[論文レビュー] Analytic prognostic for petrochemical pipelines

Abdo Abou Jaoudé, Seifedine Kadry+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2012

Non-Destructive Testing Techniques参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、圧力変動および腐食環境下における亀裂の成長を焦点にした石炭化学パイプライン向けの解析的予測モデルを提案する。線形弾性破壊力学を用いて残存耐用年数を予測する。この手法により、故障リスクの早期特定と予測が可能となり、開口モード（モードI）の亀裂成長に特化することで、システムの信頼性を著しく向上させるとともに、運用コストを削減する。

ABSTRACT

Pipelines tubes are part of vital mechanical systems largely used in petrochemical industries. They serve to transport natural gases or liquids. They are cylindrical tubes and are submitted to the risks of corrosion due to high PH concentrations of the transported liquids in addition to fatigue cracks due to the alternation of pressure-depression of gas along the time, initiating therefore in the tubes body micro-cracks that can propagate abruptly to lead to failure. The development of the prognostic process for such systems increases largely their performance and their availability, as well decreases the global cost of their missions. Therefore, this paper deals with a new prognostic approach to improve the performance of these pipelines. Only the first mode of crack, that is, the opening mode, is considered.

研究の動機と目的

• サイクル圧力および腐食性流体にさらされる石炭化学パイプラインにおける亀裂進行の予測モデルを開発すること。
• 故障の早期予測により、システムの信頼性を向上させ、運用コストを削減すること。
• パイプラインシステムにおける最も深刻な故障モードである、開口モード（モードI）の亀裂進行に限定して取り扱うこと。
• 経験的データや複雑なシミュレーションに依存しない、物理的根拠に基づく解析的手法を予測に活用すること。

提案手法

• モデルは、サイクル圧力荷重下における応力拡大係数を分析するために線形弾性破壊力学（LEFM）を適用する。
• 亀裂成長速度は、応力拡大係数の範囲関数としてパリスの法則を用いて記述する。
• 材料特性、幾何形状、および運用圧力サイクルを組み合わせて、時間経過に伴う亀裂の進化を推定する。
• 残存耐用年数（RUL）は、初期亀裂サイズから臨界サイズへの亀裂成長を統合して計算する。
• 解析的取り扱いのため、等方的・均質な材料および理想化された亀裂幾何形状を仮定する。
• 開口モード（モードI）の亀裂進行のみを考慮し、破壊力学の定式化を簡素化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイクル圧力および腐食環境下における石炭化学パイプラインの亀裂進行を、どのように解析的に予測できるか？
• RQ2 運用圧力サイクル下で初期表面亀裂を有するパイプラインの残存耐用年数は何か？
• RQ3 円筒形パイプラインにおいて、亀裂サイズおよび圧力変動が応力拡大係数に与える影響は何か？
• RQ4 広範なシミュレーションやデータに依存せずに、解析的モデルが信頼性のある予測を提供できるか？
• RQ5 開口モードにおける亀裂成長速度に影響を与える主要なパラメータは何か？

主な発見

• 解析的モデルは、LEFMおよびパリスの法則に基づく閉形式解を用いて、亀裂成長の進行を成功裏に予測した。
• 初期亀裂サイズおよび材料特性が既知であれば、パイプラインの残存耐用年数を高い精度で推定できる。
• モデルは、亀裂成長が応力拡大係数の範囲および圧力サイクル周波数に最も感受することを示した。
• このアプローチにより、破壊的故障が発生する前に対策を講じる予防保全が可能となり、故障リスクの早期特定が可能である。
• モードI亀裂進行に特化しているため、圧力パイプラインで最も一般的な故障メカニズムに的確に対応できる。
• 数値シミュレーションに代わる、計算コストが低い代替手法を予測応用に提供する。