Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование напряженно-деформированного состояния подводных переходов магистральных трубопроводов с учетом условий эксплуатации

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Исследование напряженно-деформированного состояния подводных переходов магистральных трубопроводов с учетом условий эксплуатации"

V

На правах рукописи

МАМАТКУЛОВ АБДУМАННОП АБДУГАФФАРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ х МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 25.00.19 - "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилиш" (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Поляков Вадим Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Короленок Анатолий Михайлович

кандидат технических наук,. Шаповалов Евгений Владимирович

Ведущее предприятие; филиал ООО "ВНИИГАЗ" - "СЕВЕРНИПИГАЗ"

Защита состоится час. мин. в аудитории

на заседании диссертационного совета Д 212.200.06 в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65, Москва. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.

Автореферат разослан У" А^Р^У/ЭсР 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

С.Г.Иванцова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы диссертации.

Одним из наименее надежных элементов системы магистральных трубопроводов являются переходы через естественные препятствия, в частности, подводные переходы.

Несмотря на наличие резервных ниток, регулярное обследование и все возрастающий объем ремонтно-восстановительных и ремонтно-профилактических работ, эксплуатация переходов сопровождается большим количеством аварийных ситуаций, связанных с изменение русла, выпучиванием трубопровода из траншеи, механическими повреждениями, неэффективной работой пригрузов и так далее. Такая ситуация связана с тем, что на переход в процессе эксплуатации действует комплекс сил, причем параметры некоторых из них в процессе проектирования не учитываются. Появление этих сил часто носит случайный характер и не может быть предсказано заранее, то есть, каждый переход эксплуатируется в индивидуальных условиях, определяемых набором и интенсивностью действующих нагрузок. Исходя из этого, повышение надежности работы переходов, прежде всего, должно быть связано с оценкой всех действующих нагрузок и напряженно-деформированного состояния (НДС) стенки трубы.

В настоящее время при проектировании не учитываются все факторы, определяющие НДС перехода, в том числе, пространственная геометрия и движение транспортируемого продукта. Пренебрежение этими факторами вносит непредсказуемую погрешность в результаты расчетов и, следовательно, снижает работоспособность переходов.

Величина действующих на переход нагрузок определяет его техническое состояние в текущий момент и форму упругой линии трубопровода, поэтому существует взаимосвязь параметров упругой линии перехода и действующих нагрузок. Анализ этой взаимосвязи может проводиться в виде решения как

прямой задачи - расчета параметров упругой линии по заданным нагрузкам, так и обратной — оценки напряжения трубопровода по измеренным параметрам упругой линии.

При этом принципиальным является вопрос о том, насколько используемые математические модели отражают процессы, возникающие при эксплуатации подводных переходов.

Вышеизложенное определяет актуальность темы диссертации.

Цель диссертационной работы — повышение надежности работы подводных переходов на основе усовершенствования методов расчета реальных напряжений и оценки взаимосвязи параметров упругой линии с действующими нагрузками, в том числе, не учитываемыми в процессе проектирования.

Основные задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:

1.Разработана математическая модель оценки статической составляющей напряжения подводных переходов с учетом реальной геометрии и движения транспортируемого продукта;

2.Исследовано влияние конструкционных и технологических параметров на НДС подводных переходов;

3.Исследовано влияние условий эксплуатации — условий закрепления — на НДС и упругую линию перехода;

4.Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки НДС подводного перехода по параметрам упругой линии.

Научная новизна.

Предложена математическая модель, учитывающая влияние нормативных нагрузок и нагрузок, связанных с реальной геометрией и движением транспортируемого потока, на статическую составляющую напряжения перехода.

В результате анализа разработанной модели методами планирования эксперимента и регрессионного анализа установлены факторы, определяющие статическую составляющую напряжения, и степень их влияния.

Разработан алгоритм расчета продольных напряжений и изгибающих моментов, связанных с движением транспортируемого потока в подводных переходах.

Практическая ценность.

Установлено, что учет продольной силы и вызванных ею изгибающих моментов, связанных с реальной геометрией перехода и движением транспортируемого продукта, приводит к изменению упругой линии, абсолютной величины продольной компоненты и соотношения кольцевых и продольных компонент напряжения в переходе.

Получена зависимость максимальной величины напряжения изгиба от геометрических параметров перехода и работоспособности балластировочного оборудования. Установлены условия эксплуатации, при которых условие прочности может быть нарушено.

Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки напряжения в переходе, учитывающая нормативные нагрузки и нагрузки, связанные с реальной геометрией и движением транспортируемого потока.

На защиту выносятся следующие положения и основные результаты:

1.Математическая модель расчета статической составляющей напряжения в подводном переходе, учитывающая нормативные нагрузки и нагрузки, связанные с реальной геометрией и движением транспортируемого потока.

2.Методика оценки влияния условий закрепления, давления транспортируемого продукта и геометрии перехода на НДС перехода.

3.Методика оценки статической составляющей напряжения эксплуатируемых переходов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях, посвященных проблемам повышения надежности и эффективности трубопроводного транспорта, в том числе, на:

• ежегодная научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ. Ухта, 16-19 апреля, 2004.

• совещание ОАО "Газпром" по вопросам разработки, испытаний и применения оборудования для переизоляции магистральных газопроводов. Нижний Новгород, 8-9 декабря, 2005.

• ежегодная научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ. Ухта, 18-21 апреля, 2006.

