WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Проблеме расчёта НДС трубопроводов посвящены исследования различных авторов: Камерштейна А.Г., Петрова Л.Н., Асатурян А.Ш., Березина В.Л., Бородавкина П.П., Аникина Е.А., Гумерова А.Г., Айнбиндера А.Б., Чернил В.П. и др., в результате которых созданы многочисленные расчётные модели. Однако сложность проблемы заключается в большом количестве факторов, от которых зависит несущая способность трубы и которые влияют на величину и распределение нагрузок, передающихся на трубопровод. Так, например, многие приведённые выше факторы длительной эксплуатации не учтены в расчётах НДС, что требует развития существующих методик оценки НДС в соответствии с современными реалиями. Среди напряжений от воздействия внешних нагрузок, имеющих различную природу (изгибные, термические напряжения, давление грунта и транспортных средств и т.п.), наибольшее значение имеют остаточные напряжения, температурные, напряжения от изгиба трубопровода и, в ряде случаев, ремонтные.

0,0,0,0,0,0…4 8…12 16…20 24…28 32…Возраст газопроводов (на момент аварии), лет 1420 мм 1220 мм 1020 мм Рис. 2. Распределение приведенной к общей протяженности ЕСГ аварийности газопроводов ОАО «Газпром» больших диаметров по возрасту До настоящего времени при обследовании трубопровода уровень определяемости параметров спектра нагруженности составлял приблизительно: по внутреннему давлению – 75-85%; по внешним нагрузкам – 10-20%; по остаточным механическим напряжениям – 0-20%. Из этого видно, что разработка методов определения внешних нагрузок и остаточных напряжений одна из переменных проблем при оценке работоспособности трубопроводов. К другим проблемам относятся адекватная оценка совокупности факторов длительной эксплуатации магистралей и то, что при расчёте НДС трубопровода на эксплуатационные нагрузки в нормативно аварий / тыс.

км.

Приведённая аварийность, технической документации не выделяется каких-либо особенностей для нефтегазопроводов, функционирующих в слабых грунтах.

0,0,0,0,0,"Возраст" газопровода, годы КРН Наружная коррозия без учёта КРН Рис. 3. Распределение приведённой к общей протяжённости ЕСГ аварийности по наружной коррозии (без КНР) и стресс – коррозии в зависимости от «возраста» на газопроводах ОАО «Газпром» за период с 1991 по 2000 г.г.

Помимо вышеобозначенных проблем оценки НДС трубопроводов в сложных условиях Западной Сибири необходимо учитывать и возрастание вероятности появление дефектов металла стенки трубы с увеличением срока службы последней. Вышеизложенное предопределяет необходимость использования численного метода (например, метода конечных элементов) при определении напряжений и деформаций в теле длительно функционирующей трубы повреждениями (дефектами), поскольку решение такой задачи аналитическими методами в подавляющем большинстве случаев невозможно. С помощью численного метода можно определять наиболее опасные дефекты и, на этой основе, оценивать вероятность безотказной работы дефектного участка трубопровода. Последнее даёт возможность перейти к вероятностным процессам при расчёте ресурса безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов.

Проведенный анализ факторов, влияющих на техническое состояние трубопроводных систем, причин разрушений магистральных трубопроводов, исследований напряженно-деформированного состояния и надежности аварий / тыс.

км 0-Приведённая аварийность, 2…4…6…8…10…12…14…16…18…20…22…24…26…28…30…32…34…нефтегазопроводов, в том числе длительно эксплуатируемых в сложных условиях Западной Сибири, показал, что многие вопросы, связанные с прочностью и надежностью остаются не решенными. Например, определение полной гаммы воздействий на трубопровод с повреждением металла стенки трубы.

Обычно для линейной части трубопроводов традиционной конструктивной схемы в качестве основных эксплуатационных нагрузок принимают, как уже отмечалось выше, детерминированные значения внутреннего давления, температурного перепада и осевой силы. В случае же длительно функционирующих в условиях вечномерзлых и водонасыщенных грунтов линейно-протяженных конструкций с дефектами имеет место нелинейное распределение нагрузок. Поскольку при принятии решения о режиме дальнейшей эксплуатации такого трубопровода необходимо адекватно оценить его работоспособность, то возникает вопрос о количественной оценке влияния негативных факторов на напряженнодеформированное состояние (прочность и устойчивость) исследуемой конструкции с учетом нелинейности. При этом много неясностей с выбором расчетной схемы таких трубопроводов, которая не должна слишком усложнять расчет, но, в то же время, должна учитывать все основные особенности его работы. Аналогичные замечания можно сформулировать и к выбору модели расчета локальных ослабленных участков трубы. Требует уточнения и начальное напряженно-деформированное состояние длительно проработавшего трубопровода, уложенного в слабый грунт. Резюмируя вышеизложенное, в качестве задачи исследований принята оценка степени влияния параметров конструктивной надежности на параметры надежности трубопроводов. При этом под конструктивной надежностью понимается вероятность безотказной работы линейной части магистральных трубопроводов, а линейная часть рассматривается как система, в которой может быть реализовано два предельных состояния - по несущей способности и общей потере устойчивости, достижение которых можно считать событиями независимыми. Для реализации такой оценки необходимо: выбрать и обосновать схему нагружения для прочностного расчета; определить влияние основных силовых факторов на напряженнодеформированное состояние (НДС) трубопровода; выявить целесообразность учета ослабленных (поврежденных) зон при расчете НДС исследуемой конструкции; обобщить результаты исследований по влиянию длительной эксплуатации на состояние металла стенки трубы.

