Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором"

На правах рукописи

НЕРОДЕНКО Дмитрий Григорьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ УЧАСТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ТРУБОПРОВОДА С КОМПЕНСАТОРОМ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ 2 8 ноя 2013

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540800

Тюмень 2013

005540800

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научный руководитель: Сызранцев Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты: Степанов Олег Андреевич

доктор технических наук, профессор ТюмГАСУ, г. Тюмень, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»

Тарасенко Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор ТюмГНГУ, г. Тюмень, профессор кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов»

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью

«ТюменНИИгипрогаз», г. Тюмень

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 года в II30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 в Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотечно-издательском комплексе ТюмГНГУ по адресу г. Тюмень, ул. Мелышкайте, 72. (www.tsogu.ru)

Автореферат разослан «23» ноября 2013 года.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета

Торопов Сергей Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Согласно статистике ежегодно происходит около 40 тысяч аварий и разрушений технологических трубопроводов в результате, которых гибнут люди, наносится большой экологический урон природе и теряется около 0,05% всех извлекаемых запасов нефти и газа.

Результаты расчетов департамента научно-исследовательских работ группы компаний «Городской центр экспертиз», свидетельствуют, что около 40% аварий и разрушений могло быть предотвращено, если бы существовала возможность провести полноценный и своевременный анализ имеющейся информации о состоянии трубопроводов.

Основными причинами возникновения разрушений и аварий являются: 1) коррозия (около 25%); 2) перепады давления (около 23%); 3) вибрации (около 20%); 4) осадка фундамента под опорой трубопровода и гидроудары (около 17%); 5) природные явления (около 8%); 6) прочие, в том числе, повреждения, вызванные непродуманными действиями третьей стороны вблизи местоположения трубопровода (около 7 %).

Кроме того большому количеству аварий и разрушений способствуют: 1) постоянное увеличение протяженности технологических трубопроводов; 2) расширение границ добычи нефти и газа в районах со сложными климатическими условиями (вечная мерзлота, сейсмоопасные районы, горная местность и пр.); 3) доля технологических трубопроводов старше 30 лет составляет не менее 40% от общего числа.

Из вышеотмеченного можно сделать вывод, что существующая нормативно техническая документация нуждается в совершенствовании. В частности - РТМ 38.001-94 «Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов» не учитывают реальные законы распределения случайных действующих нагрузок и свойств трубных сталей.

Разработка методики оценки прочностной надежности технологических трубопроводов сложной геометрической формы на основе методов непараметрической статистики является актуальной проблемой науки и практики.

В решение проблем прочности трубопроводов внесли отечественные ученые Алешин Н.П., Бородавкин П.П., Васин Е.С., Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Зайнулин P.C., Иванцов О.М., Карзов Г.П., Котляревский В.А., Куркин С.А., Лисин Ю.В., Мазур И.И., Махутов H.A., Молдаванов О.И., Пашков Ю.И., Пермяков В.Н., Новоселов В.В., Голофаст С.Л., Сызранцев В.Н., Фокин М.Ф., Харионовский В.В., Шумайлов A.C., Ямалеев K.M. и др. В то же время методы расчета прочностной надежности участков технологических трубопроводов с компенсаторами отсутствуют.

Цель работы. Разработать методику оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором на основе применения методов непараметрической статистики и результатов расчета трубопровода на прочность и жесткость выполняемых методом конечных элементов.

Для достижения поставленной цели, в работе поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать подход к оценке прочностной надежности трубопровода на основе статистической обработки результатов численных, выполненных методом конечных элементов, экспериментов, конечным результатом которой является определение вероятности безотказной работы всех «опасных» точек участка трубопровода с компенсатором.

2. Предложить и обосновать расчетные схемы и алгоритмы для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в программном комплексе, позволяющие определить «опасные» участки трубопровода и «опасные» точки компенсатора трубопровода.

3. Провести численные эксперименты для оценки влияния на НДС участка трубопровода с компенсатором различных видов нагрузок, с целью определения целесообразности их рассмотрения при оценке прочностной надежности трубопровода.

4. На основе планирования численного эксперимента для «опасных» точек определить математические зависимости возникающих напряжений от давления и температуры.

Объект исследования: участок технологического трубопровода с компенсатором.

Предмет исследования: методы расчета прочностной надежности участка трубопровода с компенсатором.

Методы исследования. При исследовании использовались методы непараметрической статистики, аналитический метод, метод конечных элементов, метод планирования эксперимента.

Научная новизна диссертационного исследования определяется разработанным подходом оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором включающим:

планирование двухфакторного (давление и температура) трехуровнего эксперимента;

расчет методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния П-образного компенсатора в точках плана эксперимента;

- для каждого расчета определение «опасной» (по величине возникающего напряжения) точки компенсатора и по результатам расчета всех точек плана эксперимента формирование совокупности действующих напряжений в каждой «опасной» точке;

- определение для каждой «опасной» точки компенсатора регрессионных зависимостей действующих напряжений от давления и температуры трубопровода;

- используя фактические выборки давления и температуры по регрессионным зависимостям, определение выборки возникающих в трубопроводе напряжений, статистические данные по предельным напряжениям, расчет методами непараметрической статистики вероятности безотказной работы компенсатора или вероятности его отказа.

