Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДОВ
РАСЧЁТА ТРУБОПРОВОДОВ 9
Предварительные замечания 9
Оценка состояний газопроводов и методов их расчёта 10
Обзор работ по прочностному расчёту трубопроводов 21
1.4. Обзор применений численных методов при расчёте
трубопроводов 26
1.5. Аналитический обзор исследований по учёту физической и
геометрической нелинейностей 30
Стандартные программное обеспечение расчётов трубопроводов ... 34
Выводы. Постановка задач исследований 35
Глава 2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЁТНОЙ МОДЕЛИ И
МЕТОДОВ РАСЧЁТА ТРУБОПРОВОДОВ 38
2.1. Оценка напряжённо-деформированного состояния трубопровода
классическими методами строительной механики 38
Упругая модель - метод Эйлера 39
Упруго-пластическая модель 40
2.2. Обоснование расчётной схемы трубопровода для численных
методов расчёта НДС 43
Диаграмма «напряжения-деформации» для сталей МГП 45
Анализ методов учета нелинейностей при расчете конструкций .... 51
Выводы по второй главе 57
Глава 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА ГАЗОПРОВОДА
ПРИ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ 58
3.1. Расчет НДС элемента магистрального газопровода (ЭМГП)
- оболочечная микромодель в ПК «COSMOS/M» 58
3.2. Расчет НДС элемента магистрального газопровода (ЭМГП)
- плоская микромодель в ПК «COSMOS/M» 69
3.3. Расчет НДС элемента магистрального газопровода (ЭМГП)
- плоская микромодель, процедура на языке «FORTRAN» 80
Теоретические основы МКЭ для плоской задачи 80
Алгоритм и программа расчёта УПД ЭГП 84
Результаты расчётов УПД элемента газопровода 85
(0Ъ 3.4. Выводы по третьей главе 90
Глава 4. МЕТОДИКА РАСЧЁТА НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ «АРОК»
МГП ПРИ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ПО
МОДЕЛИ ПЛОСКОЙ СТЕРЖНЕВОЙ СИСТЕМЫ 91
Общие положения и расчётные предпосылки 91
Алгоритм и программа расчёта макромодели «арки» МГП 93
^ 4.3. Исследование алгоритм и пример расчёта макромодели МГП 99
Расчёт НДС макромодели МГП nK«COSMOS/M» 106
Выводы по третьей главе 109
Глава 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ ВАРИАНТОВ «АРОК» И
ВНЕДРЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО
,^ь 5.1. Предварительные замечания ПО
Расчёт длин участков «арок», подверженных УПД ПО
Практическая методика применения ПО ПК «УПД_Арка» 116
Применение ПО ПК «УПД_Арка» для расчёта номограмм 117
Внедрение ПО ПК «УПД-Арка» в исследования МГП 118
Выводы по пятой главе 118
~ Заключение 119
Литература 121
Приложение 1. Вычисления толщин ПЭ приведенного сечения МГП 135
Приложение 2. Подпрограммы ПО ПК «УПД-Арка» - блоки микромодели. 138
Приложение 3. Подпрограммы ПО ПК «УПД-Арка» - блоки макромодели. 160
І* Приложение 4. Акты внедрения результатов исследований 171
Введение к работе
Системы магистральных продуктопроводов (трубопроводов - МТП, газопроводов - МГП, нефтепроводов - МНП, конденсатопроводов - МКП и др.) высокого давления являются одними из основных компонентов топливно-энергетических комплексов (ТЭК). Помимо газовой промышленности, продук-топроводы широко применяются на предприятиях тепловых сетей, нефтехимических производствах, в химической промышленности и т.д.
В России и во многих зарубежных странах значительная часть МГП (60-80%) эксплуатируется более 30 лет - их проектный ресурс исчерпан. Проблемы повышения надежности и безопасности трубопроводного транспорта, обоснованного продления сроков службы и др. являются весьма актуальными в газовой промышленности. Денежные средства, необходимые для полной замены этих МГП, оценивается в десятки миллиардов долларов; с другой страны -ущербы, которые возникают при аварии только на отдельном участке, часто приводят к финансовым потерям в десятки миллионов долларов, значительному экологическому ущербу и даже людским потерям.