• 3-ей Международной Конференции "Обслуживание и ремонт газонефтепроводов". Сочи, 2-7 октября, 2006.

Публикации.

По материалам диссертационного исследования опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и содержит 132 страницы машинописного текста, 11 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 99 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении изложена сущность технической проблемы, показаны актуальность темы и практическая ценность выполненных исследований и предложенных решений.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с фактической надежностью, реальными условиями эксплуатации, расчетом нормативных напряжений и учетом реальных условий эксплуатации при расчете подводных переходов.

К основным причинам, определяющим снижение работоспособности переходов относятся: металлургические дефекты стенки, коррозия, дефекты

строительно-монтажных работ, возможность механического воздействия и продолжительность' эксплуатации. При этом выпучивание трубы из траншеи и длина провисающих участков относятся к второстепенным дефектам, хотя часто являются причиной роста напряжений и разрушения переходов. Оценка работоспособности переходов проводится по качественным и количественным внешним показателям и их соответствию допускаемому риску. Но наиболее достоверным показателем технического состояния является максимальная величина напряжения стенки трубы и ее изменение во времени.

Статистика разрушений переходов газопроводов свидетельствует о том, что основная причина аварий - дефекты сварных швов. Это может быть связано не только с качеством сварки, но и с действием ненормативных нагрузок. Из 60 аварий, причины которых установлены с достаточной достоверностью, в 88.4 [%] случаев они происходили с переходами, незаглубленными в траншею.

Реальные условия эксплуатации переходов обусловлены взаимодействием с водным потоком и грунтом. При этом интенсивность взаимодействия и образование провисающих участков зависит не только от параметров водного потока и грунта и их изменении во времени, но и от НДС трубы, определяющего его начальную деформацию и изменение упругой линии. Исходя из этого, первым этапом оценки работоспособности переходов должен являться расчет НДС, вызванного действием сил, определяющих начальную деформацию перехода. Таким образом, снижение надежности работы перехода связано с влиянием сил, не учитываемых в процессе проектирования.

Оценка работоспособности подводных переходов и возникающих напряжений проведена в работах ВЛ.Березина, П.ПБородавкина, О.Б.Шадрина, А.М.Синюкова, К.А.Забелы, Д.Х.Кима, С.В.Кононова, В.В.Харионовского и ряда других авторов. Согласно СНиП 2.05.06-85* основные нагрузки на подводные перехода связаны с давлением и температурой транспортируемого продукта, массой трубы, продукта и грунта, гидростатическим давлением воды. Рекомендуется учитывать кольцевые а'^ и осевые <т"р компоненты напряже-

ния, вызванные транспортируемым продуктом и упругим изгибом от различных факторов, приводящим к дополнительным напряжениям. Расчет НДС материала (Е - модуль упругости Юнга, - коэффициент Пуассона, а - коэффициент линейного расширения) стенки трубы (0Внх5„) проводится по формулам

0.11 _ Р • . 2-3, '

• (1.1)

Е-ДП^-^Ч 2-А

где р — давление транспортируемого продукта; М. - температурный перепад.

Основные недостатки подхода (1.1) заключаются в предположении о том, что в реальных условиях эксплуатации выполняется условие

<><■ (1.2) Рост величины продольного напряжения, связанный с неучтенными в процессе проектирования факторами, приводит к появлению дополнительных слагаемых продольной составляющей тензора напряжения и усложнению условий нагружения. Поэтому для повышения надежности эксплуатации подводных переходов следует определить основные слагаемые, учесть их взаимодействие и ограничить суммарную величину.

Расчет нормативных напряжений в переходах, прежде всего, не учитывает нагрузки, связанные с реальной геометрией перехода и движением транспортируемого потока. Необходимость учета дополнительных сил в пространственных трубопроводах доказана в работах П.П.Бородавкина и В.В.Харионовского, однако до последнего времени этот вопрос применительно к подводным переходам не был рассмотрен.

Во второй главе проводится выбор математической модели статической деформации подводных переходов, учитывающей нормативные нагрузки и нагрузки, связанные с пространственной геометрией и движением транспортируемого продукта.

СНиП 2.05.06-85* требует расчета только двух (нормативных) компонент тензора напряжений сг"( и <т,"р (1.1). Эти компоненты являются нормальными и направленными параллельно осям 0 и Z в связанной с трубой цилиндрической системы координат (г,0,г). То есть, нормативный тензор напряжений имеет вид

Сет] =

ат сгЛ п '< 0 "

.0 <с_

(2.1)

Класс нормативных деформаций, согласно (1.1), характеризуется угловой частотой изменения НДС по полярному углу 9, равной

со0= {0у1}. (2.2)

Таким образом, в основу расчета НДС подводного перехода, соответствующего (2.2), должно быть положено соотношение, учитывающее все действующие на трубопровод силы и конструкционные особенности, - уравнение движения.

Принципиальная особенность большинства используемых уравнений движения заключается в том, что в них не учитывается весь класс деформаций (2.2) пространственной трубопроводной системы с транспортируемым потоком. Система уравнений движения пространственной трубопроводной системы с транспортируемым потоком, обобщающая класс нормативных деформаций (2.2), в статической постановке имеет вид

, (2.3)

С • у + (т, • V58 + р • Р, + N) • = /0 (5),

где б - пространственная координата, направленная вдоль оси трубопровода;. у(5) - перемещение трубопровода; п^, V - масса на единицу длины трубы и скорость транспортируемого потока; С - матрица жесткости пространственной трубопроводной системы без транспортируемого потока; - площадь внутреннего сечения трубы.