Практическая значимость:

1. Разработана методика расчета вероятности безотказной работы или вероятности отказа П-образного компенсатора по результатам фактических значений давления и температуры технологического трубопровода, зафиксированных в течение определенного периода его эксплуатации.

2. Для конкретных размеров П-образного компенсатора получены регрессионные зависимости по расчету напряжений в его «опасных» точках, позволяющие выполнять оценку прочностной надежности компенсатора независимо от сложности законов распределения случайных величин давления и температуры участка трубопровода.

3. Предложена процедура определения регрессионных зависимостей для «опасных» точек П-образного компенсатора, включающая планирование эксперимента и выполнение конечного числа численных расчетов напряженно-деформированного состояния П-образного компенсатора участка трубопровода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Подход к оценке прочностной надежности трубопровода с помощью методов непараметрической статистики на основе результатов выполненных серий численных двухфакторных экспериментов проводимых методом конечных элементов.

2. Полученные аппроксимирующие зависимости возникающих напряжений от давления и температуры для каждой «опасной» точки компенсатора.

3. Алгоритмы выполнения расчетов и расчетные схемы для определения НДС трубопровода и их «опасных» участков методом конечных элементов, используемые в численных экспериментах.

4. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния на НДС участков трубопровода с компенсатором силовых и температурных нагрузок, нагрузок, возникающих из-за осадок фундаментов опор.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались департаментом ПИР ОАО «СибНАЦ» в проекте «Обустройство Среднеботуобинского НГКМ». Предложенные алгоритмы расчета и расчетные схемы для оценки НДС трубопроводов используются при подготовке студентов специальности 130602 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов».

Апробация научных положений и результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались на всероссийской научно-

технической конференции с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007г.), 4-ой Российской научно-технической конференции «Компьютерный инженерный анализ» (г. Екатеринбург, 2007г.), IV международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (г. Тюмень, 2008), межрегиональной научно-технической конференции с международным участием, посвященной 45-летию индустриального института и 10-летию кафедры «Ремонт и восстановление скважин» (г. Тюмень, 2008), 4-й Российской научно-технической конференции «Компьютерный инженерный анализ» (г. Челябинск, 2008), «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе пять в изданиях из списка ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы содержащего 63 источника и 7 приложений. Материал работы изложен на 125 страницах машинописного текста, содержащего 39 рисунков и 12 таблиц.

Работа соответствует паспорту специальности 25.00.19, а именно: пункту 1 «Напряженное состояние и взаимодействие с окружающей средой трубопроводов, резервуаров и оборудования при различных условиях эксплуатации с целью разработки научных основ и методов прочностного, гидравлического и теплового расчетов нефтегазопроводов и газонефтехранилищ», пункту 4 «Разработка теории конструктивной и системной надежности нефтегазопроводных систем, в том числе для сложных климатических условий».

Содержание работы.

Во введении диссертационной работы обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика состояния проблемы, поставлены цель и основные задачи исследования, сформулированы научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен критическому анализу существующих методик расчета трубопроводов на статическую, динамическую и длительную прочность. Описаны подходы к решению поставленных задач.

Второй раздел посвящен алгоритмам расчета на прочность трубопроводов и их элементов. В разделе выполнена верификация программного комплекса ANSYS применительно к задачам исследования на примере задачи Ламе о длинном толстостенном цилиндре под воздействием внутреннего и внешнего давления.

Расчет трубопровода в КЭП состоит из двух этапов: 1) определение НДС всего трубопровода для выявления «опасных» участков на нем; 2) определение НДС «опасного» участка для выявления точек концентраторов напряжения на нем.

Причина деления на этапы кроется в детализации решаемой задачи, точности расчетов и продолжительности расчета по времени.

Рассмотрены и проанализированы различные подходы к оценке НДС трубопровода в целом для определения его «опасных» участков. На основе рассмотренных подходов сделан вывод о том, что наиболее универсальным является использование метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе ANS YS. Показано, что данный подход за счет своей простоты является наиболее удобным для практической реализации при выполнении инженерных расчетов.

Расчетная схема для определения «опасных» участков трубопровода приведена на рисунке 1. Результат расчета показан на рисунке 2, из которого видно, что опасным участком по критерию прочности является П-образный компенсатор.

Предложенный алгоритм расчета «опасных» участков трубопровода с использованием трехмерных геометрических моделей, импортируемых из CAD систем, позволяет выполнить анализ НДС «опасных» участков трубопровода методом конечных элементов с определением «опасных» точек, определяющих его прочностную надежность.

Тетерапцро рабочей среды'Уз?

В трубопроводе ЮМПо

Жесткое

Рисунок 1. Расчетная схема 1\2 Рисунок 2. Эквивалентные

части трубопровода для напряжения на «опасном» участке

определения «опасных» участков трубопровода

Основными этапами алгоритма расчета являются:

1) Определение типов «опасных» участков трубопровода.

2) Построение твердотельной трехмерной модели «опасного» участка и сохранение её в одном из рекомендованных форматов ANSYS Connection Products. Импортирование, созданной геометрической твердотельной модели в программный комплекс ANS YS.