Для обеспечения дальнейшей безопасной эксплуатация МГП, а также уменьшения стоимости ремонта, нужно провести качественную и количественную оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) МГП, которые позволят научно обоснованно рекомендовать технологии ремонта МГП с полной или частичной заменой труб МГП.
Особую проблему при эксплуатации МГП представляют газопроводы, проложенные по болотам и озерам Западной Сибири. МГП, построенные в основном в зимний период, испытывают значительные температурные воздействия. Положение усугубляется тем обстоятельством, что в течение длительного срока эксплуатации разрушились или опрокинулись железобетонные пригрузы, участки значительной протяжённости МГП «всплыли» и на них образовались «арки», на которые «сбрасываются» температурные деформации.
5 В первые годы эксплуатации МГП в Западной Сибири образовывались
небольшие «арки» - появление этих «арок», прежде всего, определялось инженерно-геологическими условиями (морозное пучение грунтов, локальные размывы грунтовой защиты потоками воды и др.) положения МГП. Максимальные значения стрел изгиба «арок», как правило, не превышали/=2,0-2,5 м, а их длина- /=150-200 м. Проблема расчёта и оценки НДС малых «арок» была решена [47] ВНИИГАЗ (Всесоюзный научно-исследовательский институт природных газов). В «Инструкции ...» [47] приведены методика расчёта НДС, зависимости напряжений в опасных сечениях от геометрических параметров «арок», рекомендации по ремонту МГП.
Вследствие указанных выше причин, последнее десятилетие особенно интенсивно проходят процессы образования больших «арок» (с параметрами /=10-15 м при /=300-500 м и более), материал которых работает в упруго-пластической стадии - корректной методики расчёта НДС таких «арок» нет.
В этой связи в диссертации рассматриваются задачи оценки НДС больших «арок» (представляющих наибольший практический интерес) при известных параметрах, размерах и форме деформирования, получаемой, как правило, путём проведения геодезической (тахеометрической) съёмки.
Применение упрощенных методов прочностных расчетов МГП, приводит к получению «грубых» оценок параметров НДС, не удовлетворяющих современным и перспективным требованиям проектирования и эксплуатации МГП систем, или даже к получению ошибочных результатов.
Аналогичные замечания можно сделать и по традиционным методикам расчетной оценки НДС МТП конструкций, основанных на методах сопротивления материалов и строительной механики. Эти методы не позволяют провести адекватный анализ прочности МТП ТЭК с требуемой точностью, а в некоторых случаях - могут даже дать неверную качественную оценку НДС конструкции.
Современный уровень развития численных методов механики сплошных сред и вычислительных мощностей компьютерной техники дают возможность: проведения численного анализа сложного нелинейного НДС МТП с минималь-
ными упрощениями их конструкции и учетом многофакторного нагружения; оценки их прочности по результатам моделирования разрушения исследуемых участков МТП; определении параметров их безопасной эксплуатации и др.
Для корректного решения задачи оценки НДС МГП необходимо использовать численные методы расчёта НДС, среди которых основным является метод конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ принципиально позволяет решить различные задачи оценки НДС и выявлять эффекты деформирования МГП — учесть физическую и геометрическую нелинейности, выполнить оценку НДС по деформированной схеме, учесть специфические условия нагружения и опирання МГП и др.
Все вышеперечисленное, по нашему мнению, свидетельствует об актуальности исследований диссертационной работы.
