WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Оптимизируя расстояние между захватными устройствами из условия, чтобы остаточные деформации были наименьшими, получено уравнение y Mкр =2m l Mкр =2m l x m 2m 2m l l Эпюра крутящих моментов m l m l Э. Мкр m l m l Э. x Эпюра углов поворота l 2 = m l 2/2GIp l 2/2 = m l 2/4GIp Рис. 3. Расчетная схема поворота трубопровода определяющее изменение угла поворота трубопровода между захватными устройствами. Из анализа этих результатов следует, что при выполнении профилактического поворота первое захватное устройство необходимо расположить в начале пораженного участка трубопровода. Зная характеристики трубопровода и размеры канавки в поперечном сечении, назначают минимально необходимый угол, на который следует повернуть трубопровод.

Увеличив этот угол на 15…20 %, определяют начальный угол поворота (рис. 4) для первого сечения. Принимая расстояние между поворотными механизмами lm = 0,6l, выполняют поворот пораженного участка трубопровода.

Рациональное расположение захватных устройств имеет несколько преимуществ по сравнению с применением наибольшего расстояния между ними, а именно:

1) минимальная разница между наибольшим и наименьшим углами поворота сечений трубопровода (15…20 %);

Схема рациональной передачи крутящего момента к трубопроводу x Мкр Мкр Мкр l lm = 0.6 l lm = 0.6 l lm Изменение угла поворота по длине пораженного участка трубопровода при его профилактическом ремонте методом поворота 0.36 l 0.6 l l 0.94 l 0 = 1.16 l 2 = min = l 2 = = 0.58m l 2/GIp = m l 2/2GIp Рис. 4. Схема рационального расположения поворотных механизмов при выполнении профилактического ремонта трубопроводов методом поворота 2) возможность неоднократного применения метода поворота;

3) снижение остаточных деформаций;

4) уменьшение угла возврата под действием упругих деформаций.

Экспериментальные исследования по повороту надземного трубопровода 273х8 (НГДУ «Южносухокумское») показали следующее. При вертикальном расположении стрелы захватного устройства тяговая сила вызывает изгиб трубопровода одновременно с кручением; при достижении определенного угла поворота поперечное перемещение продолжается по направлению силы. При горизонтальном расположении стрелы захватного устройства имеет место поворот трубопровода с одновременным отрывом его от основания.

Эти обстоятельства требуют учета совместной деформации кручения и изгиба трубопровода при профилактическом повороте. Необходимо определить оптимальное расположение захватного устройства по отношению к направлению тяговой силы, при котором неизбежные поперечные деформации не превышают предельных величин.

Для решения некоторых задач, обозначенных выше, определено горизонтальное перемещение трубы под воздействием поперечной силы и изгибающего момента. Предельное сопротивление грунта перемещениям трубы в горизонтальной плоскости определялось как пассивное боковое давление грунта при расчетах подпорной стенки.

Для исследования изгибающих напряжений и зависимости поперечного перемещения от тяговой силы поворотного механизма рассматривался трубопровод с шарнирными опорами на концах, нагруженный сосредоточенной силой. При этом сопротивление изгибу оказывает сам трубопровод и отпор грунта. Поперечное перемещение трубопровода возможно только при удлинении трубопровода, следовательно, поперечная сила вызывает растягивающее внутреннее усилие в поперечном сечении трубы.

В работе получена формула для определения предельных напряжений в сечении трубопровода, в зависимости от перемещений:

1 Ax sin(x / z) = E -1 1+ - cos(x / z).

cos(x / z) W (x / z) Для наглядности и удобства в практическом применении были выполнены численные примеры по определению горизонтального перемещения трубопровода, под воздействием поперечной силы. В работе эти результаты приведены в виде графической зависимости относительного перемещения x/z от поперечной силы F, для различных диаметров. Определение напряжений по полученной формуле для различных величин x/z показывает, что при малых и одинаковых относительных перемещениях напряжения для различных диаметров практически не отличаются. Эта разница находится в пределах 5%.

Кривизна оси трубопровода оказывает существенное влияние на изменение крутящего момента T по длине x (рис.5). В работе получена зависимость для определения T при известном начальном крутящем моменте Мкр и реактивном моменте грунта повороту трубы m, которая имеет вид Т ( ) = M cos - m cos( / 2).

кр Рис. 5. Изменение крутящего момента по длине криволинейного трубопровода Безопасность эксплуатации трубопровода при рабочем давлении после выполнения поворота зависит от эквивалентных напряжений, возникающих в стенке трубы, зависящих от относительного угла закручивания. Влияние поворота трубопровода на эквивалентные напряжения покажем графически на примере трубы 325х10 (рис. 6).