3) Построение конечноэлементной модели на основе импортированной геометрии: определение типа элемента, задание свойств материала трубопровода (модуль упругости материала, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного расширения). Генерация конечноэлементной сетки. Задание граничных условий: условий симметрии и нагрузок, воспринимаемых «опасным» участком трубопровода (расчетная схема 1/4 части П-образного компенсатора представлена на рисунке 3).

4) Решение задачи и анализ полученных результатов (рисунок 4).

Для определения погрешности построения конечноэлементных моделей «опасных» участков трубопроводов использован количественный способ оценки погрешностей, обусловленных построением конечноэлементной модели. Практическая реализация предложенных в разделе алгоритмов рассмотрена на примере участка трубопровода с двумя П-образными компенсаторами температурных деформаций (рисунок 5).

Рассмотренный пример подтверждает применимость предложенных алгоритмов расчета и расчетных схем для практической реализации при оценке прочности трубопроводов.

Рисунок 3. Расчетная схема 1/4 части П-образного компенсатора

Рисунок 4. Поле распределение эквивалентных напряжений в П-образном компенсаторе

Конец участка

Рисунок 5. Расчетная схема трубопровода Третий раздел посвящен исследованию влияния на НДС трубопровода в целом и его «опасных» участков температурных нагрузок, а так же влияния осадок фундаментов опор трубопровода. Рассмотрена общая методика проведения термопрочностных расчетов в программном комплексе

Расчетная схема термопрочностной задачи для всего трубопровода приведена на рисунке 6 и отражает как механические, так и тепловые нагрузки, приложенные к трубопроводу. Результат расчета термопрочностной задачи для всего трубопровода приведен на рисунке 7.

Жесткое закрепление Тенперптцра рабочей

Рисунок 6. Расчетная схема 1\2 части трубопровода с учетом температурных нагрузок

Рисунок 7. Поле распределения эквивалентных напряжений в П-образном компенсаторе

Для определения НДС «опасных» участков трубопровода с учетом температурных нагрузок решалась тепловая задача, позволившая определить распределение поля температур в «опасном» участке. Алгоритм выполнения расчета тепловой задачи можно записать в следующем виде:

1) Построение твердотельной трехмерной модели «опасного» участка.

2) Импортирование, созданной геометрической твердотельной модели через ANSYS Connection Products в программный комплекс ANSYS.

3) Построение конечноэлементной модели: определение типа элемента, задание свойств материала трубопровода, необходимых для решения тепловой задачи — коэффициент линейного расширения и коэффициент теплопроводности. Генерация конечноэлементной сетки.

4) Задание граничных условий: а) конвективный теплообмен внутренней и наружной поверхностей трубопровода с рабочей и окружающей средами; б) на границах «опасного» участка трубопровода и при использовании условий симметрии на данных поверхностях выход тепла равен нулю (расчетная схема компенсатора приведена на рисунке 8).

5) Решение задачи.

Результатом решения тепловой задачи является поле распределения температур в материале опасного участка (рисунок 9).

Отсутстбие тлоВого потока ЯсопЫ

Рисунок 8. Расчетная схема 1/4 части П-образного компенсатора теплового анализа

Рисунок 9. Поле распределения температур в 1/4 части П-образного компенсатора

После тепловой решается совместная термопрочностная задача, одним из граничных условий при решении которой является поле распределения температур, полученное при проведении теплового анализа. Результаты решения этой задачи показаны на рисунке 11.

Вн

Рисунок 11. Поле распределения эквивалентных напряжений в модели компенсатора с учетом температурных нагрузок

Запрещено,е перемещенои Шпь осо трубопроЫа /

Рисунок 10. Расчетная схема 1/4 части П-образного компенсатора термопрочностного анализа с учетом температурных деформаций

Установлено, что температурные нагрузки приводят к незначительному перераспределению напряжений в трубопроводе и его «опасных» участках, но увеличивают амплитуду напряжений на 7%, поэтому их следует учитывать при оценке прочностной надежности трубопровода.

Для определения степени влияния на НДС трубопровода нагрузок, возникающих при осадке фундаментов опор трубопровода, были предложены расчетные схемы (рисунки 12 и 13) и выполнены две серии расчетных экспериментов при локализации осадки фундамента опоры вблизи «опасного» участка и на удалении от него.

Данные, полученные в ходе расчетных экспериментов, свидетельствуют о том, что осадка фундамента под опорой трубопровода оказывает значительное влияние на его НДС при ее локализации вблизи «опасного» участка, и сводиться к минимуму при удалении от него.

Четвертый раздел посвящен методике определения прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором методами непараметрической статистики на основе спланированной серии численных экспериментов.

Оценка прочностной надежности изделия, как на этапе его проектирования, так и эксплуатации, заключается в определении вероятности безотказной работы (Я) путем решения следующего уравнения:

где у = э—сг- разность двух независимых случайных величин « и ст; а -напряжение, возникающее в исследуемой точке под действием внешних факторов (давление и др.); 5 - величина предельных (допускаемых)

Рисунок 12. Расчетная схема 1\2 части трубопровода при исследовании осадки опоры вблизи «опасного» участка

Рисунок 13. Расчетная схема 1\2

части трубопровода при исследовании осадки опоры на удалении от «опасного» участка

Я = Рт{у>0),

(1)

напряжений, при достижении которой происходит разрушение материала (статистическая, мало- или много цикловая усталость).