Основной целью исследований является разработка методики, алгоритмов и программ расчета деформированных участков («арок») МГП с учётом физической и геометрической нелинейностей. В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
обосновать расчётные модели «арок» МГП;
разработать методику детального исследования НДС упруго-пласти-чески деформированных участков «арок» МГП;
разработать алгоритмы и программы расчёта НДС «арок» МГП с учё-том физической и геометрической нелинейностей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена двухуровневая модель «арки» МГП:
микромодель - оценки НДС элемента газопровода (ЭГП), учитывающая физическую нелинейность работы материала;
макромодель - стержневая модель, учитывающая физическую нелинейность работы материала, а также геометрическую нелинейность, связанную с большими стрелами изгиба «арок»;
2. Подтверждена применимость гипотезы плоских сечений к расчету
ЭГП (при определенных типах нагружения) путем проведения численных опы
тов с использованием программного комплекса «COSMOS»;
3. Разработаны методики, алгоритмы и программ для расчета НДС
деформированных участков «арок» МГП с учетом физических и геометрических нелинейностей;
Проведен анализ сходимости вычислительных процедур, определены рациональные значения параметров и даны рекомендации по их назначению в практических расчётах;
Исследованы НДС «арок» МГП с различными параметрами и предложены номограммы доли (в %) длины «арки», подверженных упруго-пластическим деформациям, в зависимости от стрелы изгиба «арки».
Практическое значение исследований диссертации. Применение разработанных методики, алгоритмов и программ позволяет оценить НДС «арок» МГП, выделить в их составе упруго и упруго-пластически деформированные участки, обоснованно рекомендовать повторное использование труб и минимальные объёмы их замены на новые трубы - это позволяет сокращать затраты материальных и финансовых ресурсов, а также сроки выполнения ремонтных работ на МГП. Полученные результаты могут быть использованы газо-, неф-тетранспортными предприятиями, а также проектными организациями.
Кроме того, учитывая относительно слабое развитие расчётно-теорети-ческих методов в Гане (страна соискателя), данная диссертация может служить ценным пособием для местных специалистов.
Реализация результатов работы. Программная система, разработанная в диссертационной работе, используется Владимирским региональным отделением Российской Академии транспорта (ВРО PAT) и научно-производственной фирмой «Поиск» для выполнения расчетов опасных «арок» по заданию ЗАО «Сургутгазпром», а также Владимирским государственным университетом при выполнении научно-исследовательских работ.
Достоверность результатов обеспечивается:
- Использованием корректного математического аппарата и достаточно точных расчетных континуальных и стержневых моделей;
- Обоснованным применениям общепринятых допущений и гипотез
строительной механики;
- Применением апробированного к расчету сооружений МКЭ, а также
сравнения результатов расчётов по разработанной методике с оценками НДС
[ф «арок» с помощью программного комплекса «SRAC COSMOS/M».
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсужде
ны: на Международной НТК «Интерстрой-2004» (Воронеж, октябрь 2004 г.); 5-
ом Всероссийском семинаре «Проблемы оптимального проектирования
сооружений» (Новосибирск, апрель 2005 г.); 3-ей (октябрь 2003 г.) и 4-ой
[Щ (октябрь 2005 г.) Международных НТК «Итоги строительной науки»
(Владимир); на научно-методическом семинаре кафедры «Сопротивления материалов» Владимирского государственного университета (2003-2005 г.г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи.
На защиту выносятся:
ш - Двухуровневая модель «арки» МГП (микромодель - оценки НДС эле-
мента газопровода (ЭГП), учитывающая физическую нелинейность работы материала; макромодель - стержневая модель, учитывающая физическую нелинейность работы материала, а также геометрическую нелинейность, связанную с большими стрелами изгиба «арок»;
- Разработанные в диссертации методику, алгоритмы и программы для
расчета НДС деформированных участков «арок» МГП с учетом физических и
геометрических нелинейностей;
- Результаты исследований точности и сходимости вычислительных про
цедур, рекомендации по рациональным значениям алгоритмических парамет
ров разработанной программной системы;
*т - Результаты исследований, анализа и расчётов НДС «арок» МГП с раз-
личными геометрическими параметрами, а также номограммы доли (в %) длины «арки», подверженных упруго-пластическим деформациям, в зависимости от стрелы изгиба «арки».
