Содержание к диссертации
Введение
1. Основные подходы к оценке прочности трубопроводного транспорта 12
1.1. Состояние трубопроводов с позиции их прочности 12
1.2. Основные положения концепции расчетов трубопроводов на прочность 16
1.3. Методы ремонта участков магистральных трубопроводов, подлежащих восстановлению 24
1.3.1. Замена дефектного участка 24
1.3.2. Консервационный ремонт 25
1.3.3. Технологии ремонта с установкой стальных муфт 26
1.3.4. Технологии ремонта с применением пластиковых муфт 28
1.3.5. Технология фирмы Clock Spring (США) 29
1.3.6. Композитно-муфтовая технология фирмы British Gas 30
1.4. Технико-экономические показатели эффективности ремонта магистральных трубопроводов 32
1.5. Методы строительной механики и математический аппарат в расчетах напряженно - деформированного состояния тонкостенных конструкций 37
1.6. Постановка задачи 47
2. Решение задачи напряженно-деформированного состояния участка трубопровода в период проведения ремонтных работ 49
2.1 Дифференциальное уравнение продольно-поперечного изгиба упругой линии трубопровода 49
2.2. Метод конечных разностей в оценке напряженно деформированного состояния участка трубопровода 51
2.3. Достоверность численных результатов метода конечных разностей в расчете напряженно-деформированного состояния участка трубопровода 58
2.4. Расчет участка трубопровода на упругом основании с переменными жесткостью основания и поперечной нагрузкой 76
2.5. Изменение напряженно - деформированного состояния ремонтируемого участка трубопровода при его подъеме и возвращении в исходное состояние 83
2.6. Оценка прочности участка трубопровода после возвращения его в исходное состояние 92
2.7. Результаты и их обсуждение 93
3. Математическая модель деформирования двухслойной конструкции композитной муфты 95
3.1. Осесимметричная задача напряженно-деформированного состояния двухслойной композитной муфты 95
3.2. Дифференциальные уравнения равновесия двухслойной цилиндрической оболочки при осесимметричных нагрузках 98
3.3. Метод конечных разностей в расчете напряженно деформированного состояния двухслойной цилиндрической оболочки при осесимметричной нагрузке 108
3.4. Достоверность численных результатов метода конечных разностей в расчете напряженно-деформированного состояния двухслойной цилиндрической оболочки при осесимметричной нагрузке 116
3.5. Влияние краевых условий на напряженное состояние двухслойной цилиндрической оболочки при конечной жесткости межслойной связи 131
3.6. Влияние начальных параметров на напряженное состояние двухслойной цилиндрической оболочки 132
3.7. Результаты и их обсуждение 136
4. Решение задач прочности участка трубопровода, восстановленного по муфтовой технологии 138
4.1. Напряженно-деформированное состояние участка трубопровода, отремонтированного с использованием композитной муфты 138
4.2. Общее напряженно - деформированное состояние участка трубопровода с учетом напряженно - деформированного состояния установленной на нем муфты 143
5. Основные результаты и выводы 149
6. Литература 150
- Основные положения концепции расчетов трубопроводов на прочность
- Достоверность численных результатов метода конечных разностей в расчете напряженно-деформированного состояния участка трубопровода
- Метод конечных разностей в расчете напряженно деформированного состояния двухслойной цилиндрической оболочки при осесимметричной нагрузке
- Напряженно-деформированное состояние участка трубопровода, отремонтированного с использованием композитной муфты
Введение к работе
Актуальность темы. В России функционирует более 200 тыс. километров стальных трубопроводов (магистральных и промысловых), предназначенных для транспортировки нефти, газа, нефтепродуктов. Многие из них отслужили четверть века и более. Под воздействием перекачиваемых по ним продуктов, внешней среды и режима эксплуатации постепенно снижается несущая способность трубопроводов, что неминуемо требует ремонта дефектных участков или перевода состарившихся трубопроводов на новый, более щадящий режим.
Достаточно большой возраст трубопроводов объективно связан с увеличением риска аварий и отказов при эксплуатации в случае отсутствия эффективной системы их предупреждения. Это, в свою очередь, предполагает необходимость разработки и совершенствования методов ремонта.