Решение уравнения (1) требует знания законов распределения случайных величин а и 5. Известно, что исчерпывающей характеристикой закона распределения случайной величины является ее плотность. Поэтому восстановление плотности распределения вероятности а и 5 на основе либо выполненных экспериментальных исследований или данных компьютерного моделирования является принципиальной задачей, от корректного решения которой зависит достоверность результатов оценки прочностной надежности изделия.

На примере участка трубопровода с компенсатором, рассмотренного в предыдущих главах, изложена разработанная методика оценки его прочностной надежности. Блок-схема методики отражена на рисунке 14.

На первом этапе решения задачи, воспользовавшись фактическими значениями величин давлений р.,1 = уп и температуры = зафиксированные за определенный период времени эксплуатации трубопровода, методами непараметрической статистики,

восстанавливаются функции плотности распределения вероятности давления и температуры, на основе которых осуществляется настройка непараметрических датчиков случайных величин р и/,и рассчитываются для них выборки р„, л = цу, где N - число реализаций. Предельные напряжения 5, в общем случае, заданы выборкой, на основе которой также методами непараметрической статистики восстанавливается функция плотности распределения ее вероятности (рисунок 14).

В отличие от линейной части трубопровода, для которой выборка величины сти, и = 1, УУ легко рассчитывается на основе значений р„, /„ и = ¡757 по аналитическим выражениям, для компенсатора подобные зависимости, учитывающие его напряженно деформированное состояние в результате воздействия температуры и давления, отсутствуют. Более того, открытым остается вопрос и определения «опасных» точек компенсатора, в которых под действием р и / возникают напряжения, определяющие прочностную надежность компенсатора в целом.

Запись изменения давления за год

Функция плотности

распределения давления,

восстановленная

непараметрическими методами

0.32

0.24

0.16 ' 1 п

0.08

и 95 9.6 9.7 9.8 9.9 10

и. ,\Ша

Непараметрический датчик давлений

Р„

Запись изменения Выборка предльных

температуры за год напряжении

О О

Функция плотности распределения температуры, восстановленная непараметрическими методами 0.24...............1

/,(/) 0.18 0.12

0.06 о

16 24 32 <т,МПа

О

Непараметрический датчик температуры

Г*

Функция плотности распределения предельных напряжений материала

0.041—

0.03

ш

А

415 427.5 440 452.5 465 477.5 450 о,МП1

«Л,ы I, К )

Пределы шменения давления р™, рт

Пределы изменения температуры

Совокупность величин (Г™ ,т = 1М

-О

Определение для каждой точки ш

зависимостей (7™ = СГу (р,?) (2) с помощью полиномиальной функции

(3)

Матрица параметров компьютерного эксперимента

Р1Д1 Р1Л2 Р1Дз

P2.ll Р2Л2 Р2ДЗ

Рз, ^ РэДз РзДз

О

Расчет (прир^ ¡=1,...3,]=1,...3) напряженно-деформированного состояния детали и определение при каждом расчете точки т с максимальным напряжением С™

Генерирование ( рп,Ьп ) для каждой точки т выборки гг™ ,п=1,К на основе которой с помощью оценок Парзена-Розенблатта получим функцию в виде:

1

л ■ Яц 1-1

к

•а

Определение средитточекдетали точку с минимальной надежностью к Оценка надежности для каждой точки т о(о[™ Кп "( Ки ( к'- ]] ^

Рисунок 14. Блок-схема подхода к оценке прочностной надежности

трубопровода

Принимая вышеизложенное во внимание, для расчета вероятности безотказной работы компенсатора трубопровода, используем процедуру,

основанную на обработке результатов компьютерного эксперимента, конечной целью которого является получение для «ш» точек трубопровода (опасных по критерию прочности) регрессионных зависимостей вида: aim) =cr(m\p,t),m = ЬМ (2).

Зависимости (2) предложено определять путем обработки результатов спланированного двухфакторного (первый фактор — давление, второй - температура), трехуровнего эксперимента, значения функции отклика которого (2) в каждой точке плана эксперимента устанавливается на основе данных расчета НДС компенсатора МКЭ в соответствии с вышеизложенными алгоритмами.

В работе функция (2) описана в виде полинома второй степени, для расчета неизвестных значений коэффициентов которого достаточно выполнить, в соответствии с планом эксперимента, девять расчетов. В каждом расчете определяется точка компенсатора, имеющая максимальную величину напряжения, в дальнейшем считающаяся «опасной». В результате проведения девяти расчетов для каждой «опасной» точки фиксируются девять значений возникающих в ней напряжений, на основе которых решается задача (2). В качестве примера, функция (2) для первых трех из девяти «опасных» точек, описывается выражениями:

сг(1) = 423 + 43~р + 52,5/ - 0,5/2 + 0,25~pt - 0,25Тр2 - 0,25/2 р + 0,25/2~р2, ст(2) =429-37/7 + 73/,

<т(3) = 322 - 39,5/? + 50? + 0,5~р2 - 0,25^7 - 0,25Тр1 + ^

+ 0,25~t2~p + 0,25l2p2,

где р и / , - величины р и / в безразмерном виде.

