WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Трубы ТСК выпускаются различными предприятиями более 10 лет. У этих труб стенка состоит из двух функциональных оболочек. В качестве герметизирующей оболочки используются тонкостенные трубы из термопласта, а силовые оболочки формируются намоткой на наружную поверхность термопласта стеклопластиковой оболочки с обеспечением адгезионной связи между оболочками. Эти трубы являются бипластмассовыми, но в процессе производства получили название «трубы стеклопластиковые комбиниро-ванные». В процессе монтажа полиэтиленовые оболочки соединяемых труб свариваются встык, а стеклопластиковые оболочки соединяются клеемеханической муфтой. Основными достоинствами таких труб являются равнопрочное с телом труб соединение и абсолютная герметичность всего трубопровода.

Уже более 15 лет на нефтяных месторождениях Западной Сибири, Удмуртии, Башкирии, Северного Кавказа и Западного Урала эксплуатируются металлопластовые трубы, или, другими словами, полимерные армированные трубы. Они изготавливаются методом экструзии из полиэтилена низкого давления с одновременным армированием стальным сварным каркасом из проволоки с последующим привариванием пластмассовых законцовок под сварное, резьбовое, муфтовое или фланцевое соединение труб. МПТ не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к ответственным трубопроводам, по причине несовершенства соединительных узлов «труба законцовка», т.е. эти соединительные узлы могут иметь скрытый дефект в виде канала, по которому транспортируемая среда из полости труб проникает до арматуры, что приводит к ее коррозии и снижению несущей способности труб.

ГПМТ представляют собой полиэтиленовую тонкостенную трубу, упрочненную навивкой на нее металлической проволоки, ленты или металлокорда, поверх которых формируется защитное полимерное покрытие. Трубопроводы из ГПМТ удобны в монтаже, но при высоких пульсирующих давлениях подвержены изменениям глубины залегания вплоть до выхода на поверхность траншеи.

Результаты проведенных гидростатических и гидроциклических испытаний разных видов комбинированных труб на гидравлическом стенде показали, что все вышеуказанные трубы могут быть рекомендованы для монтажа нефтепромысловых трубопроводов на рабочие давления до 4 МПа. По
результатам испытаний установлено, что прогнозируемый срок эксплуатации таких труб с клеесварными и сварными соединениями составляет не менее
35 лет.

Наиболее перспективными для нефтегазовой инфраструктуры являются трубы ТСК, обеспечивающие высокую надежность трубопроводов.

Широкому применению комбинированных труб при строительстве и восстановлении нефтегазопроводов препятствует недостаточная изученность вопросов длительной работоспособности таких труб в тяжелых условиях эксплуатации: высокие рабочие давления, агрессивная транспортируемая среда, сложные климатические условия монтажа и эксплуатации. Другим сдерживающим фактором является недостаток технических средств и методов контроля качества изготовления комбинированных труб и мониторинга состояния эксплуатируемых трубопроводов из полимерных материалов.

Вторая глава посвящена исследованию работоспособности комбинированных труб на основе термопластов.

Одним из определяющих условий работоспособности труб на основе термопластов яв­ляется степень воздействия транспортируемой среды на материал труб. Поли­этилен, обладая высокой химической стойкостью к большинству веществ, изменяет свои свойства под воздействием углеводородов, сопровождающимся процессом набухания. В связи с этим рассмотрено влияние основных углеводородных групп нефтей, неполярных соединений и поверхностно-активных веществ на свойства полиэтилена.

Воздействие нефти на полиэтиленовую оболочку трубы обусловлено ее способностью диффундировать в полимер по молекулярно-мембранному механизму, что проявляется в виде изменения свойств полиэтилена в результате пластифицирующего действия среды, изменения напряженного состояния трубопровода в результате неравномерного набухания и анизотропии механических свойств материала по толщине стенки трубы. Проведено исследование процесса проникновения агрессивных сред (нефть Тюменского месторождения и дизельное топливо по ГОСТ 305-82) в образцы из ПНД 203-01 ГОСТ 16338-85 сорбционно-весовым методом при различных температурах. По результатам измерений построены зависимости относительной деформации образцов от средней концентрации диффузанта в образце
(рисунок 1).

нефть при 20 °С; дизельное топливо при 20 °С;

нефть при 3...5 °С; дизельное топливо при 3...5 °С

Рисунок 1 – Зависимость деформации образцов от концентрации

диффузанта

Степень набухания, определенная по тангенсу угла наклона графика этой зависимости к оси концентрации, составляет 0,323 для нефти и 0,124 для дизельного топлива. Степень набухания в нефти превышает степень набухания в дизельном топливе в 2,6 раза и для каждой среды практически не зависит от исследуемого интервала температур.