Повышение надежности трубопроводов является актуальной проблемой на этапе их эксплуатации. Согласно статистическим данным число дефектов, выявляемых на всех уровнях диагностики, составляет от 6 до 9 тысяч в год. Большая часть дефектов (три четверти) удалена друг от друга. Для их устранения требуется выборочный ремонт. К технологиям выборочного ремонта, обеспечивающим восстановление прочности и долговечности дефектных участков, относится установка муфт, позволяющая производить ремонт без остановки перекачки транспортируемого продукта.
В технологический цикл ремонта магистральной части трубопровода включается создание ремонтного котлована. На вскрытом участке трубопровод меняет проектное положение, что приводит к изменению его напряженно - деформированного состояния. Это связано с тем, что при выемке фунта трубопровод провисает. Изменение температурного поля, в свою очередь, приводит к появлению дополнительных осевых усилий, действующих на трубопровод. Кроме того, меняется податливость основания грунта на краях котлована.
СНиП 2.05.06-85 "Магистральные трубопроводы" регламентирует
проверку на прочность подземных и наземных (І НІ^'ЯДАДйШВДВСЕДД08 в
%м
! ЗГ""4
продольном направлении и проверку на недопустимость пластических деформаций.
В то же время после установки укрепляющей муфты в стенке трубопровода, примыкающей к муфте, происходит повышение напряжения в результате действия краевого эффекта.
СНиП 2.05.06-85 не дает прямых указаний и методических рекомендаций по определению напряжений в наиболее нагруженном сечении при установке ремонтной муфты с учетом изменения нагрузок на ремонтируемом участке трубопровода.
Цель и задачи исследования.
Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании методов расчета несущей способности участков магистральных трубопроводов, ремонтируемых с использованием муфтовой технологии.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
исследование напряженно - деформированного состояния участка трубопровода в различные периоды проведения ремонтных работ, связанных с установкой укрепляющей муфты;
построение математической модели деформирования двухслойной конструкции муфты при осесимметричной нагрузке;
разработка методики расчета напряженно - деформированного состояния муфты при различных способах ее закрепления на поверхности ремонтируемого трубопровода;
оценка прочности участка трубопровода, отремонтированного по муфтовой технологии.
Объектом исследования является участок трубопровода при ремонтно-восстановительных работах. На защиту выносятся:
- методика расчета трубопровода в зоне ремонтного котлована при
установке ремонтной-М-уфты;
математическая модель напряженно -дефор'мированного состояния ремонтной муфты при осесимметричной нагрузке;
методика расчета напряженно - деформированного состояния и оценка прочности ремонтной муфты и участка трубопровода в ее зоне.
Научная новизна заключается в следующем:
предложена методика расчета участка трубопровода с позиции его прочности при выполнении ремонтных работ;
получена математическая модель напряженно-деформированного состояния двухслойной конструкции ремонтной муфты;
- дана оценка влияния начальных несовершенств геометрических форм
полумуфт на напряженно-деформированное состояние участка трубопровода;
- исследовано изменение прочности участка трубопровода в зоне
установленной ремонтной муфты.
Достоверность результатов подтверждена сравнением двух вариантов математических моделей осесимметричной задачи изгиба ремонтной муфты и дифференциальными уравнениями изгиба однослойных цилиндрических оболочек. Дана оценка внутренней сходимости результатов решения методом конечных разностей при удержании различного количества узловых точек на исследуемом интервале и проведено сравнение расчета с известными решениями частных задач.
Практическая ценность работы.
Показано влияние отдельных факторов и выделены параметры, определяющие прочность ремонтируемого участка трубопровода в соответствии с муфтовой технологией. Разработана программа расчета, позволяющая осуществлять подбор параметров ремонтной муфтовой конструкции при различных условиях с позиции обеспечения прочности данного участка трубопровода.
Внедрение результатов.