Имея выборкир„, t„ n = \ji, по формулам (3) для любой «опасной» точки «ш» рассчитывается выборка напряжений ап,п = \,Ы.

Как показано в работах В.Н. Сызранцева, В.В. Новоселова, С.Л.Голофаста, фактические законы распределения о для линейной части газопроводов нормальным распределением не описываются, в этом случае, требуемая для решения задачи (1), функция плотности распределения

может быть восстановлена непараметрическими методами,

например, на основе оценок Парзена-Розенблатта, в соответствии с которыми / (&) представляется в виде ряда:

г \

, , . 1 Л „ а - сг -

"■"п 1=1 ^ "л ^ (4)

где АТ(7) - ядерная функция, й*- оптимальное значение параметра размытости.

Аналогичным образом, на основе выборки предельных напряжений Бк,к = 1 ,т, описывается их функция плотности/^„(5):

m-hmk=i { h.

s-4

(5)

В качестве примера, на рисунке 15 показаны функции/ап(о) и для самой «опасной» точки исследуемого компенсатора трубопровода.

Используя зависимости (4) и (5), выражение (1) для расчета вероятности безотказной работы трубопровода записывается в виде:

1

т-К к=1

i + CT-Jj

"•«я ¡=1

ds

(6)

Вероятность безотказной работы участка трубопровода с компенсатором в целом определяется той «опасной» точкой, в которой рассчитанная по формуле (6), величина Я является минимальной.

/Нет) 009

/;О) 0CS

п

А

\ *

/VI ■»««А*

360 3S3 400 420 440 460 ISO 300

СТ.МПа

Рисунок 15. Функции fa (а) и /,(.?) для самой «опасной» точки (R = 0,95211) Основные результаты и выводы по работе: 1. Обоснованы расчетные схемы и алгоритмы, позволяющие в результате оценки напряженно-деформированного состояния участка

трубопровода с компенсатором установить для него «опасные», с позиций прочности, точки.

2. Выполненные численные эксперименты по расчету НДС участка трубопровода с компенсатором показали, что при максимальной величине давления в трубопроводе максимальный перепад температуры окружающей и транспортируемой сред приводит к увеличению возникающих в «опасных» точках компенсатора напряжений на 7%, осадка фундамента под опорой трубопровода вблизи компенсатора также увеличивает возникающие напряжения на 7%.

3. Спланирован двухфакторный трехуровневый эксперимент по расчету НДС компенсатора трубопровода, в результате реализации которого для всех «опасных» точек компенсатора установлены регрессионные зависимости возникающих напряжений от давления и температуры.

4. Разработана методика оценки прочностной надежности технологического трубопровода с компенсатором, основанная на расчете вероятности безотказной работы или отказа в «опасных» точках компенсатора методами непараметрической статистики, позволяющими учесть фактические законы распределения возникающих и предельных напряжений в этих точках.

Список работ по теме диссертации:

В рецензируемых изданиях из списка ВАК РФ

1. Нероденко Д.Г. Определение прочностной надежности трубопровода с использованием численных методов / Нероденко Д.Г., Сызранцев В.Н. // Вестник Тюменского Государственного Университета. — 2008. — №6. — С. 14-19.

2. Сызранцев В.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния трубопровода для определения его прочностной надежности / Сызранцев В.Н., Нероденко Д.Г. // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2009. - №6. - С. 14-19.

3. Белобородов A.B. Расчет вероятности отказов технологических трубопроводов по критерию прочности / Белобородов A.B., Сызранцева К.В., Нероденко Д.Г. // Нефтепромысловое дело. - 2009. - №7. - С. 52-56.

4. Нероденко Д.Г. Оценка вероятности безотказной работы трубопроводов методами непараметрической статистики / Нероденко Д.Г., Сызранцев

В.Н. // Известия высших учебных заведений Нефть и Газ. - 2010. - №1. - С. 74-76.

5. Нероденко Д.Г. Расчет прочностной надежности элементов технологических трубопроводов методами непараметрической статистики / Нероденко Д.Г., Сызранцева К.В. // Нефтяное хозяйство. -2012,-№6. -С. 94-96.

В других изданиях

6. Нероденко Д.Г. Определение прочностной надежности трубопроводов / Нероденко Д.Г., Сызранцев В.Н. // Сборник трудов Института Нефти и Газа. Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири (ТОМ 2)». - Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 2007. - 217 с. -С. 155-157.

7. Сызранцев В.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния трубопровода / Сызранцев В.Н., Нероденко Д.Г., Осипенко И.А. // Сборник трудов Института Нефти и Газа. Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири (ТОМ 2)». - Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 2007. - 217 с. - С. 157-162.