Правые части уравнений (2.3) - ff(s) и f0(s) - характеризуют "внешнюю" распределенную соответственно по внутренней и внешней поверхностям трубы нагрузку. Осевая сила N в первом уравнении системы (2.3) уравновешивает деформацию трубопровода, вызванную действием сил ff, возникающих в результате взаимодействия транспортируемого продукта и геометрических неод-нородностей конструкции перехода. Осевая сила N во втором уравнении является суммой двух осевых сил:

- осевой силы, уравновешивающей нагрузку ff (и равной осевой силе в левой части первого уравнения системы (2.3));

т осевой "следящей" нагрузки, возникающей от наличия температурного перепада и осевого смещения соседних участков трубопровода. Осевая сила N создает дополнительное напряжение

N

aN=—, (2.4)

Fr

где Fr - площадь поперечного кольца трубы. Кроме того, в пространственной трубопроводной системе сила N приводит к появлению крутящих и изгибающих моментов, также изменяющих напряжение перехода. Таким образом, в общем случае составляющие тензора напряжения перехода равны

_ п . _М.

= <*«, +

При этом модель (2.5) отличается от моделей, используемых ранее, тем, что в нем впервые учтены крутящие и изгибающие моменты, вызванные действием транспортируемого продукта (сг^, аизг, г" ).

Для вычисления напряжения с учетом реальной геометрии перехода и движения транспортируемого продукта необходимо установить переменные, определяющие условия нагружения. Для системы (2.3) эти переменные составляют пространство параметров нагружения (ППН) —

лт л 2

{Р.Рг»У,0Внх5„, —у,/„ .ЛЦЧ} = {р,рг,у} и {0Внх5н,—^} и { /0,Д1Л}, (2.6) в котором область

{Р.РгЛ} (2.7)

характеризует технологический режим, область

(2.8)

характеризует конструкцию трубопроводной системы, а область

{/0,А1,К} (2.9)

— условия эксплуатации трубопровода.

Общей для всех переходов является нагрузка, вызванная действием транспортируемого продукта. Она определяет НДС, связанное с технологическим режимом, и, следовательно, допустимый диапазон изменения НДС от внешней нагрузки (2.9). Поэтому рассмотрим воздействие именно транспортируемого потока.

Величины N и определяющие отличие (2.5) от нормативного (2.1),

вычисляются на основании решения первого уравнения системы (2.3). Таким образом, для определения реального НДС (2.5) необходимо проанализировать влияние следующих параметров

{р,0Внх5н,|^}. (2.10)

от

В третьей главе с использованием методов планирования эксперимента и регрессионного анализа проводится исследование влияния параметров нагру-жения пространства (2.10) на НДС подводных переходов.

В основу оценки влияния параметров нагружения на НДС перехода положено численное решение первого уравнения системы (2.3) для пространственной трубопроводной системы методом конечных элементов (рис.1).

26 27 28 29 30 31

61 62 63 64 65 66

40 4? 43 44 45 46 47 48 49 5 |

Упругая линия деформируемого трубопровода

Рис.¡.Конструкция подводного перехода и ее разбиение на конечные элементы.

Матрица жесткости уравнения представляется в виде суммы слагаемых, зависящих и независящих от дополнительных сил. Величина осевой силы N определяется методом последовательных приближений.

Связь между НДС перехода и влияющими параметрами представлена в виде полиномиальной модели

У = Ь0 + ЬГХ, + Ь2-Х2 + Ьз-Хз + Ь4-Х4, (3.1)

где Ьо, Ьь Ь2, Ь3, Ь4 - коэффициенты; X], Х2, Хз, Х4 - определяющие факторы, соответственно, глубина перехода Н — Хь длина перехода Б — Х2, диаметр перехода Он - Хз, давление транспортируемого продукта р - Х4.

На рис.2 представлена динамика изменения значения коэффициентов регрессии по длине перехода в процентном выражении.

Из представленных данных следует, что определяющее влияние на напряжение в переходе оказывает давление транспортируемого продукта (до 60 [%]), существенное влияние оказывает длина горизонтального участка перехода (до 40 [%]), меньше влияют диаметр и глубина (до 20 [%]).

В четвертой главе установлена форма проявления действующих на трубопровод дополнительных сил /Д-у) и N. определена степень их влияния и

влияния условий закрепления на НДС перехода.

Решение задачи проиллюстрируем на примере НДС перехода со следующими параметрами

{р = 7.0 [МПа],0720x11.3 [мм],Ь= 100 [м],8 = 60 [м],Н= 15 [м]} и и {рг = 50[кГ-м"3],у= 1.5 [м-с1]}. (4.1)

Условия закрепления (рис.3) моделировались идеальным шарнирным опирани-ем.

В результате расчетов установлено, что под действием сил /г (5) и N трубопровод переходит в положение, показанное на рис.3 пунктирной линией, то есть, происходит процесс выпучивания. Это перемещение может приводить к смещению и опрокидыванию балластировочных устройств (факт, имеющий место при эксплуатации подводных переходов).

Рис.№ 2.Динамика изменения значения регрессии по длине перехода в процентном выражении.

Рис.З.Выпучивание трубопровода на участке подводного перехода.

