160-93. Calculated natural gas. Density, compressibility factor, enthalpy, entropy, isobaric heat capacity, sound velocity, adiabatic index and volume expansion coefficient at temperatures 250...450 K and pressures 0, 1...12 MPa. Table of standard reference data. Gosstandart, GSSSD. Moscow, Russia (1993) p. 20. (in Russian) [ГСССД 160-93. Газ природный расчётный. Плотность, фактор сжимаемости, энтальпия, энтропия, изобарная теплоёмкость, скорость звука, показатель адиабаты и коэффициент объёмного расширения при температурах 250...450 К и давлениях 0, 1...12 МПА. Табл. стандарт. справ, данных. Госстандарт, ГСССД. Москва, Россия (1993) 20 с.].
25. L. D. Landau, E. M. Lifshits, Theoretical Physics. Hydrodynamics, 3rd ed., Nauka, Moscow, 1986, 736 p. (in Russian) [Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика, 3-е изд., перераб., Москва, Наука, 1986, 736 с.].
28. N. A. Mahnutov, L. A. Sosnovskiy, About the full fatigue curve, Dynamics, Strength of Machines and Structures, 2 (2012) 41 - 49. (in Russian) [Н. А. Махнутов, Л. А. Сосновский, О полной кривой усталости, Динамика, прочность машин и конструкций, 2 (2012) 41 - 49.].
29. A. A. Shanyavskiy, Modeling of Fatigue Fractures of Metals. Synergetics in aviation, Ufa, Publishing house «Monographia», 2007, 500 p. (in Russian) [А. А. Шанявский, Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации, Уфа, Изд-во «Монография», 2007, 500 с.].
30. I. V. Savelyev, Course of general physics. Vol 1: Mechanics, vibrations and waves, molecular physics, Moscow, Nauka, 1970, 515 p. (in Russian) [И. В. Савельев, Курс общей физики. Том 1: Механика, колебания и волны, молекулярная физика. Москва, Наука, 1970, 515 с.].
31. N. V. Nikitin, O. V. Pimanov, Localized turbulent structures in a round tube, Scientific Notes of Kazan University. Physics and Mathematical Sciences 157 (2015) 111-116. (in Russian) [Н. В. Никитин, О. В. Пиманов, Локализованные турбулентные структуры в круглой трубе, Учёные записки Казанского университета. Физико-математические науки, 157 (2015) 111 -116.].
33. GOST P 55989 - 2014. Main gas pipelines. Design standards for pressure over 10 MPa. Basic requirements. Trunk gas pipelines. Design standard for pressure over 10 MPa. Basic requirements. (in Russian) [ГОСТ Р 55989 - 2014. Магистральные газопроводы. Нормы проектирования на давление свыше 10 МПа. Основные требования.].
34. V. E. Breslavsky, Natural vibrations of a circular cylindrical shell under the action of hydrostatic pressure. V. E. Breslavsky. Izvestiya AS USSR 12 (1956) 117 - 120. (in Russian) [В. Е. Бреславский. Собственные колебания круговой цилиндрической оболочки, находящейся под действием гидростатического давления. Известия АН СССР 12 (1956) 117 - 120.].
35. A. B. Arabey et al, Own acoustic oscillations as a possible factor of stress-corrosion on the main gas pipeline, in: Proceedings: Materials in External Fields: Proceedings of the XII International Online Symposium, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, SibGIU Publishing Center (2023) p. 83 - 84. (in Russian) [А. Б. Арабей и др., Собственные акустические колебания как возможный фактор стресс-коррозии на магистральном газопроводе, в сб.: Материалы во внешних полях: труды XII Международного онлайн-симпозиума, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Издательский центр СибГИУ, 2023, с. 83 - 84.].
36. S. V. Seryogin, Radial oscillations of annular machine elements, Bulletin of Atomic Science and Technology, ser. Mathematical modeling of physical processes 1 (2019) p. 78 - 83. (in Russian) [С. В. Серёгин, Радиальные колебания кольцевых элементов машин, Вестник атомной науки и техники, сер. Математическое моделирование физических процессов, 1 (2019) с. 78 - 83.].
37. Adobe audition. Avalible online: https://www.adobe.com/ru/products/audition.html (accessed 2 December, 2023).
38. Masvis. Avalible online: http://www.lts.a.se/lts/masvis (accessed 2 December, 2023).
39. G. Nussbaumer, Fast Fourier transform and algorithms of convolution calculation, Moscow, Radio and Communication, 1985, 247 p. (in Russian) [Г. Нуссбаумер. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток. Москва, Радио и связь, 1985, 247 с.].
40. R. Perez-Mora, T. Palin-Luc, C. Bathias, P. C. Paris, Very high cycle fatigue of a high strength steel under sea water corrosion: A strong corrosion and mechanical damage coupling, International Journal of Fatigue 74 (2015) 156 - 165.
41. V. Luzhetskyy, Peculiarities of corrosion degradation of steel of oil pipelines, European journal of leading technologies 4 (2014) 52 - 55.
42. V. V. Nassonov, Fatigue resistance of pump hoses in corrosive environment. Izvestia of higher educational institutions. Oil and Gas 6 (2010) 107 -110. (in Russian) [В. В. Нассонов, Сопротивление усталости насосных шланг в коррозионной среде, Известия высших учебных заведений «Нефть и газ» 6 (2010) 107 -110.].