Разработанная методика использована институтом "Нефтегазпроект" (ОАО) в проектировании выборочного ремонта нефтепроводов с
использованием композитно - муфтовой технологии без остановки перекачки транспортируемого продукта.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
международном семинаре "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" (г. Тюмень, 27-29 марта 2002 г.);
семинаре кафедры "Теоретической и прикладной механики" Тюменского государственного нефтегазового университета, 2003 г.
- заседании НТС Тюменского государственного нефтегазового
университета.
Публикации.
Основные положения работы опубликованы в 4 печатных работах.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка литературы, включающего 141 наименование. Объем работы составляет 164 страницы машинописного текста, 60 рисунков, 11 таблиц.
Основные положения концепции расчетов трубопроводов на прочность
Для таких потенциально опасных сооружений и конструкций, как газонефтепроводы, на основе анализа условий работы, аварий, приняты следующие группы критериев предельных состояний [118]: избыточные пластические деформации, местная потеря устойчивости; общая потеря устойчивости; усталостное разрушение (малоцикловое и многоцикловое); хрупкое разрушение; вязкое разрушение; коррозионное растрескивание.
Имеется следующая классификация предельных состояний отдельно по типам конструктивных элементов [118]: основной металл; продольные (заводские) сварные соединения; поперечные (монтажные) сварные соединения; отводы; тройниковые соединения; переходники (и другие элементы по выбору проектировщика).
Форма представления критериев предельных состояний определяется типом связанной с данным критерием прочностной, динамической или статической задачи, выбранной для реализации механико-математической модели конструкции с учетом действующих на трубопровод нагрузок и воздействий.
Перечислим критерии предельных состояний [118] (символы Ч\ представляет собой формальное имя критерия, в дальнейшем используемое для ссылок на данный критерий).
1. Критерий допускаемых напряжений Ч
2. Критерий больших пластических деформаций 4 2 .
3. Усталостный критерий для бездефектного материала Рз
4. Усталостный критерий для дефектного материала 4 4. где ЩЛі) - число циклов или блоков квазициклического нагружения с учетом дефекта структуры к-го типа; NAk - предельное число циклов по испытаниям материала с дефектом &-го типа на усталость; Ль - вектор характеристических управляющих параметров дефекта к -го типа.
5. Критерий трещиностойкости для трещиноподобных дефектов и трещин (герметичность) 4V. где: Nc(Cj) - число циклов или блоков квазициклического нагружения до сквозного прорастания дефекта &-го типа; NAck - допустимое число циклов; Q -вектор характеристических управляющих параметров трещины или трещиноподобного дефекта &-го типа, допускается альтернативная формулировка критерия 5 вида: где: Ск - глубина трещины; S- толщина стенки трубы.
6. Критерий трещиностойкости для трещиноподобных дефектов и трещин где: max K/(Ck) - максимальный коэффициент интенсивности напряжений на фронте трещины нормального отрыва; К/ск - критический коэффициента интенсивности напряжения для трещин нормального отрыва в данном материале.
Для оценки конструктивной надежности требуется изучение напряженно-деформированного состояния трубопровода, в том числе, при наличии дефектов. Необходимо выполнение расчетно-экспериментальных исследований цилиндрических оболочек с концентраторами, анализ диагностической информации о частоте повреждений и отказов, типах и распределениях дефектов, характеристиках прочности и трещиностойкости труб и сварных соединений.
Разрушение конструктивных элементов трубопроводов при циклических нагрузках существенным образом зависит от структурно-геометрических несовершенств и дефектов этих элементов. Появление такого рода изъянов структуры приводит к возникновению локальных зон концентрации напряжений в их окрестностях. При этом соответствующие участки трубопровода подвергаются усталостному разрушению, как правило, в сочетании с пластическими механизмами накопления микроповреждений. Изменение природы разрушения приводит к необходимости расчетов показателей надежности и долговечности трубопроводов по физическим моделям, описывающим как многоцикловую, так и малоцикловую усталость.
