Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов играет важнейшую роль в топливно-энергетическом обеспечении хозяйственного комплекса России, в ее устойчивом экономическом развитии. Главной ресурсной базой газовой промышленности и центром добычи газа на ближайшую перспективу остается Западная Сибирь. Вместе с тем в ближайшие годы компенсация падения добычи газа в этом регионе будет происходить за счет Заполярного и других месторождений Таким образом, начало транспортировки газа все более и более смещается в зоны многолетнемерзлых и вечномерзлых грунтов. В связи с этим возрастает внимание к трубопроводам, прокладываемым в условиях вечной мерзлоты, результатам эксплуатации уже действующих надземных трубопроводов. Чрезвычайно актуальна оценка адекватности сложившихся к настоящему времени расчетных методик, нормативных требований к их проектированию, строительству и эксплуатации.
Эксплуатационная надежность трубопроводов закладывается при проектировании и обеспечивается качеством строительно-монтажных работ и обслуживания эксплуатирующей организацией в течение всего срока эксплуатации. Особое значение, определяющее качество проекта, имеют расчеты на прочность трубопроводной системы, которые должны быть адекватны конструктивному исполнению и действующим нагрузкам. Требования к проведению расчета на прочность и устойчивость надземных трубопроводов, а также к учитываемым нагрузкам и воздействиям достаточно подробно регламентированы в строительных нормах. Вместе с тем, в действующих нормах опущены требования к выполнению расчетов напряженно-деформированного состояния надземных трубопроводов, связанные с учетом истории их нагружекия - важным фактором, присущим механическим системам с сильной физической нелинейностью, обусловленной трением в опорах.
В надземных трубопроводах наблюдаются явления, учет которых вообще не отражен в нормативных документах. К ним относятся динамические возмущения трубопровода, происхождение которых обусловлено конструкцией - свободным опиранием на опоры, и которые возникают не только при изменении давления рабочей среды, но и при медленном (квазистатическом) изменении температуры трубы. Эти явления влияют на напряженно-деформированное состояние, техническое состояние конструкции и, следовательно, на эксплуатационную надежность трубопровода.
Все вышесказанное, с учетом имеющихся в настоящее время публикаций, относящихся к надземным трубопроводам, предопределяет актуальность выполнения работ по адекватной оценке напряженно-деформированного состояния надземного трубопровода, как на стадии его проектирования, так и при эксплуатации. Оценке, отражающей в полной мере реальную конструкцию, физико-механические характеристики материалов, эксплуатационные факторы и природно-климатические условия.
Целью работы является разработка адекватных математических моделей магистральных трубопроводов, эксплуатируемых в природно-климатических условиях Крайнего Севера; исследование на их основе квазистатического напряженно-деформированного состояния типового участка реального надземного магистрального газопровода, моделирование динамических возмущений квазистатического состояния трубопровода при изменении температуры окружающей среды.
Методы исследования. В диссертационной работе анализ напряженно-деформированного состояния реального надземного магистрального газопровода в статической и динамической постановках выполнен методом полномасштабного конечно-элементного моделирования с использованием современного программного обеспечения - программного комплекса ANSYS. Уравнения движения (динамического равновесия) рассматриваемой конечно-элементной модели трубопровода в матричной форме решаются методом Ньюмарка.
Предварительное исследование колебаний балочной конструкции, обусловленных трением в опорах и возникающих при квазистатическом изменении температуры, с целью выбора параметров решения, выполняется на основе аналитического решения, полученного методом разложения по формам собственных колебаний.
Научная новизна. Выполненная работа показывает, что адекватная оценка прочности магистральных трубопроводов надземной прокладки может быть выполнена только на основе полномасштабного моделирования напряженно-деформированного состояния с учетом всех конструктивных и физических особенностей, отражающих реальное взаимодействие трубопровода и оттоп-но-ригельных устройств, действующие нагрузки и воздействия, последовательность их приложения и изменение в процессе эксплуатации.
В работе впервые смоделированы явления, наблюдаемые на практике -возникновение динамических возмущений в реальных конструкциях надземных трубопроводов в процессе изменения их температуры. Показано, что эти явления влияют на несущую способность опорно-ригельных частей и самого трубопровода, могут приводить к потере работоспособности трубопровода.
Достоверность научных результатов. Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечивается адекватной постановкой задач, корректным использованием математического аппарата, современных программных средств, верификацией численных решений путем сравнения с аналитическими. Выполненное моделирование напряженно-деформированного состояния отражает поведение реального надземного магистрального трубопровода и явления, наблюдаемые при его эксплуатации: звуковые волны, вибрации трубопровода; следы этих колебаний проявляются в виде повышенного истирания ригелей опор, повреждений опорно-ригельных устройств, снижения сопротивления металла трубопровода хрупкому разрушению.
Практическая ценность. В работе представлены методологические подходы и реализованы решения задач, позволяющие адекватно отразить и существенным образом уточнить напряженно-деформированное состояние ре-
6 альных конструкций надземных магистральных газопроводов, работающих в условиях природно-климатических условий Крайнего Севера. Результаты диссертационной работы, разработанные программные модули использовались для анализа напряженно-деформированного состояния участков надземных магистральных трубопроводов ОАО «Норильскгазпром» при экспертизе их промышленной безопасности, выполненной ООО НТЦ «ДИАТЭКС» (г. Волгоград). Использование результатов работы при проектировании и экспертизе промышленной безопасности надземных трубопроводов будет способствовать повышению их эксплуатационной надежности.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на межотраслевой Школе-семинаре "Оценка технического состояния и остаточного ресурса сосудов и аппаратов химических, газо- и нефтеперерабатывающих производств", 17-23 сентября 2001 г., г. Волгоград; на научном семинаре «Нелинейное деформирование конструкций», НИКИЭТ им.Н.А.Доллежаля, г. Москва, 14 сентября 2007 г.; на XXII Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов», г. Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2007; на научном семинаре на кафедре Динамики и прочности машин им. В.В. Болотина, МЭИ, октябрь, 2009 г.
По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы. Объем работы - 135 страниц, включая 63 рисунка. Список литературы включает ] 03 наименования.