Количественный анализ надежности по вышеприведенной схеме даст возможность обеспечить необходимый уровень безопасности магистральных трубопроводов, позволит принимать адекватные решения по проведению профилактических и ремонтных работ для поддержания их работоспособности.

Во второй главе разработаны математические модели для расчёта напряжённо деформированного состояния магистрального трубопровода, эксплуатируемого в условиях водонасыщенных и мёрзлых грунтов.

Формализованы критерии оценки работоспособности конструкции, реализуемой на основе результатов предлагаемых моделей.

Для Западной Сибири характерно большое количество поверхностных вод. Около 40% территории занято труднопроходимыми болотами.

Статический анализ болотных массивов, пересекаемых мощными трубопроводными системами, показал, что частота болот составляет 26-91 на 100 км, при этом длина относительно сухих участков 5-35 км, а несущая способность грунта на большей части территории в летнее время менее 0,05МПа.

Адекватная оценка НДС трубопроводов, эксплуатируемых в описанных выше условиях не один десяток лет и, зачастую, имеющие повреждения металла стенки трубы, возможна при использовании метода конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений. При этом задача сводится не к отысканию функциональной зависимости какой-либо величины, а к отысканию ряда значений этой величины на границах малых областей, в пределах которой эта величина меняется линейно. Таким образом, решение системы дифференциальных уравнений заменяется решением системы линейных уравнений. Общие этапы расчёта с помощью МКЭ следующие:

разбиение трубопровода, аппроксимированного стержнем (l>5d, где l – длина участка; d – диаметр трубы), на конечные элементы, связанные между собой в узловых точках; аппроксимация неизвестных функций (например, перемещений или усилий) по объёму конечных элементов через узловые параметры; формирование матрицы жесткости конечных элементов, а затем матрицы жёсткости всего трубопровода; определение узловых параметров сетки конечных элементов посредствам решения системы алгебраических уравнений высокого порядка. Следует отметить, особенностью трубопровода в данной задаче является наличие связей – грунта, контактирующего с исследуемым участком. Грунт в принятой схеме играет роль, в том числе, и сопротивления, которое зависит от направления перемещения. В силу этого в качестве конечного используется линейный элемент с распределёнными по его длине связями. Кроме того, необходим учёт нелинейности системы, обусловленной продольно-поперечным изгибом. Если продольное усилие постоянно по длине, а реакции связей пропорционально перемещениям, то на каждом этапе расчёта используется одна и та же форма матрицы жёсткости, меняются лишь характеристики элемента. Длина конечного элемента трубопровода назначается из условия точности выполнения решения численным методом, причём в пределах элемента все параметры – диаметр и толщина стенки трубы, давление, температурный перепад, категория участка, физико-механические свойства трубы и грунта одинаковы. В случае необходимости учёта физической не линейной среды, взаимодействующей с трубопроводом, а также материала трубы (например, нелинейность, обусловленная концентрацией напряжений на дефекте в теле трубы) на основании результатов расчёта перемещений и деформаций, полученных на предыдущей итерации, в одном или нескольких сечениях подмене элемента определяются, так называемые, переменные параметры упругости. Более полный учёт нелинейностей производится уменьшением размера конечного элемента (КЭ).

Замена исходного участка трубопровода совокупностью дискретных элементов подразумевает равенство энергий конструкции и её дискретной модели. Соблюдение энергетического баланса ведёт к получению дискретной модели, точно описывающей поведение исходной конструкции. На этом основана возможность приведения объёмных и поверхностных сил, а также начальных деформаций, к эквивалентным узловым внешним силам:

( ( ( {Ri}= {Ri}+ {Rivk ) + Nisk ) + Riek )}, k {Ri} - узловая сила в уравнении равновесия i – го узла;

где - {Riv} - интенсивность действия объёмных сил на i – ом КЭ;

{Nis} - интенсивность действия поверхностных сил i – го КЭ;

{Rie }- усилие вследствие учёта начальных деформаций {E0}.