Существуют проблемы, связанные с тем, что при проектировании новых и реконструкции магистральных и промысловых трубопроводов не проводится расчета их надежности, долговечности и безопасности, отсутствует прогноз срока службы объекта с учетом режимов эксплуатации, потерь механических свойств материала труб и т.д.[117]. Существующий СНиП 2.05.06-85 и его новая редакция содержат определенные требования по обеспечению надежности и безопасности трубопроводов, в том числе, касающиеся материалов, конструкции, технологии строительства, расчетов на прочность и устойчивость. Но эти нормативы используют традиционные методы и не учитывают в полной мере сочетания различных факторов, статистический разброс механических свойств труб и сварных соединений, параметров формы, начальную дефектность и возможность ее роста. Так, в нормативных материалах указываются допустимые параметры овализации концов труб, разнотолщинности, дефекты в сварных соединениях, но отсутствуют методы, позволяющие оценить эти дефекты в расчетах на прочность и надежность особенно с учетом фактора времени. Кроме того, в них отсутствует сама постановка задачи оценки надежности линейного сооружения на стадии проектирования с учетом указанных допустимых дефектов и их сочетаний, а также прогноза срока службы.
В работе [26] рассмотрен вопрос определения опасности дефектов стальных труб магистральных нефтепроводов по данным дефектоскопов " Ультраскан".
По сравнению с альтернативными методами оценки технического состояния трубопроводов (метод гидроиспытаний) внутритрубная диагностика имеет следующие преимущества: высокая производительность; хорошая разрешающая способность, позволяющая не только обнаруживать, но и измерять дефекты; возможность проведения расчетов на прочность по данным диагностической информации и ранжирования дефектов по степени опасности; возможность проведения выборочного ремонта; возможность определения скорости развития дефектов на основе сравнения данных, полученных в разные периоды времени.
При разработке этой методики оценки опасности дефектов по данным дефектоскопов "Ультраскан" был учтен весь передовой опыт ведущих трубопроводных компаний мира. За основу взят известный американский стандарт ANSI/ASME-B31G-1984, разработанный для оценки прочности газопроводов в зоне коррозионных дефектов [26].
На рис. 1.2 представлена геометрия дефекта трубопровода обнаруженного методом внутритрубного сканирования [26].
Дефектоскопы "Ультраскан" обнаруживают и измеряют не только коррозионные дефекты, но и потери металла механического происхождения (царапины, риски, задиры).
Существующая методика определения остаточной прочности труб состоит в определении разрушающего давления полученного по расчетной зависимости норматива ВЗ1G [26]
Достоверность численных результатов метода конечных разностей в расчете напряженно-деформированного состояния участка трубопровода
Чтобы обосновать достоверность результатов решения задачи напряженно-деформированного состояния участка трубопровода методом конечных разностей (МКР), сравним результаты, полученные методом МКР с результатами, полученными аналитическими способами. Для этого общую постановку решения задачи уравнения (2.1) разбиваем на ряд частных.
На первом этапе продольное усилие и коэффициент постели равны нулю Nx =0, с(х) = 0. Исследуется деформация трубопровода от действия поперечной силы при различных параметрах граничных условий. Уравнение (2.1) вырождается в дифференциальное уравнение упругой линии балки в виде
Константы, появившиеся при интегрировании, найдем, используя введенные граничные условия
Подставляя найденные константы в исходные уравнения (2.28), окончательно получим уравнения для определения прогиба, углов поворота сечения, изгибающих моментов и поперечных сил.
Точность получаемых результатов методом конечных разностей будет зависеть в первую очередь от количества узлов п. Для оценки точности вычислений МКР в зависимости от количества выбранных узлов (внутренняя сходимость) произведем расчет относительной погрешности по формулам (2.31) для прогиба и изгибающего момента в точке с координатами х = 0.5 / (по середине пролета) и для угла поворота сечения и перерезывающей силы в точке с координатами .х=0, где параметры приближаются к максимальным значениям.
Расчет трубопровода произведен при следующих параметрах: диаметр трубопровода D = 1020 мм, толщина стенки трубы 8 = 12 мм, длина ремонтируемого участка L =25 м, интенсивность поперечной нагрузки q(x) = 10 кН/м. Граничные условия: Aj=0 мм, zfe = - 1000 мм, щ = - 0,02 рад.(-1 ), ср2= 0,02рад.(1).