8. Сызранцев В.Н. Расчет НДС трубопровода для определения его прочностной надежности / Сызранцев В.Н., Нероденко Д.Г. // Компьютерный инженерный анализ. Материалы 4-ой Российской научно-технической конференции. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. - 2008. - 96 с. - С. 26-28.

9. Нероденко Д.Г. Моделирование трубопроводов в программном комплексе ANSYS / Нероденко Д.Г., Белобородов A.B. // Материалы III международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» ТюмГНГУ. - Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2008. - 218с. - С. 97-101.

10.Нероденко Д.Г. Исследование влияния осадок фундаментов под опорами трубопроводов на их напряженно-деформированное состояние / Нероденко Д.Г., Белобородов A.B. // Материалы III международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» ТюмГНГУ. -Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2008. - 218с. - С. 142-146

11.Белобородов A.B. Исследование влияния температурных нагрузок на напряженно-деформированное состояние трубопроводов / Белобородое A.B., Нероденко Д.Г. // Подготовка кадров и современные технологии для ТЭК Западной Сибири: Сб. научн. тр. ИНиГ ТюмГНГУ и материалов Межрегиональной научно-технической конференции с Международным участием, посвященной 45-летию Индустриального института и 10-летию кафедры "Ремонт и восстановление скважин" ТюмГНГУ. - Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2008. - 259 с. - Т.1. - С. 231236.

12.Сызранцев В.Н. Определение прочностной надежности трубопровода методами непараметрической статистики / Сызранцев В.Н., Белобородов A.B., Сызранцева К.В., Нероденко Д.Г. // Подготовка кадров и современные технологии для ТЭК Западной Сибири: Сб. научи, тр. ИНиГ ТюмГНГУ и материалов Межрегиональной научно-технической конференции с Международным участием, посвященной 45-летию Индустриального института и 10-летию кафедры "Ремонт и восстановление скважин" ТюмГНГУ. - Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ,

2008. - 259 с. - Т.1. - С. 236-241.

13. Нероденко Д.Г. Совершенствование методики прочностного расчета элементов трубопроводов с использованием численных методов / Нероденко Д.Г., Сызранцев В.Н. //Современные технологии для ТЭК Западной Сибири: сб. научн. тр.-Тюмень: Типография «Печатник»,

2009.-с. 344.-С. 75-81.

Подписано в печать: 22.11.2013. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 1990.

Библиотечно-издательский комплекс государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет». 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Нероденко, Дмитрий Григорьевич, Тюмень

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

04201454050

НЕРОДЕНКО Дмитрий Григорьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ УЧАСТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ТРУБОПРОВОДА С КОМПЕНСАТОРОМ

Специальность 25.00.19 - "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В. Н. Сызранцев

Тюмень - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................................................................15

1.1 Анализ существующих методик расчета трубопроводов на прочность 15

1.1.1 Назначение и содержание существующих методик расчета прочности трубопроводов и их элементов................................................15

1.1.2 Исходные данные, необходимые для расчета прочности элементов трубопровода..............................................................................................19

1.1.3 Программное обеспечение автоматизации расчетов на прочность 22

1.2 Критерии оценки прочности трубопроводов при возникновении деформаций вследствие действия нагрузок..................................................24

1.3 Достоинства и недостатки существующих методик расчета прочности деталей трубопроводов..................................................................................29

1.4 Характеристика численных методов расчета прочности конструкций. 30

1.4.1 Метод конечных элементов..............................................................30

1.4.2 Краткий обзор существующих программных комплексов конечноэлементного анализа и обоснование выбора применительно к задачам исследования................................................................................34

1.5 Вероятностные методы расчета на прочность........................................35

1.6 Подходы к решению поставленных задач исследования.......................39

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НДС ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ В ИДЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ.............................41

2.1 Верификация программного комплекса АГ^УБ применительно к задачам исследования....................................................................................41

2.2 Алгоритм определения НДС трубопровода в программном комплексе АШУ8............................................................................................................48

2.2.1 Прочностной расчет трубопровода с определением «опасных» участков......................................................................................................48

2.2.2 Прочностной расчет «опасных» участков с определением точек-концентраторов напряжений.....................................................................50

2.3 Пример определения НДС участка трубопровода..................................52

2.3.1 Исходные данные..............................................................................53

2.3.2 Решение задачи..................................................................................53

2.3.3 Анализ полученных результатов......................................................62

2.4 Результаты и выводы по разделу.............................................................63

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАГРУЗОК НА НДС ТРУБОПРОВОДА И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ................................................65

3.1 Влияние температурных деформаций.....................................................65

3.1.1 Расчет трубопровода с учетом температурных нагрузок................65

3.1.2 Определение НДС «опасных» участков с учетом температурных нагрузок......................................................................................................69

3.1.3 Оценка влияния температурных нагрузок на НДС «опасных» участков......................................................................................................75

3.2 Влияние осадок фундаментов под опорами трубопроводов..................77

3.3 Определение «опасных» точек П-образного компенсатора...................81

3.4 Результаты и выводы по разделу.............................................................83

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ ТРУБОПРОВОДА НА ОСНОВАНИИ РАСЧЕТА ЕГО НДС................................................................85

4.1 Методика определения прочностной надежности трубопроводов методами непараметрической статистики на основе численных экспериментов................................................................................................85