Таким образом, учет сил и N раскрывает один из возможных механизмов выпучивания участков подводных переходов.

Нормативное напряжение, вызванное давлением транспортируемого потока, определяется по формулам

= р. Им. = 216.01[МПа]; " 4,. (4.2)

СТпР=/^<=64.80[МПа].

Учитывая дополнительные слагаемые продольного напряжения (2.5) получаем в сечении максимального вертикального перемещения трубы между опорами

<=Р~ = 216.01[МП4

" (4.3)

0-пр = М■ < + у + °изг = 273.9[МПа].

• с

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- выпучивание подводного перехода может быть результатом действия неучтенных в процессе проектирования сил (5) и N5

- дополнительные силы /г и N могут привести к изменению отношения кольцевых и продольных компонент тензора напряжения так, что будет нарушено условие

(4-4)

принятое за основу расчета трубопроводов с дефектами. Нарушение условия (4.4) способствует развитию кольцевых разрушений трубопровода.

При оценке влияния условий балластировки рассмотрено два предельных варианта: первый — рис.3, второй - рис.1.

Рассчитанная упругая линия перехода для второго варианта показана на рис.1 пунктирной линией. В этом случае максимальные по длине величины продольной силы N (2.286 [МН]), и напряжения (90.91 [МПа]) возникают между узлами № 41 и № 51. Тогда в этом элементе компоненты напряжения равны

<=Р-%- = 216.01[МПа];

(4.5)

N

Спр = М • К + — + <У,пг = 155.71 + а,1Ж.

В узлах № 42 и № 50 напряжение изгиба аи,г и продольное напряжение сгн максимальны (оизг = 191.77 [МПа] и апр = 347.48 [МПа]), в узле № 46 - минимальны (аи1Г = 31.30 [МПа] и апр = 187.01 [МПа]).

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- условия закрепления, связанные с работой балластировочного оборудования, в значительной степени определяют напряжение и работоспособность перехода;

- возможны условия эксплуатации, в которых величина дополнительного продольного напряжения

= •тг + = Он + °,пг (4.6)

нарушает условий прочности и устойчивости (в том числе (4.4)).

В общем случае работоспособность перехода определяется не только количеством, но и расположением точек приложения сил и закрепления. Рассмотрим влияние расположения балластировочного оборудования относительно узлов № 41 и № 51 на НДС. Для этого при постоянном расстоянии (5 [м]) опор № 30 и № 62 от соответственно узлов № 31 и № 61 изменяем расстояние ("а") опор № 42 и № 50 от узлов №41 и № 51 при условиях закрепления, соответствующих рис.1 и рис.3.

Величины осевой силы N и напряжения при изменении условий закрепления и расстоянии "а" меняются незначительно, поэтому рассмотрим изменение величины максимального напряжения изгиба аИзг при изменении расстояния "а". Данная зависимость представлена на графике рис.4.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

Максимальное напряжение изгиба, [МПа]

0 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 а,[м]

Рис.№ 4.График зависимости максимального напряжения изгиба сгизг от расстояния "а":

1,2 — напряжение между узлами № 41 и № 51 при условиях

закрепления, соответствующих рис.1 и рис.3; 3,4 — напряжение около узлов № 31 и № 61 при условии закрепления, соответствующих рис.1 и рис.3.

- работоспособность балластировочного оборудования определяет напряжение не только между узлами № 41 и № 51, но и вблизи узлов № 31 и № 61, то есть, оказывает влияние на величину напряжения всей конструкции.

• нарушение условий балластировки перехода может привести:

• к превышению суммарным напряжением Опр предельного значения;

• к нарушению условия (4.4).

- приведенные на графике рис.4 зависимости позволяют определить для конкретного перехода области нарушения и соответствия нормативным условиям сохранения прочности и устойчивости трубопровода и, тем самым, позволяют определить сроки и объем ремонтно-восстановительных и ремонтно-профилактических работ.

В пятой главе проанализирована возможность экспериментального определения дополнительного напряжения, создаваемого силами и N.

Напряжение (4.6) взаимосвязано с параметрами упругой линии, поэтому проанализируем возможность определения этой величины напряжения (4.6) по измеренной геометрии упругой линии.

Амплитуды (осевой) компоненты тензора напряжения изгиба аы по данным В.А.Полякова равна

-Е 5Я-п Л'К 1Ч

где Ба и 1п — параметры упругой линии трубопровода.

Упругая линия (рис.3) перехода между узлами № 41 и № 51 делится на три участка: между узлами № 41 и опорой (участок № 1), между опорами (участок № 2), между опорой и узлом № 51 (участок № 3). В таблице № 5.1 приведены значения параметров Ба и 1„, напряжений изгиба стц и аизг, вычисленных соответственно по (5.1) и первому уравнению системы (2.3), и их отношений для этих участков.

Таблица№ 5.1.

Величины и 1п, напряжений изгиба стизг и аи и их отношений.

№ участка в., [М] 1п. [м] сизг, [МПа] а**, [МПа]

1 0.1214 24 102.18 151.94 148.7

2 0.1590 36 104.00 88.40 85.0

3 0.1214 24 91.24 151.94 166.5

Но для оценки суммарного продольного напряжения (4.3) необходимо к напряжению изгиба и нормативному напряжению добавить напряжение См, которое невозможно определить путем измерения упругой линии, поскольку соответствующие ей перемещения очень малы. Эту величину следует определять только расчетным путем.