Результаты расчетов, приведенные на рис. 2.3, показывают, что область оптимальных значений количества узлов при расчете МКР находится в диапазоне 80 — 90 узлов, где относительная погрешности вычислений не превышает 0,022 %.
Картина напряженно-деформированного состояния трубопровода выглядит при этих параметрах следующим образом (рис. 2.4 - 2.8)
Другой частной задачей является условие, когда коэффициент постели и поперечная нагрузка равны нулю с(х) = 0, q(x) = 0. Исследуется деформация трубопровода от действия продольной силы N(x) при различных параметрах граничных условий. Уравнение (3.1) в этом случае приобретает следующую форму
Далее находим матрицу, обратную матрице (А), и, умножая ее на матрицу - столбец (В), определяем константы интегрирования С,:
Расчет трубопровода произведен при тех же краевых условиях с величиной продольного усилия сжатия N(X) = 1,2 МН (рабочее давление в трубопроводе р =5,5 МПа, ДТ=40 ). Относительная погрешность вычислена по формулам (2.31) для прогиба, угла поворота сечения, изгибающего момента и перерезывающей силы в точках, где расчетные параметры приближаются к максимальным значениям.
Результаты расчетов, приведенные на рис.2.9, показывают, что область оптимальных значений количества узлов при расчете МКР находится в диапазоне 80 — 90 узлов, где относительная погрешности вычислений не превышает 0,03 %.
Картина напряженно-деформированного состояния трубопровода выглядит следующим образом (рис. 2.10 - 2.14).
В третьем варианте частной задачи уравнения (2.1) исследуется деформация балки, лежащей на упругом основании, от действия поперечной силы q(x) (продольная сила N(x) =0) при различных параметрах граничных условий. Далее находим матрицу, обратную матрице (А), и, умножая ее на матрицу - столбец (В), определяем константы интегрирования С,-:
Расчет трубопровода произведен при следующих параметрах: диаметр трубопровода D = 1020 мм, толщина стенки трубы 8 = 12 мм, длина балки, лежащей на упругом основании L = 25 м, интенсивность поперечной нагрузки q(x) = 10 кН/м. Коэффициент постели с=150 МН/м3, что соответствует песчаному грунту, искусственно уплотненному или глине пластичной [3].
Граничные условия: Аі=0 мм, zfe = 0, (pi = 0 # q 2= 0.
Вычисления относительной погрешности проведены по формулам (2.31) для прогиба в точке с координатами х = 0,25L, угла поворота сечения — х = 0,1 L, изгибающего момента и перерезывающей силы - х = 0, где параметры приближаются к своим максимальным значениям. Результаты вычислений, представленные на рис 2.15, показывают, что область оптимальных значений количества узлов при расчете МКР находится в районе 80 узлов, где относительная погрешности вычислений не превышает 2,8 %. Расчет напряженно - деформированного состояния приведен на рис. 2.16 - 2.20.
В тестовых задачах рассматривались горизонтальные упругие балки строго конечной длины. На концах балки были заданы вполне конкретные граничные условия в виде их вертикальных смещений и углов поворота сечений. В практических задачах трубопровод должен рассматриваться как бесконечно упругая балка. Поэтому граничные условия будут отличаться от тестовых задач. При численном решении задачи бесконечные величины заменяются на достаточно большие, но конечные величины. При решении задач длина рассматриваемого участка трубопровода должна быть такой, чтобы при дальнейшем "увеличении" ее длины напряженно-деформированное состояние ремонтируемого участка не изменялось. Достаточная длина трубопровода при практических решениях определяется методом подбора и анализом получаемых результатов. На границах рассматриваемой длины ремонтируемого участка труба должна "выходить" на горизонтальные участки. Это и будет служить граничными условиями слева и справа для ремонтируемого участка.
Таким образом, применяемый метод конечных разностей для решения задачи напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, описываемой дифференциальным уравнением (2.1), позволяет получать практически точные решения. Использование уравнения (2.1) для оценки напряженно- деформированного состояния участка трубопровода возможно при условии, что в дальнейшем мы будем знать, как изменяются значения коэффициента постели и давления грунта вдоль оси трубопровода (с(х) =f(x) и Чгр =f(x)).