4.2 Пример определения прочностной надежности трубопровода.............92

4.2.1 Численные двухфакторные эксперименты......................................92

4.2.2 Оценка прочностной надежности трубопровода.............................95

4.3 Результаты и выводы по разделу...........................................................105

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..........................................................106

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................107

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Технологические трубопроводы нашей страны проектируются на весь период эксплуатации производственного объекта, для которого они предназначены. Согласно руководству по безопасности «Рекомендации по устройству и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов» [43] в технической документации указываются назначенный и расчетный сроки безопасной эксплуатации. При оценке этих сроков, из-за недостаточной информации о действующих на трубопровод во время эксплуатации нагрузках и весьма приближенного представления о механических свойствах материала конструкции, определяющих его сопротивление этим нагрузкам, основным анализируемым параметром до настоящего времени является коэффициент запаса прочности.

На начальном этапе развития трубопроводный систем, до тех пор, пока общий объем трубопроводов был сравнительно невелик (до 15% объема от настоящего уровня), удавалось свести к минимуму опасность возникновения аварийных и катастрофических ситуаций и ущербы от них [31]. Этому способствовали традиционно принятые в то время повышенные запасы прочности (по пределу прочности на уровне 2,8-4,0, а по пределу текучести до 2,0-2,5) [31]. Во второй половине XX века ситуация существенно изменилась. Расширились границы добычи газа в районах со сложными геологическими и климатическими условиями; были снижены запасы статической прочности (по пределу прочности до 2,0-2,5, по пределу текучести до 1,1-1,8) [31].

Обозначенные изменения привели к тому, что в Российской Федерации около 60% всех техногенных чрезвычайных ситуаций происходит из-за разрушения трубопроводов [40]. Опираясь на данные ежегодных государственных докладов МЧС, согласно которым ежегодно имеют место более 1500 чрезвычайных ситуаций, из которых около 75% имеют

техногенный характер, нетрудно определить, что в год происходит боле 650 чрезвычайных ситуаций, связанных с трубопроводными системами [31].

Очевидно, что большая часть чрезвычайных ситуаций на трубопроводах связана с «человеческим фактором», однако, существенна и доля технических просчетов при проектировании и строительстве.

Из вышеотмеченного можно сделать вывод, что существующая нормативно техническая документация нуждается в совершенствовании, в частности - РТМ 38.001-94 «Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов».

Углубленного развития требуют следующие положения РТМ:

1. Надежность трубопровода определяется коэффициентом запаса прочности, который принимается из опыта эксплуатации и проектирования трубопроводов и в ряде случаев он избыточен, а в ряде случаев недостаточен;

2. Трубопровод в целом рассматривается как упругая стержневая система, а не как сложный трехмерный объект;

3. Учет фактических законов распределения случайных нагрузок, действующих на трубопровод в период эксплуатации.

Метод конечных элементов (МКЭ), реализован уже продолжительное время в различных программах [6, 15, 47, 53, 54], которые применяются для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) и обоснования расчетами прочностной надежности трубопроводов (оборудования). Из-за совершенствования трубопроводных систем и оборудования объем использования данных программ постоянно растет [47].

Однако, несмотря на расширение диапазона задач, для решения которых используется метод конечных элементов, до настоящего времени не существует утвержденных норм или каких-либо руководящих материалов по использованию метода. Таким образом, ситуация складывается так, что в отсутствие общих норм разрабатываются частные методики использования МКЭ для решения конкретных задач. В Тюменском государственном

нефтегазовом университете под руководством A.A. Тарасенко (д.т.н., профессор) разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния стальных вертикальных резервуаров [60,61]. На кафедре МОП ТюмГНГУ разработана методика проектирования арматуры с применением численных методов, позволяющая оценивать герметичность затвора с учетом нагрузок, которые возникают в процессе эксплуатации [15]. В работе [25], выполненной на кафедре "МОП" Самарского Государственного Технического Университета, приведен и подробно рассмотрен метод конечных элементов при расчете резьбового соединения обсадных колонн. Так же МКЭ применяется при расчете НДС трубопроводов нагревателей воды [42], змеевиков печей пиролиза [45] и обсадных трубопроводов в скважинах [28].

Во второй половине XX в. была осознана необходимость перехода к новым методам расчета и оценки технического состояния изделий, конечным итогом которых является не сравнение рассчитанных критериев прочности с предельно допустимыми значениями, а определение вероятности безотказной работы или прогнозируемого (с доверительными границами) ресурса эксплуатации оборудования. Именно на это время приходится становление и развитие нового научного направления - теории надежности, как науки о закономерностях отказов различных систем. Основой теории надежности является теория вероятности и прикладная статистика, современный этап развития которой принято отсчитывать, начиная с 1900 года.