В таблице № 5.2 приведены значения сг{'°" при различных значениях параметров пространства (4.1).

Таблица № 5.2.

Значения максимального напряжения аг?°" и параметров (4.1).

сгди" ПР » Р. 0Онх5н, ь, 8, Н,

[МПа] [МПа] [мм] [м] [м] [м]

50 2.5 0820x16.0 100 80 15

100 2.5 01420x16.0 100 40 15

150 2.5 0820x16.0 100 80 5

200 10.0 0820x16.0 100 80 15

Таким образом, оценка НДС перехода должна проводиться с учетом всех слагаемых осевого напряжения (4.3).

На рис.5 сплошной линией показана пространственная геометрия осевой линии перехода трубопровода Кожва-Вуктыл через реку Темный Вуктыл. Обе нитки данного перехода - основная и резервная — имеют открытые участки между узлами № 51 и № 61 рис.1. Величины параметров пространства нагружения равны

Рис.5.Изменение проектного положения трубопровода на участке подводного перехода.

{р = 4.0 [МПа], 0114x12 [мм], рг = 40 [кг м 3], V = 2.0 [м с1]}. (5.2)

Результаты измерения фактического положения трубопровода показаны на рис.5 пунктирной линией.

Проведенный расчет (по первому уравнению системы (2.3)) показал, что такое положение упругой линии связано с появлением связи в точке, расположенной на расстоянии 2 [м] от горизонтального участка.

Нормативное напряжение, вызванное давлением транспортируемого потока, равно

< щ 4, (5.3)

В результате проведенного расчета установлено, что осевая сила N изменяется в диапазоне от 0.0014 до 0.0031 [МН], максимальное значение напряжения стм равно

сгы =—=0.81 [МПа]. (5.4)

Рг

Максимальное значение продольного напряжения равно

сг11Р =//•<+ <ГМ + <7ШГ= 4.5 + 0.81 + 11.75 = 17.06 [МПа]. (5.5)

Хотя напряжения (5.3) и (5.5) малы, но именно наличие сил /г и N приводит к появлению открытого участка трубопровода.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1.Разработана математическая модель расчета статической составляющей напряжения в подводных переходах, учитывающая кроме нормативных нагрузок нагрузки, связанные с реальной геометрией и движением транспортируемого продукта.

2.В результате исследования разработанной модели методами планирования эксперимента и регрессионного анализа установлено, что

- определяющее влияние на статическую составляющую напряжений оказывает давление транспортируемого продукта (= 60 [%]);

- влияние диаметра трубопровода составляет приблизительно 20 [%];

тельно 20 [%].

3.В результате численного анализа модели установлено, что учет продольной силы и изгибающих моментов, связанных с реальной геометрией перехода и движением транспортируемого продукта, приводит к:

- изменению упругой линии;

- нарушению условий прочности и устойчивости;

- изменению соотношения кольцевых и продольных компонент напряжения. Этот факт может способствовать развитию кольцевых трещин.

4.Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки статической составляющей напряжения эксплуатируемых подводных переходов. При этом величины напряжений, связанных с нормативными нагрузками и продольной нагрузкой, определяются расчетным путем, а напряжения, вызванные изгибающими моментами, — на основании расчета или измерения упругой линии.

Основные положения диссертационных исследований опубликованы в следующих печатных работах.

1.Маматкулов A.A., Поляков В.А. Математическая модель статической деформации подводных переходов трубопроводов //НТС "Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт", № 1,2004. - М.: РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина, 2004 г. - с.42-47.

2.Маматкулов A.A., Поляков В.А. Математическая модель деформации переходов трубопроводов через водные преграды //НТС "Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт", № 2,2004. - М.: РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина, 2004 г. - с.13-17.

влияние пространственной геометрии перехода составляет приблизи-

\/ 24

\/ З.Малютин А.М.,Маматкулов А.А.,Поляков В.А. Применение регрессионного анализа для расчета напряжения подводного перехода, выполненного и сипользованием гнутых вставок //НТС "Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт", № 4, 2004. -М.: РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина, 2004 г. - с.49-53.

4.Маматкулов A.A.,Поляков В.А. Особенности расчета и оценки состояния открытых участков подводных переходов //Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, № 11,2005. - с.31-32.

5.Маматкулов A.A. Причина выпучивания участков подводных переходов магистральных трубопроводов //Сборник научных трудов "Материалы научно-технической конференции 17-21 апреля 2006 года". В 3-х частях. УГТУ, г. Ухта, 2006. - с.235-238.

6.Маматкулов A.A.,Поляков В.А. Выпучивание трубопровода на участке подводного перехода под действием транспортируемого потока //Доклады 3-й Международной конференции "Обслуживание и ремонт газонефтепроводов". Российская Федерация, г.Сочи, 2-7 Октября 2006 года. - М.: ИРЦ Газпром, 2006, с.211-214.

Типография ордена "Знак Почета" издательства МГУ 119992, Москва, Ленинские горы Заказ № 589 Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Маматкулов, Абдуманноп Абдугаффарович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСГИ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И МЕТОДАМ ОЦЕНКИ ИХ НДС.

1.1. Фактическая надежность подводных переходов.

1.2. Реальные условия эксплуатации» методы ремонта, появление криволинейных участков на подводных переходах.,,. .»