В соответствии с изложенным исходное уравнение для расчёта НДС магистрального трубопровода, эксплуатируемого в водонасыщенных грунтах, имеет вид:

[K]+ [B](P Fсеч + NТ{Т }+ NГ {Г }+ mV )= {F}, (1) [K] P Fсеч[B] NT ({T })[B] N ({ })[B] mV [B] {F} где -,,,,, - Г Г соответственно матрица жёсткости системы конечных элементов, матрица внутреннего давления, матрица усилий от температурных перепадов, матрица усилий от взаимодействия с грунтом, матрица осевых сил от {F} движения продукта, вектор неизвестных статических перемещений, - общий вектор нагрузки.

Для системы конечных элементов уравнение (1) имеет вид:

[K ]{K }= {F}, {K } [K ] {F} где,, - соответственно, суммарная матрица жёсткости системы КЭ, вектор столбец узловых перемещений, вектор столбец узловых усилий.

Вектор столбец узловых усилий представляет собой сумму отдельных векторов от различных воздействий:

{F}={Fp}+ {FT }+ {FГ }+ {FП }.

(2) В проекциях на оси пространственной системы координат усилия рассчитываются следующим образом:

t+k t+k t+k X {FX }= T E Fn + Dн a + P X Fсеч.n + ст x n a a n=1 n=1 n=2 k n=t + mV X - m V - X n n ; (3) a n=1 a n=k t +k t+k t+k Y {FY }= T E Fn + Dн a + P Y Fсеч.n + ст Y n a a n=1 n=1 n=2 k n=t + mV Y - m V - Y ; (4) n n a n=1 a n=k t+k t+k t+k Z {FZ }= T E Fn + Dн a + P Z Fсеч.n + ст Z n a a n=1 n=1 n=2 k n=t + mV Z - m V - Z ; (5) n n a n=1 a n=k где a – длина конечного элемента, м;

P - давление транспортируемого продукта, МПа;

Fсеч - внутреннее сечение трубопровода, м2;

ст - коэффициент температурного расширения стали, град-1;

E - модуль упругости стали, МПа;

F - сечение стенки трубопровода, м2;

T - температурный перепад, град;

V - скорость движения транспортируемого продукта, м/с;

m - масса транспортируемого продукта;

Dн - наружный диаметр трубопровода, м;

- касательные напряжения от воздействия грунта, определяемые для водонасыщенных грунтов с учётом :

акт 45 - 2 = z tg - 2 c tg450 tg, (6) акт взв 2 где - удельный вес грунта во взвешенном состоянии;

взв - угол внутреннего трения грунта, град;

с - сцепления грунта;

z - глубина заложения трубопровода, м.

N Определение силы натяжения, являющейся функцией неизвестного п вектора статических перемещений {}, возможно с помощью метода последовательных нагружений:

xi EFсеч - {N }= ; (7) п x a - j xi, x где - смещения, соответственно, узлов I и j элемента вдоль оси j элемента.

Последовательно увеличивая нагрузку {Q} от, 0,1{Q} до 1{Q} и на первом шаге считая вектор {}= 0, через известный на шаге k вектор {k } {Nпk} [Kk ] вычисляется сила и формируется матрица. На (k + 1) - ом шаге {k +1} рассчитывается вектор и т.д. В итоге этих вычислений определяются {Nп}.

{} и Для оценки НДС магистрального трубопровода в мёрзлом грунте используются зависимости (1) – (5), (7), но проводится анализ влияния грунта на напряжение трубы. При этом отмечено, что оттаивание и неравномерные осадки — не единственные неблагоприятные факторы в данных условиях. Следует учитывать и вмерзание трубы в грунт. Это имеет место, например, при периодических изменениях температуры перекачиваемого продукта в период перехода с летнего на зимний режим эксплуатации. Смерзание поверхности изолированных труб в десятки и даже сотни раз увеличивает силы сопротивления продольных перемещений трубы, вследствие изменения температуры стенок труб появляются значительные продольные силы, стремящиеся сдвинуть трубы в продольном направлении.

На НДС металла труб неблагоприятно влияет и пучение замерзающих грунтов, особенно в местах изменения их влажности. Таким образом, вектор усилий от взаимодействия трубопровода с мёрзлым грунтом определяется следующим образом;

t+k Fx = Cxt + xtg Dн а { } ( ) n= t+k Fy = Cyt + tg Dн а { } ( ) y n=1 ; (8) t+k Fz = Czt + ztgt Dн a { } ( ) n=Сt где - сцепление грунта, зависящее от температуры ( ) и время действия нагрузки (t);

- нормальное напряжение;

t - угол внутреннего трения.

При определении для грунтов, температура которых близка к 00 C, следует иметь в виду, что сцепление значительно больше значения и, поскольку трубопроводы оказывают на грунт очень малое нормальное давление, тогда:

= Сt.

кр Зависимость сцепления от температуры и времени t табулирована.

Полученные в ходе реализации вышеописанных моделей численного счёта значения напряжений и деформаций используются при оценке работоспособности магистральных трубопроводов Западной Сибири.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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