Бурное развитие прикладной статистики, объектом изучения которой являются выборки из распределений случайных величин, которые описываются одним или небольшим числом параметров, пришлось на первую треть XX века. Основное внимание в этот период уделялось изучению методов, основанных на анализе и обработке данных из параметрических распределений (кривые Пирсона), так же популярным было гауссово (нормальное) распределение. В дальнейшем в рамках теории прикладной статистики были предложены и исследованы десятки законов

распределения случайных величин. В практике обработки случайных величин, требуемых для расчета прочностной надежности изделий и оборудования, в настоящее время наиболее часто используются нормальное и логнормальное распределения, равномерное, треугольное, гамма и бета распределения, распределения Вейбулла-Гнеденко и некоторые другие. В отмеченный период, в первую очередь, развивалась теория параметрической статистики. И, несмотря на значительные научные достижения и исследования, в процессе решения прикладных задач стали проявляться проблемы, которые до сих пор остаются открытыми. В частности, при обработке результатов измерений конкретной случайной величины сложно, а в ряде случаев просто невозможно, сформулировать условия отнесения выборки к тому или иному параметрическому семейству.

Одновременно с параметрической статистикой, начиная с работ Спирмена и Кендалла, стали развиваться методы непараметрической статистики, которые основаны на коэффициентах ранговой корреляции. Эти методы математической статистики изначально предполагают, что вид распределения случайной величины либо неизвестен, либо может быть определен лишь приближенно. К настоящему времени с помощью методов непараметрической статистики можно решить почти все задачи решаемые методами параметрической статистики. В то же время оценка надежности потенциально «опасных» изделий и оборудования требует значительного повышения достоверности результатов расчета, учета реальных законов распределения случайных величин, используемых при определении прочностных критериев. Принятие фактически имеющих место законов распределения случайных величин здесь может позволить избежать катастрофических последствий [52].

На сегодняшний момент наблюдается все возрастающая потребность в более точной оценке прочностной надежности и оценке ресурса вновь разрабатываемых и эксплуатируемых технологических трубопроводов. Поэтому разработка методики оценки прочностной надежности

трубопроводов с помощью методов непараметрической статистики на основе результатов расчета на прочность и жесткость деталей с использованием современных численных методов позволит определять ее с заданной вероятностью.

Цель выполнения настоящей работы: Разработать методику оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором на основе применения методов непараметрической статистики и результатов расчета трубопровода на прочность и жесткость выполняемых методом конечных элементов.

Для достижения цели в диссертационной работе определены следующие задачи:

1. Разработать подход к оценке прочностной надежности трубопровода на основе статистической обработки результатов численных, выполненных методом конечных элементов, экспериментов, конечным результатом которой является определение вероятности безотказной работы всех «опасных» точек участка трубопровода с компенсатором.

2. Предложить и обосновать расчетные схемы и алгоритмы для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в программном комплексе, позволяющие определить «опасные» участки трубопровода и «опасные» точки компенсатора трубопровода.

3. Провести численные эксперименты для оценки влияния на НДС участка трубопровода с компенсатором различных видов нагрузок, с целью определения целесообразности их рассмотрения при оценке прочностной надежности трубопровода.

4. На основе планирования численного эксперимента для «опасных» точек определить математические зависимости возникающих напряжений от давления и температуры.

Научная новизна диссертационного исследования определяется разработанным подходом оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором включающим:

планирование двухфакторного (давление и температура) трехуровнего эксперимента;

- расчет методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния П-образного компенсатора в точках плана эксперимента;

- для каждого расчета определение «опасной» (по величине возникающего напряжения) точки компенсатора и по результатам расчета всех точек плана эксперимента формирование совокупности действующих напряжений в каждой «опасной» точке;

определение для каждой «опасной» точки компенсатора регрессионных зависимостей действующих напряжений от давления и температуры трубопровода;

- используя фактические выборки давления и температуры по регрессионным зависимостям, определение выборки возникающих в трубопроводе напряжений, статистические данные по предельным напряжениям, расчет методами непараметрической статистики вероятности безотказной работы компенсатора или вероятности его отказа.

Практическая ценность диссертации:

1. Разработана методика расчета вероятности безотказной работы или вероятности отказа П-образного компенсатора по результатам фактических значений давления и температуры технологического трубопровода, зафиксированных в течение определенного периода его эксплуатации.

2. Для конкретных размеров П-образного компенсатора получены регрессионные зависимости по расчету напряжений в его «опасных» точках, позволяющие выполнять оценку прочностной надежности компенсатора независимо от сложности законов распределения случайных величин давления и температуры участка трубопровода.

3. Предложена процедура определения регрессионных зависимостей для «опасных» точек П-образного компенсатора, включающая планирование эксперимента и выполнение конечного числа численных расчетов напряженно-деформированного состояния П-образного компенсатора участка трубопровода.

По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе пять работ в рецензируемых изданиях из списка ВАК РФ.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях:

- всероссийской с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» в городе Тюмень (2007 год);

четвертой Российской в городе Екатеринбург (2007 год) «Компьютерный инженерный анализ»;

- IV международной «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» в городе Тюмень (2008 год);

- межрегиональной с международным участием в городе Тюмень (2008 год), посвященной 45-летию индустриального института и 10-летию кафедры «Ремонт и восстановление скважин»;

- 4-й Российской «Компьютерный инженерный анализ» в городе Челябинск (2008 год);

- Современные технологии для ТЭК Западной Сибири в городе Тюмень (2009 год).

Диссертационная работа включает в себ