Эквивалентные напряжения, МПа 0,0,р, МПа 0,0,0,Относительный угол поворота, град/м Рис. 6. Изменение эквивалентных напряжений в стенке трубопровода 325хпри кручении для разных значений внутреннего давления В третьей главе приведены результаты исследований процесса взаимодействия трубопровода с грунтом, которые позволяют определять предельные параметры, характеризующие защемление трубы грунтом, необходимые для практического использования аналитических зависимостей, описывающих изменение угла поворота и распределение крутящего момента по длине трубопровода.

При определении основных технологических параметров для выполнения профилактического поворота заглубленных трубопроводов используется ряд физических характеристик грунтов, многие из которых приведены в справочной литературе. Однако имеющиеся характеристики грунта не позволяют с достаточной для практических расчетов точностью описывать процесс взаимодействия трубы с грунтом при повороте.

Исследования взаимодействия трубы с грунтом были проведены в лабораториях УГНТУ, а также на промысловых трубопроводах НГДУ «Федоровскнефть», «Аксаковнефть» и «Южносухокумское».

Так как эксперименты проводились на моделях, имеющих те же деформативные свойства, что и натурные трубы, то из теории моделирования и подобия следует, что геометрические размеры модели должны быть равны натурным, то есть эксперименты должны проводиться на натурном трубопроводе. Следовательно, в данном случае необходимо использовать моделирование на основе расширенного подобия, то есть подобия модели и натуры не по всем, а только по наиболее интересующим параметрам. При изучении взаимодействия трубопровода с грунтом исследовались распределение угловых перемещений, усилий и напряжений по длине поворачиваемого трубопровода. Геометрические и деформативные свойства трубы оценивались ее жесткостью.

Лабораторные опыты проводились в восьмиметровом лотке, высотой 40 см и шириной 70 см. В качестве грунта использовался песок. Плотность песка в рыхлом состоянии составляла 1570 кг/м3, угол внутреннего трения 30 градусов.

Общая схема установки представляет собой трубу, уложенную на заданную глубину h0 в грунтовый лоток. Крутящий момент передавался на трубу через барабан, жестко соединенный с нею фланцем. Создание пары сил позволяло передавать на трубу только крутящий момент (без изгиба).

Линейные перемещения образующей трубы измерялись прогибомерами с ценой деления 0.01 мм, которые позволяли измерять величины перемещений без ограничения. При повороте трубы относительно своей продольной оси на угол намотанная на трубу нить сойдет с ее дуги длиной Dн. Эта величина и составляет приращение отсчета по прибору. Крутящий момент возрастает до предельного значения пр, при котором труба проворачивается в грунте без дальнейшего увеличения нагрузки, что соответствует предельному сопротивлению грунта, окружающего трубу. Глубина заложения трубы задавалась отношением h0/DH, равным 1, 2 и З, что соответствует реальным условиям прокладки трубопроводов.

Зависимость х - х параболическая. В процессе нагружения происходит как закручивание трубы, так и ее поворот как жесткого целого. При разгрузке концевое сечение остается неподвижным, т.е. происходит только раскручивание трубы, а как жесткая целая она не проворачивается.

Характер защемления подземного трубопровода в реальных условиях отличается от лабораторных результатов, поэтому были выполнены исследования на промысловых трубопроводах. Из большого числа экспериментальных зависимостей на рис. 7 и 8 показаны зависимости крутящего момента от угла поворота для трубопроводов диаметрами 219 и 325 мм соответственно, которые проводились в суглинках, при разной глубине заложения. На основе обработки результатов экспериментов подтверждена упругопластическая модель взаимодействия поворачивающегося трубопровода с грунтом, предложенная ранее для песчаных грунтов.

Нм h/D=h/D=h/D=Мкр 0 5 10 15 20 30 40 Град.

Рис. 7. Зависимость угла поворота от крутящего момента, Dн = 219 мм В зависимости от величины угловых перемещений взаимодействие трубы с окружающим его грунтом может быть упругим и упруго- пластическим.

Самой простейшей расчетной моделью грунта при этом является линейная модель. Использование нелинейной модели позволяет повысить точность Нм 600 h/D=h/D=1,h/D=Мк р 0 5 10 15 30 45 Град.

