Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение надёжности трубопроводных систем является важной проблемой и играет ключевую роль в экономике РФ. Протяжённость российских магистральных нефте- и газопроводов составляет более 200 тыс. км, промысловых трубопроводов - 350 тыс. км. Основной причиной разрушения трубопроводных систем является ослабление линейной части трубы из-за наличия трещиноподобных дефектов, имеющих различную природу происхождения. В процессе эксплуатации происходит деградация трубной стали, изменяются механические характеристики материала и сварных соединений. Необходимость разработки новых месторождений требует проектирования и строительства новых путепроводов, зачастую в сложных условиях (вечной мерзлоты, пучения грунтов, сейсмической активности, заболоченности и др.). В связи с этим задача расчёта показателей надёжности трубопроводных систем в настоящее время приобрела большую актуальность.
Степень разработанности темы. Существующие в отрасли нормы и правила обеспечения надёжности трубопроводных систем как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации, основанные на нормативном методе расчёта конструкции по предельным состояниям, реализуются за счёт применения зачастую неоправданных коэффициентов запаса прочности, что приводит к существенному увеличению металлоёмкости трубопроводов. Данные методы не учитывают в явном виде не только временные факторы, но и вероятностную природу характеристик несущей способности и нагрузок.
В современных вероятностных методах оценки надёжности отсутствуют эти недостатки, однако на данный момент их применимость на практике редка вследствие ряда причин: большой трудоёмкости моделирования трубопроводных систем; громоздких вычислений параметров механики разрушения для трубопроводов, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной; сложности моделирования и идентификации законов распределения внешних нагрузок (нестационарной или циклической нагруженности, влияние пучинистого грунта и т.д.).
Цель и задачи. Цель работы - разработка и апробация методов расчёта показателей надёжности проектируемых и находящихся в эксплуатации трубопроводных сооружений с учётом стохастического характера эксплуатационных нагрузок, рассеивания характеристик трещиностойкости и прочности элементов конструкций, наличия трещиноподобных дефектов и таких сложных условий эксплуатации, как промерзающие пучинистые грунты.
Задачи исследования:
разработка методики конечно-элементного решения трёхмерной задачи механики разрушения и моделирования поверхностных трещин в трубах;
исследование применимости и практической реализации неканонического разложения на основе метода интерполяционных полиномов для решения задач статистической динамики;
разработка метода количественной оценки надёжности трубопроводов с поверхностными трещинами при циклических нагрузках, основанного на применении метода интерполяционных полиномов;
апробация разработанных методик расчёта показателей прочности и надёжности на реальных элементах надземных и подземных трубопроводных систем;
разработка и апробация на реальной задаче оригинальной методики оценки надёжности трубопроводов, прокладываемых в промерзающих пучинистых грунтах.
Объект исследования. Процессы изменения параметров состояния несущих элементов систем трубопроводного транспорта при динамических случайных внешних воздействиях в сложных условиях эксплуатации.
Предмет исследования. Расчётно-экспериментальные методы определения показателей конструктивной надёжности трубопроводов на этапе проектирования и по результатам диагностики их эксплуатационного состояния.
Научная новизна.
-
Впервые разработан и доведён до практического применения многоуровневый подход к анализу напряжённо-деформированного состояния (НДС) продуктопроводов, основанный на использовании различных расчётных схем и метода конечных элементов.
-
Созданы новые эффективные процедуры, алгоритмы и методики расчёта показателей надёжности с учётом возможности постепенных отказов в элементах конструкции, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной в условиях циклического нагружения с постоянной и переменной амплитудами.
-
Разработана и апробирована новая методика расчёта показателей надёжности трубопроводных систем, проложенных в промерзающих пучинистых грунтах, включающая эффективный по скорости и точности численный подход к решению задач статистической динамики для трубопроводов.