Сравнительные испытания ПНД и ПВД на нефтестойкость в ненапряженном состоянии по ГОСТ 12020 показали, что равновесная концентрация нефти в ПНД около 4 %, а в ПВД – 10 %. После насыщения образцы были испытаны на растяжение: образцы из ПНД при пределе текучести 20 МПа потеряли прочность на 20 %, а у образцов из ПВД при пределе текучести
10 МПа после набухания прочность снизилась на 50 %. Результаты испытаний позволяют сделать вывод о том, что ПНД отвечает требованиям прочности для комбинированных труб, тогда как ПВД не пригоден для производства коррозионно-стойких труб, поскольку в случае длительной их эксплуатации при высоких внутренних давлениях снижение прочности полиэтиленовой оболочки может привести к образованию трещин и нарушению герметичности трубы.

Оценка работоспособности комбинированных труб невозможна без исследования их несущей способности. Такое исследование на основе математических моделей различных видов труб необходимо для определения характера и механизма их разрушения, а также для выявления наименее надежных конструктивных элементов и оптимизации параметров труб. Для этих целей методом конечных элементов было исследовано напряженно-деформи-рованное состояние комбинированных труб. В связи с принципиально разными конструктивными схемами труб ТСК и МПТ расчет несущей способности проведен отдельно для двух указанных видов труб. Для исследований использовался программный прикладной пакет СОSМОS.

Для трубы ТСК рассматривалась трехмерная конечно-элементная модель конструкции (1670 конечных элементов (КЭ) и 576 узлов), в которой стеклопластиковый и полиэтиленовый слои моделировались оболочечными КЭ. Для модели рассчитывались напряжения в обоих слоях трубы при различных внутренних давлениях.

За основные неизвестные в задаче принимаются перемещения узлов. Формируется вектор узловых перемещений {q}. Остальные неизвестные задачи (перемещения произвольных точек, не совпадающих с узлами, деформации и напряжения) могут быть выражены через узловые перемещения.

Все действующие нагрузки приводятся к узлам. Формируется вектор узловых нагрузок {P}. Зависимость между векторами {q} и {P}, полученная на основе принципа возможных перемещений Лагранжа, представляется в виде системы линейных алгебраических уравнений:

[k]·{q} = {P}. (1)

Матрицу [k] называют матрицей жесткости КЭ.

Из решения системы (1) находят узловые перемещения, а затем и все остальные неизвестные задачи.

Результаты исследования напряженно-деформированного состояния конструкции ТСК методом конечных элементов представлены в таблице 1.

Таблица 1 Распределение напряжений в стеклопластиковых

комбинированных трубах при давлении 4 МПа

Диаметр трубы,

мм

Толщина стенки,

мм

Эквивалентные

напряжения

в ПЭ элементах, экв, МПа

Эквивалентные

напряжения в стеклопластиковых элементах, экв, МПа

Коэффициент запаса

прочности,

т/экв

75

6

0,957

41,8

4,3

135

10

0,981

47,0

3,8

150

12

0,995

50,3

3,6

200

16

0,999

51,5

3,5

Анализ результатов показывает, что стеклопластиковая оболочка является наиболее напряженным элементом конструкции трубы. При увеличении расчетного внутреннего давления до 12 МПа растягивающие напряжения в этой оболочке достигают 385 МПа. При такой величине напряжений возможно разрушение стеклопластиковой оболочки с образованием продольной трещины. Основным параметром, определяющим несущую способность трубы, является толщина стеклопластиковой оболочки.

С учетом прочностных свойств стеклопластика и полиэтилена даны рекомендации по применению рассчитанных типоразмеров труб на соответствующие им рабочие давления (таблица 2).

Результаты проведенных стендовых гидравлических испытаний показали расхождение с теоретическими расчетами на 8…10 %.

Таблица 2 Рекомендованные давления для ТСК разных типоразмеров

Внутренний диаметр

трубы, мм

Толщина ПЭ

оболочки, мм

Внешний диаметр

трубы, мм

Толщина стекло-пластиковой

оболочки, мм

Рраб,

МПа

Рразруш,*

МПа

75

3,0

86

2,5

4,0

32

90

4,5

10,0

70

97

8,0

20,0

100

130

5,4

146

2,6

2,5

15

148

3,6

4,0

30

157

8,1

10,0

60

191

6,0

211

4,0

2,5

15

214

5,5

4,0

30

293

8,0

317

4,0

1,6

12

320

5,5

2,5

15

327

9,0

4,0

20

Примечание * Рразрушения = Ргерметичности


Для конструкции МПТ с целью прогноза характера ее разрушения и оптимизации параметров рассматривалась трехмерная конечно-элементная модель из 2129 КЭ и 720 узлов. Модель строилась из стержневых (стальная арматура) и толстостенных оболочечных (полиэтиленовая матрица) элементов. Вид сетки конечных элементов представлен на рисунке 2. Для модели рассчитывались напряжения в полиэтилене, окружной и продольной арматуре. Моделирование и расчеты проведены для труб диаметрами от 89 до
132 мм. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния приведены в таблице 3.

Таблица 3 Распределение напряжений в МПТ при давлении 4 МПа

Диа­метр труб, мм

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»