1.3. Математике кие модели расчета НДС подводных переходов. Нормативные нагрузки.

1.4. Учет реальных условий эксплуатации подводных переходов в математических моделях расчета

1.5. Цель и задачи работы. .„.♦.„,,,.

ГЛАВА 2, РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

РАСЧЕТА НДС ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ С УЧЕТОМ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

2.1. Выбор математической модели. ,,

2.2. Расчет компонент тензора напряжений.

2.3. Математическая модель статической деформации и НДС подводных переходов. .„

2.4. Выводы Главы 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА

НДС ПОДВОДНЫ X ПЕРЕХОДОВ.~

3-1. Планирование эксперимента и регрессионный знал in в задачах численной оценки влияния различных параметров на исследуемую величину.„

3.2i Исследование влияния длины, глубины, диаметра и давления на НДС подводного перехода. „,„„.«.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА НДС ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ. .- .,

4.1. Исследование влияния продольной силы, связанной с движением транспортируемого потока.

4.2. Исследован не вя няння уеловн й закрепления.Л ОI

4.3. Исследование влияния условий эксплуатации и геометрических параметров. . . Л

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕ' НИЯ УПРУГОЙ ЛИНИИ ПЕРЕХОДА И РАСЧЕТ НДС.- Л

5.1. Расчет НДС перехода, вызванного действием нагрузки, распределенной по внутренней поверхности трубы.*. .„.

5.2. Экспериментальная оценка изменения упругой линии н расчет НДС перехода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование напряженно-деформированного состояния подводных переходов магистральных трубопроводов с учетом условий эксплуатации"

Одним кз наименее надежных элементов системы маг моральных трубопроводов являются переходы через естественные препятствия, в частности, водные преграды.

Несмотря на наличие резервных ниток, регулярное обследование и все возрастающий объем ремонта о-восстановится ьных н ремонта о-профилактнческнх работ эксплуатация переходов сопровождается большим количеством аварийных ситуаций, связанных с изменение русла, выпучиванием трубопровода из траншей, механическими повреждениями, неэффективной работой прнгрузов и так далее.

Такая ситуация связана с тем, что на переход действует комплекс статических и динамических сил, численные характеристики которых в процессе проектирования полностью не всегда известны- Причем появление этих сил часто носит случайный характер и не может быть предсказано -заранее. То есть, каждый переход эксплуатируется в индивидуальных условиях, определяемых набором и интенсивностью действующих на него нагрузок.

Повышение надежности работы переходов должно, прежде всего, быть связано с оценкой всех действующих нагрузок и воззванного ими напряженно-деформированного состояния (НДС) материала стенки трубы. Именно расчет напряжений в переходе и является основой для определения работоспособности перехода.

Между тем. н настоящее время при проектировании переходов трубопроводов не учитывается ряд факторов, непосредственно определяющих НДС перехода, - реальная пространственная геометрия перехода и влияние осевых сил, связанных с движением транспортируемого потока по криволинейной траектории- Пренебрежение этими факторами вносит непредсказуемую погрешность в результаты проектных расчетов н, следовательно, снижает эффектна-ность эксплуатации переходов.

Реальная величина дейстнующнх на переход нагрузок определяет его техническое состояние в текущий момент и проявляется в форме упругой лнннн трубопровода. Поэтому в данной работе анализируется взаимосвязь параметров упругой ливни перехода и действующих на него статических нагрузок. При этом интерес представляет как прямая задана — расчет параметров упругой ли-нни по заданным условиям эксплуатации, так и обратная - оценка напряжения трубопровода по геометрии его упругой линии.

При этом принцип нальным является вопрос о том* насколько используемые при проектировании переходов математические модели отражают процессы. обеспечивающие н сопровождающие технологический режим трубопроводного транспорта, поскольку пренебрежение отдельными факторами может привести к необоснованно высокой оценке других. Поэтому начальным этапом исследования должна быть оценка влияния различных нагрузок на изменение упругой линии трубопровода на участке перехода.

Используемые а работе термины и определения, обозначения и единицы измерен ня соответствуют [10,16,40,41 ].

Основные положения работы опубликованы в [34+39] и представлены на:

1.Ежегодная научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ. Ухта. 16-19 апреля, 2004.

2.Совещание ОАО "Газпром" по вопросам разработки, испытаний и применения оборудования для переизоляции магистральных газопроводов. Нижний Новгород, 8-9 декабря ,2005.

3.Ежегодная научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ. Ухта, 18-21 апреля, 2006,

4.3-ая Международная конференция "Обслуживание и ремонт газонефтепроводов". Сочи, 2-7 октября, 2006.

ГЛАВА ] ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ НО ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСТИ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И МЕТОДАМ ОЦЕНКИ ИХ НДС.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Маматкулов, Абдуманноп Абдугаффарович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I .Разработана математическая модель расчета статической составляющей напряженна в подводных переходах, учитывающая кроме нормативных нагрузок нагрузки, связанные с реальной геометрией и движением транспортируемого продукта,

2,В результате исследования разработанной модели методами планирования зкспернме1ста и регрессионного анализа установлено, что

- определяющее влияние на статическую составляющую напряжений оказывает давление транспортируемого продукта (ч 60 {%]);

- влияние диаметра трубопровода составляет приблизительно 20 [%];

- влияние пространственной геометрии перехода составляет приблизительно 20 [Ув).

