Stress intensity factor comparison by numerical and weight function method in a steel pipeline

.Pipeline systems are crucial to the distribution and supply of energy, making their assessment critically important. The stress intensity factor (SIF) plays a central role in evaluating fracture propagation and assessing the operational lifespan of pipelines. Due to lack of reliable analytical solutions for three-dimensional crack problems, particularly those involving cross-thickness cracks in tubes and pipelines, various numerical methods are employed to determine the SIF. This study presents a comparison of three different numerical methods to evaluate how the SIF can be calculated precisely. The methods considered are contour integral method using both shell and solid elements and the virtual crack closure technique (VCCT). Additionally, the SIF is calculated using the weight function WF method, a semi-numerical approach that utilizes an analytical function based on the displacement of the crack line. Each method comes has its strengths and limitations and the key advantages and challenges of each method are highlighted throughout the analysis. Finally, a comprehensive comparison is made between the SIF results obtained from the different approaches. WF method proves effective within a wide range of crak over radius ratios, delivering SIF results with low computational cost and load independence. Numerical methods perform well in the range of applicability of the WF and still provide good results outside of that range.

.Tubi e sistemi di tubature sono cruciali per la distribuzione e l’approvvigionamento di energia, per questo il loro monitoraggio è di cruciale importanza. Il fattore di intensità degli sforzi (SIF) svolge un ruolo chiave nel valutare la propagazione di cricche e per monitorare la vita di questi impianti. Data la mancanza di soluzioni analitiche affidabili per problemi di meccanica della frattura in tre dimensioni, in particolare quelli che coinvolgono fratture attraverso lo spessore del tubo, vari metodi numerici vengono impiegati per determinar il SIF. Questo studio presenta un paragone tra tre metodi numerici differenti per valutare come calcolare il SIF in maniera accurata. I metodi considerati sono i seguenti: Contour integral con elementi solidi, Contour integral con elementi a guscio e la Virtual Crack Closure Technique (VCCT). In aggiunta, il SIF è stato calcolato mediante l’uso di weight functions, un approccio semi-numerico che utilizza una soluzione analitica basata sullo spostamento della linea della frattura. Ciascun metodo presenta diversi punti di forza e debolezze e i vantaggi e le sfide principali di ciascun metodo sono state evidenziate in questa analisi. Per ultimo, è stato fatto un paragone tra i risultati di SIF ottenuti mediante tutti i metodi utilizzati. Il weight function method risulta essere il migliore all’interno di un ampio campo di rapporti di lunghezza della frattura rispetto al diametro del tubo, generando valori di SIF con costi computazionali ridotti. I metodi numerici performano comunque bene nel campo di applicazione della weight function, tuttavia producendo risultati meno accurati e con costi notevolmente superiori. Fuori dal campo di applicazione della weight function restituiscono dei valori validi.