Метод конечных разностей в расчете напряженно деформированного состояния двухслойной цилиндрической оболочки при осесимметричной нагрузке
При решении задачи расчета цилиндрической двухслойной оболочки под действием внутреннего давления при переменной жесткости вдоль образующей (уравнения 3.16) невозможно использовать аналитические методы решения. В настоящем разделе приводятся основные положения методики решения данной задачи с помощью метода конечных разностей. Метод основан на замене всех производных конечными разностями.
Дифференциальное уравнение изгибающих моментов из системы уравнений (3.16) при конечной жесткости межслойных связей можно представить в виде
Так как первая производная по прогибу определяет угол поворота сечения (р, вторая производная - изгибающий момент М, третья производная -поперечную силу Q, определим их, используя полученную матрицу с известными величинами прогиба. Для этого обратимся к уравнениям (3.22)
С учетом возможных отклонений геометрической формы ремонтируемого трубопровода от цилиндрической (гофры, вмятины, эллипсоидность и т.д.) введем следующие краевые условия: углы поворота сечений в узлах 3 и п+4 (рис. 2.2) равны соответственно (Р\ и Фг , перемещения для этих узлов соответственно обозначим Л\ и Аг.
Анализ уравнений (3.24) позволяет сделать вывод, что, используя уравнение (3.23), необходимо определять прогибы и в законтурных точках, т.е. во всех узлах, начиная с 1-го и заканчивая п+6.
При жестко закрепленной оболочке, учитывая введенные краевые условия, из уравнений (3.22) следует
Количество подобных уравнений должно соответствовать количеству узлов, перемещения в которых пока неизвестны. В нашем случае такими будут являться узлы, начиная с 4-го по п+3 включительно.
Матрица коэффициентов (А), стоящих только при неизвестных w
Далее находим матрицу, обратную матрице (А), и, умножая ее на матрицу - столбец (С), определяем величины прогиба для каждого узла: w = (А) (С).
В случае шарнирного закрепления торцов оболочки в узлах 3 и п+4 величина изгибающего момента равна нулю.
Далее находим матрицу, обратную матрице (А), и, умножая ее на матрицу - столбец (С), определяем величины прогиба для каждого узла: w = (А) (С). в случае шарнирного опирання торцов оболочки.
Зная величины прогибов во всех точках, включая законтурные, используя уравнения (3.24) и (3.25), можно определить углы поворота сечения, изгибающие моменты, перерезывающие силы и нормальные напряжения по всей длине оболочки.
Напряженно-деформированное состояние участка трубопровода, отремонтированного с использованием композитной муфты
Расчет напряженно-деформированного состояния от изгиба ремонтной муфтовой конструкции проводим на основе математической модели раздела 3, используя метод конечных разностей, задавая толщину стенки муфты % на участке трубопровода длинной L (рис. 4.1) в виде массива, где на участках I и III значение 8i = 0. Длина участка трубопровода L выбрана с таким расчетом, чтобы характер закрепления трубопровода на краях не влиял на краевой эффект на кромках муфты.
При установке ремонтной муфты считаем, что ремонтное давление в трубопроводе снижено на 1/3. После установки муфты давление поднимается вновь до рабочего значения. Размеры муфтовой конструкции составляют: диаметр трубопровода D =1020 мм. Длина муфты LM = 2D. Модуль продольной упругости стали Е =210000 МПа, коэффициент Пуассона v =0,3. Рабочее давление Р = 5,5 МПа, длина участка трубопровода составляет L = 5000 мм. Толщина стенки трубопровода S\=\2 мм, стенки муфты %=16 мм. Результаты расчета представлены на рис. 4.2 - 4.6.
После установки муфты и повышения давления до рабочего значения кольцевые напряжения в стенке трубопровода определяться: для участков I и III
Величину эквивалентных напряжений в стенке муфтовой конструкции определим, используя формулу (2.57). Результаты расчета эквивалентных и окружных напряжений приведены на рис. 4.7.
Разгрузочный эффект муфты составляет 18%, т.е. напряжения в трубе снижаются в 1,2 раза.