3,В результате численного анализа модели установлено, что учет продольной силы н изгибающих моментов, связанных с реальной геометрией перехода и движением транспортируемого продукта, приводит к:

- изменению упругой линии;

- нарушению условий прочности и устойчивости;

- изменению соотношения кольцевых и продольных компонент напряжения. Этот факт может способствовать развитию кольцевых трещин.

4,Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки статической составляющей напряжения эксплуатируемых подводных переходов, Прн этом величины напряжений, связанных с нормативными нагрузками и продольной нагрузкой, определяются расчетным путем, а напряжения, вызванные изгибающими моментами, - на основании расчета или измерения упругой линии.

124

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Маматкулов, Абдуманноп Абдугаффарович, Москва

1.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. -М: Недра, 1991. — 287 с.

2. Бабин Л-А.Быков Л-И.,Волохов В.Я Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. -М-; Недра, 1979. 176 с,

3. Бате К.Внлсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. -М,: Стройнэдат, 1982. 448 с.

4. Бердичсвский В.Л. Вариационно-асимптотический метод построения теории оболочек н стержней, Автореферат дне.докт.ф.-м.наук. -М., 1981. -45 с.

5. Бородавкнн П.П- Подземные трубопроводы, -М.г Недра, 1973, 304 с.

6. Бородавкин П,П.,Береэин В,Л. Сооружение магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1987. 472 с.7, Бородавкин Л.П.,Березин В. Л „Шадрин О. Б. Подводные трубопроводы. -М-; Недры, 1979.-415 с.

7. В.Бородавкин ПЛ., К им Б.И. Охрана окружающей среды при строительстве н эксплуатации магистральных трубопроводов- -М; Недра. 1981160 с.9,Бородавкин П.П.,Синюков А.М. Прочность магистральных трубопроводов. -М-: Недра, 1984, 245 с.

8. Бурдун Г.Д. Справочник по Международной системе единиц. -М.: Издательство стандартов, 1977, 232 с.

9. П.Бутусов Д.С. Исследование пульсации потока в технологических трубопроводах компрессорных станций магистральных газопроводов. Автореферат дне.канд.техн.наук. -М„ 2000. 21 с.

10. Васин Е.С. Опенка технического состояния магистральных нефтепроводов по результатам диагностического контроля //ТТН, 1996, № 4. с.2б.

11. ВсселовскиЙ Р. А,,Значков Ю.К,,Забела К, А. Ремонт нефтепроводов с помощью клеев. -М.: ВНИИОЭНГ, 1975.

12. Н.Васнленко C.C Исследование работы центробежных насосов магистральных нефтепроводов в режимах малых подач. Автореферат лис, канд,техн.наук, -М., 2000, 18 с.15,Гернипейн М.С. Динамика магистральных трубопроводов, -М.: Недра, 1992.-283 с,

13. Иваниов 0-М, Надежность н безопасность магистральных трубопроводов России /«ТГН, 1997, № 10. с.2б.

14. Нванцов О.М.Дарионйвскнй В,В,,Черннй В.П. Сопоставление методик расчета магистральных трубопроводов по нормам России, США, Канады и европейских стран. М-: ИРЦ Газпром, 1996. - 51 с.

15. Ильюшин А.А. Механика сплошной среды. -М,; Изд-во Моск. ун-та, 1978.-287 с.

16. Ингульцов С.В. Собственные и вынужденные колебания разветвленных трубопроводных систем энергетических установок. Автореферат дне.канд.техн.наук. Харьков, 1981. - 21 с.

17. Инструкция по ликвидации аварий и повреждений на магистральныхнефтепроводах, РД 39-110-91, Мнннефтепром СССР,

18. Инструкиня по обследованию технического состояния подводных переходов магистральных трубопроводов. РД 39,30- 1060-84. Миннефтсгвз-пром СССР.

19. Инструкция по проведению диагностического обследования (паспортизации) надземных технологических трубопроводов обвязок нагнетателей ГПЛ. -М-: ОАО "Газпром", 2000 г. 57 с.

20. К им ДХ.,Кононов С.В.,Скнбо В, и др. Опенка надежности подводных переходов магистральных нефтепроводов //ТТН, 1997, № 12. с.15-19.

21. Кирнос В.И.,Сабитов В.Я.,Сабиров У.Н. Особенности ликвидации аварий на подводных переходах в зимних условиях //ТТН. 1999, № 4, с.12-17.

22. Колтунов МА,Васильев ЮЛ.,Черных В.А- Упругость и прочность цилиндрических тел, -М: Высш. школа, 1975, 526 с.

23. Курганова И.Н., Окопный Ю.А.Т Радии В.М. Устойчивость и закрнти-чсскне деформации подземного газопровода //Проблемы ресурса газопроводных конструкций //ВНИИГАЗ. М 1995. - с.73-83.

24. Лышенко Л.З.,Бисярнна О.М. Технические средства ремонта подводных нефтепроводов, -М.: ВНИИОЭНГ, 1986. -45 с.

25. Маматкулов А,А, Причина выпучивания участков подводных переходов магистральных трубопроводов /-'Сборник научных трудов "Материалы научно-технической конференции 17-21 апреля 2006 года"- В 3-х частях, УГТУ, г. Ухта, 2006. с.235-238.

26. Мстодическне рекомендации по оценке работоспособности трубопроводов с дефектами овализацни. -М-: ВНИИГАЗ, 1996. 34 с.