Рис. 8. Зависимость угла поворота от крутящего момента, Dн = 325 мм результатов расчета. По диаграммам зависимости сопротивления грунта от угловых и продольных перемещений были выделены три участка. Первый участок соответствует стадии, на которой между сопротивлением и перемещением имеется почти линейная зависимость. Это первая фаза напряженного состояния грунта - фаза уплотнения, когда грунт уплотняется и приобретает свойства упругого тела. На втором участке пропорциональность между сопротивлением и перемещением нарушается, что соответствует второй фазе, на которой доля упругих деформаций уменьшается и происходит нарастание остаточных деформаций. На третьем участке - прямая, которая характеризует равномерное перемещение трубы. Это третья фаза напряженного состояния грунта. Она характеризует работу грунта в стадии предельного равновесия, т.е. когда между трубой и грунтом установилась пластическая связь.

Качественный характер взаимодействия трубопровода и грунта при угловых и продольных перемещениях можно описать следующей схемой. До возникновения состояния предельного равновесия происходит деформация структуры грунта, и касательные напряжения являются функцией перемещений. При дальнейшем росте перемещений касательные напряжения остаются постоянными, причем их максимальная величина ограничивается напряжением сдвига грунта, а минимальная - трением структуры.

По результатам экспериментов можно сделать вывод, что характер взаимодействия трубопровода с грунтом при продольных и угловых перемещениях примерно одинаков, и зависимость сопротивления грунта от угловых перемещений в области упругопластических деформаций выражается перемещением, соответствующим предельному сопротивлению грунта закручиванию. Обобщенный коэффициент сопротивления характеризует упругую связь между трубопроводом и окружающим его грунтом.

Используя зависимости касательных напряжений от угловых перемещений, были определены средние значения коэффициентов сопротивления грунта кручению k для различных значений углов поворота.

Практика выполнения поворотов участков трубопроводов длиной от до 6000 м, проложенных в песчаных и суглинистых грунтах, диаметрами до 325 мм позволяют утверждать о возможности выполнения поворота промысловых трубопроводов без разрезки. Последующее наблюдение за повернутыми трубопроводами при их эксплуатации показывает, что предложенный метод обеспечения их безопасной работы является эффективным, а использованные при повороте трубы технологические параметры справедливы.

Первые промысловые исследования по изучению характера распределения угла поворота по длине подземного трубопровода и проверка теоретических исследований были проведены на промысловом трубопроводе длиной 850 м и диаметром 219 мм НГДУ “Федоровскнефть” (рис. 9). Было показано, что в зависимости от угла поворота сечения трубопровода его упругий возврат составляет до 20 % и зависит от длины участка.

Схема поворота трубопровода без разрезки является предпочтительной и экономически более эффективной. В некоторых случаях возможно выполнение поворота без остановки перекачки, например, водоводы. Поэтому ряд экспериментов по повороту трубы выполнялись в ходе профилактического ремонта трубопроводов методом поворота на заранее подготовленных прямолинейных участках. Характерные зависимости углов поворота от длины подземного трубопровода (без разрезки) приводятся на графике (рис.10).

Рис. 9. Экспериментальная зависимость угла поворота от длины поворачиваемого участка на разных стадиях наблюдения (DH=219x5) Град. Поворот на Поворот на Поворот на -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 м Рис. 10. Экспериментальная зависимость угла поворота трубопровода от длины, Dн = 325 мм: грунт – суглинок; глубина заложения – 0.7 м; поворот одним захватным устройством, без разрезки трубы За начало отсчета принято сечение трубопровода, где установлено захватное устройство и выполняется поворот на заданный угол поворота.

Поворот начального сечения трубопровода выполнялся на заданный угол: 15, 30, 45 и 900, при каждом значении измерялись углы поворотов наблюдаемых сечений по длине. Приведенные на графиках эпюры углов поворота трубопровода по длине отличаются от теоретических на 10-12 %. В то же время практические значения крутящих моментов прикладываемых для поворота сечений на определенный угол оказались меньше, чем теоретические. Эта разница тем больше, чем больше угол поворота (рис. 11). Это объясняется образованием свода естественного равновесия, который не учитывается в теоретических зависимостях и в лабораторных экспериментах.

КНм Dн=325 мм 175 * * * 150 * * * Мкр * * * * Dн=273 мм * * 10 20 30 40 50 60 70 80 Рис. 11. Зависимость угла поворота сечения трубопровода от крутящего момента Четвертая глава посвящена разработке технологических схем и технических средств выполнения поворота трубопровода с «канавочным» износом.

Предлагаемый метод обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов с «канавочным» износом заключается в том, что на пораженном участке трубопровод поворачивают относительно его продольной оси на некоторый угол, зависящий от размеров канавки. В результате, имеющаяся канавка перемещается из зоны интенсивного разрушения в зону, защищенную от образования канавки. Остаточная толщина стенки трубопровода в области канавки до выполнения поворота должна быть не меньше допускаемой из условия безопасной эксплуатации трубопровода.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |






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