-
Получены новые результаты количественной оценки показателей надёжности таких реальных трубопроводных систем, как напорный трубопровод технологической обвязки нефтеперекачивающей станции и подземная трубопроводная система, работающие в условиях циклической нагруженности с постоянными или случайными амплитудами.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в том, что:
доказаны состоятельность и эффективность (по скорости и точности вычислений) методики оценки показателей надёжности и безопасности для трубопроводов, эксплуатирующихся в промерзающих пучинистых грунтах, основанной на методе интерполяционных полиномов;
результативно использован комплекс существующих приемов и методов общей теории надёжности, в том числе разработаны эффективные процедуры, алгоритмы и методики расчёта показателей надёжности с учётом возможности постепенных отказов в элементах конструкции, эксплуатирующихся с распро-
страняющейся усталостной трещиной в условиях циклического нагружения с постоянной и переменной амплитудами.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработанная методика оценки показателей конструктивной надёжности трубопроводных систем по критериям трещиностойкости и живучести позволяет проводить количественное сравнение проектных решений для новых трубопроводов, предназначенных к эксплуатации в различных условиях, включая экстремальные;
предложенные методики, алгоритмы и процедуры позволяют определять вероятность безотказной работы и наработку на отказ использующихся трубопроводов по результатам диагностики наличия и распределения трещино-подобных поверхностных дефектов в стенках труб;
методика и полуэмпирическая модель вычисления значений параметров механики разрушения вдоль фронта несквозных полуэллиптических трещин различной ориентации, расположенных у поверхности трубы, позволяют, не прибегая к построению сложных моделей, с достаточной точностью определять значения коэффициента интенсивности напряжений и возможное направление развития трещин при квазистатических и циклических нагрузках;
разработан и описан многоуровневый подход к анализу НДС трубопроводов, использующий расчётные схемы разной сложности и протяжённости;
разработана и описана новая методика расчёта показателей надёжности трубопроводных систем, проложенных в промерзающих пучинистых грунтах;
представленные в работе методики, процедуры, алгоритмы и рекомендации использованы в практике проектирования магистральных трубопроводных систем в Открытом акционерном обществе «Институт по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности» (ОАО «Институт Гипровостокнефть»), на Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королёва (национальный исследовательский университет)» при подготовке студентов по специальности 150301 - «Динамика и прочность машин».
Методы исследований. Работа выполнена на основе классических методов строительной механики, теории упругости, механики разрушения, теории надёжности сложных технических систем. Использовались методы аналитического и численного решения задачи статистической динамики с учётом возможной нелинейности исследуемой системы. Решение задач о трещине при квазистатическом или циклическом нагружении проводилось с использованием положений механики разрушения и разработанных макросов для вычислительного пакета ANSYS. Анализ и обработка результатов численных экспериментов по определению вероятностных характеристик свойств исследуемой системы или параметров её поведения выполнялись классическими статистическими методами с привлечением современной компьютерной техники.
Положения, выносимые на защиту:
1. Новые полуэмпирические формулы для определения распределения параметров механики разрушения вдоль фронта поверхностной полуэллипти-
ческой трещины, расположенной в стенке трубы продольно или поперечно; соотношения получены на основании численного эксперимента с использованием программного комплекса ANSYS.
-
Процедуры, алгоритм и методика прогнозирования вероятности безотказной работы с учётом возможности постепенных отказов в элементах конструкций, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной в условиях циклического нагружения с постоянной и переменной амплитудой.
-
Многоуровневый подход к анализу НДС продуктопроводов, основанный на использовании различных расчётных схем и позволяющий на порядок снижать затраты при исследовании локальной прочности и надёжности протяжённых трубопроводных систем при наличии геометрических несовершенств или дефектов, например, типа поверхностных трещин.
-
Новая методика расчёта показателей надёжности трубопроводных систем, проложенных в промерзающих пучинистых грунтах.
-
Результаты апробации предложенных методик, математических моделей, разработанных алгоритмов расчётов, а также результаты количественной оценки показателей надёжности реальных трубопроводных систем, работающих в условиях нестационарной или циклической нагруженности.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, использованием научно обоснованных расчётных схем, применением апробированных аналитических и численных методов анализа и расчёта, реализацией алгоритмов и процедур расчёта на современной вычислительной технике, корректным заданием исходных данных и объективным анализом полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: студенческой конференции «Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов» (Самара, 2001), XXVI Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, МСНТ, 2006), III Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоёмкие инновационные технологии» (Самара, 2011), IV международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (2011), Международной заочной научной конференции «Технические науки: теория и практика» (Чита, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 статей, в том числе 5 в изданиях, определённых ВАК РФ, 5 тезисов докладов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка используемой литературы из 167 наименований и двух приложений. Содержит 191 страницу текста, включая 63 рисунка, 10 таблиц и приложения.