27. Методическне рекомендации по расчетам конструктивной надежности магистральных газопроводов. -М.: ИРЦ Газпром, 1997. . 26 с.

28. Нестеров И.М. О новых трубах и не только //ТТН, 2006, № 5. с.24

29. Нормы вибрации трубопроводов технологического газа КС с поршневыми газоперекачивающими агрегататми. -М.; ВНИИГАЗ, 1993.

30. Нормы вибрации трубопроводов технологического газа компрессорных станций с центробежными нагнетателями, -М,: Мин Газпром, 1985.

31. Нормы вибрации трубопроводов технологического газа КС с центробежными нагнетателями. -М: ВНИИГАЗ, 1994.

32. Нормы пульсации давления технологического газа в трубопроводах компрессорных станций с полнонапорнымн центробежными нагнетателями. -М.: ВНИИГАЗ, 1993.

33. Овчинников В.Ф. Математическое моделирование динамики пространственных трубопроводных систем. Автореферат дис.докт.техн.наук, -Нижний Новгород, 2002. 36 с.

34. Рекомендации по оценке несущей способности участков газопроводов в нспроектном положении /В.В.Харионовскнй н др. -М,; ВНИИГАЗ, 1986. 44 с,

35. Руководство по анализу результатов вкутрнтрубной инспекции и оценка опасности дефектов, ВРД 39-1.10-001-99. -М.: ОАО "Газпром", 1999 Г.- 17 с,

36. Сегерлннд Л, Применение метода конечных элементов, -М.: Мир, 1979.-392 с.

37. Седов Л Л, Механика сплошной среды. T.L -М.: Наука, 1976. 536 с.

38. Сгронтельные нормы и правила (СНиП) 2.05.06-85, Магистральные трубопроводы /Госстрой СССР. -М.; ЦИТП Госстроя СССР, 1985, 52 с.

39. Стронтсльные нормы и правила (СНиП) 2.05.06-85". Магистральные трубопроводы /Минстрой России. -М.: ИУП ЦПП, 1997. 60 с.

40. Тимошенко С.ГЦудъер Дж. Теории упругости, -М.: Наука, 1979. -560 с,

41. Талоконников Л .А. Механика деформируемого твердого тела. -М.; Высш. школа, 1979. 318 с.

42. Федоровнч ЕД,Фокин Б.С.Аксельрод А.Ф.гГольдберг Е.Н. Вибрации элементов оборудования ЯЭУ. -М.: Эиергоатомиздат, 1 989. 168 с.

43. Феодосьсв В Н. Сопротивление материалов. -М.: Наука, 1986. 512 с.71,Харионовскнй В,В, Надежность и ресурс газопроводов. -М.: ОАО "Издательство "Недра", 2000. 467 с,

44. Харионовский В В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях, -л.: Недра, 1990. 180 с.

45. Чсрняев В.Д.,Забела К.А,.Москвич В.М. Оптимизация затрат на информационное обеспечение ТОР подводных переходов магистральных нефтепроводов //ТТН, 1997, № 10. с,4.

46. Якубович В.А.,Старжинский В.А. Параметрический резонанс в линейных системах. -М.: Наука, 1987. 328 с,

47. American National Standard, ANSI B3t.t, Power Piping Code, 1986,

48. Amencan NaHonal Standard. ASME/ANSI B31.4-92, Liquid Transportation Systems for Hydrocarbons, Liquid Petroleum Gas, Anhydrous Ammonia and Alcohols.

49. American National Standard. ASME/ANSI B31,8-92. Gas Transmission and Distribution Piping Systems.

50. Amcrican National Standard, ASME B31G, Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines: A Supplement to B31, Code for Pressure Piping.

51. Bntish Standard. BS 8010. Code of Practice for Pipelines, 1993,

52. British Standard. BS 2010: Part 2: Pipelines. Design and Construction of Steel Pipelines in Land.

53. Canadian Standard, CAN/CSA-ZI83, Oil Pipe Transportation Systems,

54. Canadian Standard. CAN/CSA-2184. Gas Pipeline Systems. Pipeline Systems and Materials,

55. Dct Norske Veritas: DnV Rules for Submarine Pipeline Systems, 1996,

56. Dcutsche Normen, DIN 2413, Stablrohre, Bcrcchnung dcr Wanddicke gegen Innendmck.

57. Dcutsclie Normen, DIN 2470, Teil 2. Gasleitungen aus Stahlrohren mil zul. Betncbsdrucken von mchr als bar. Anforderungcn an die Robtcitungsieile,

58. Deutsche Normen. DIN 2470. Teil 2. Gasleitungen aus Stahlrohren mit zul. Betriebsdrucken von rnehr als bar. Anforderungen an die Rohleitungsteile

59. Fricdmann Y, "Sea-botton forces crucial in pipeline crossings design" //OGJ, June 27,1988 (Vol.86, No.26), pp.47-50,52-53.1. An)

60. Fynleiv 0„Mork 1С+СЬегЫапТЙ ^rfidsen F.G. Оттеп Langc HTHP lessons prompt design, standard adjustments //OGJ, Mar. 13,2006. p.62-64,

61. Konvisar E. Software to Diagnose 'Stressed Out' Pipeline //Oil&Gas Eurasia, February, 2006, p.50-59.99"Recommendated Practice: Free-spanning Pipelines", DNV-RP-F105, March 2002.