Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изучаемого вопроса и задачи исследований 8
1.1. Опыт и перспективы сооружения полиэтиленовых газопроводов 8
1.2. Анализ способов бестраншейной прокладки полиэтиленовых газопроводов 16
1.3. Анализ конструкций машин и устройств для бестраншейной прокладки полиэтиленовых трубопроводов 23
1.4. Анализ методов расчета на прочность гибких длинномерных труб и стержней 32
1.5. Выводы по главе и постановка задач исследований 35
Глава 2. Напряженно-деформированное состояние полиэтиленового трубопровода при плужном способе бестраншейной прокладки 37
2.1. Анализ сил, действующих при работе плужного бестраншейного трубоукладчика 37
2.2. Математическая модель напряженно-деформированного состояния полиэтиленовой трубы 43
2.2.1. Дифференциальные уравнения математической модели 43
2.2.2. Краевые условия 51
2.3. Расчет напряженно - деформированного состояния трубы 53
2.4. Обоснование достоверности численных результатов расчета на прочность 61
2.5. Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния трубы 67
2.6. Выводы по главе 76
Глава 3. Исследование физико-механических характеристик полиэтиленовых трубопроводов при плужном способе бестраншейной прокладки . 78
3.1. Описание экспериментальной установки 78
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований . 83
3.2.1. Общие сведения 83
3.2.2. Планирование необходимого числа опытов 91
3.2.3. Обработка экспериментальных данных 92
3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований 93
3.3.1. Исследование упругих свойств полиэтиленовой трубы при изгибе 93
3.3.2. Обоснование достоверности теоретических положений и расчетов напряженного состояния полиэтиленовой трубы при изгибе 95
3.4. Выводы по главе 97
Глава 4. Практическое использование результатов исследований ... 99
4.1. Влияние нагрузок на напряженное состояние трубопровода и выбор рабочих параметров трубоукладчика 99
4.2. Конструкция плужного бестраншейного трубоукладчика 105
4.3. Технологические особенности производства работ 109
4.4. Расчет технико-экономических показателей. 112
4.5. Выводы по главе 118
Основные выводы по работе 119
Литература 120
Приложения 133
- Анализ конструкций машин и устройств для бестраншейной прокладки полиэтиленовых трубопроводов
- Математическая модель напряженно-деформированного состояния полиэтиленовой трубы
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Конструкция плужного бестраншейного трубоукладчика
Введение к работе
Актуальность темы.
Экономическое развитие Российской Федерации и выход на мировой рынок сбыта промышленной продукции во многом определяют процессы, связанные с созданием конкурентно-способных машин и оборудования.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом, накоплен достаточно богатый опыт использования полиэтиленовых трубопроводов для транспортировки газа. Из общего комплекса работ, связанных с сооружением или капитальным ремонтом трубопроводных систем, прокладка является наиболее трудоемкой составляющей и во многом определяет затраты на производство. Разработка новых конструкций специализированных машин, механизмов и приспособлений является одним из средств снижения затрат на проведение работ.
Выпуск полиэтиленовых труб малого диаметра в бухтах предопределил научные и инженерные поиски в создании специализированной техники, позволяющей снизить затраты по сооружению трубопроводов. Прежде всего это техника для осуществления способа бестраншейной прокладки трубопроводов по принципу кабеле- и дреноукладчиков. Использование специализированных машин позволит в значительной мере снизить количество земляных работ по созданию траншеи и последующей ее засьшке. Однако внедрение такой техники должно быть научно обоснованно с позиций обеспечения прочностных свойств полиэтиленовых труб после их прокладки. Необходимо, чтобы рабочие параметры машины назначались, исходя из условия не нарушения предельного состояния материала трубы. Это условие может быть обеспечено при изучении нагрузок, передаваемых на трубу в процессе прокладки и анализа ее напряженно-деформированного состояния.
В рассматриваемом аспекте представляемая работа является актуальной, так как направлена на создание новой техники, обеспечивающей снижение затрат по сооружению и капитальному ремонту трубопроводов.
Целью исследования - обоснование рабочих параметров плужного бестраншейного трубоукладчика на основе разработанной математической модели процесса прокладки полиэтиленового трубопровода.
Объектом исследования является бестраншейный трубоукладчик, а предметом исследования рабочий процесс прокладки полиэтиленового трубопровода.
Научная новизна работы:
теоретически и экспериментально обосновано применение способа плужной бестраншейной прокладки полиэтиленовых трубопроводов;
разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при их прокладке плужным способом;
разработана методика экспериментальной оценки величины деформации образцов полиэтиленовых труб для плужного способа бестраншейной прокладки;
установлена функциональная зависимость между радиусом изгиба направляющего короба, диаметром полиэтиленовой трубы и возникающими в ней напряжениями при прокладке.
Практическая ценность и реализация работы.
Предложенная методика позволяет проектным организациям провести выбор рабочих параметров машин, с обеспечением прочностных характеристик полиэтиленового трубопровода.
Разработана и запатентована конструкция устройства для бестраншейной прокладки полиэтиленовых трубопроводов, обеспечивающая их прочностные свойства во время рабочего процесса.
Результаты проведенных исследований приняты к использованию в проектной практике ОАО "Запсибгазпром".
Результаты работы используются в учебном процессе Тюменского государственного нефтегазового университета при подготовке
инженеров по специальности "Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ", а также при повышении квалификации специалистов нефтегазовой отрасли.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедры "Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов" ТюмГНГУ, на научно-практической конференции "Нефтегазовое образование и наука: итоги, состояние и перспективы" (Москва, 2000), на международной научно-практической конференции "Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях" (Тюмень, 2001), на международной конференции в рамках международной выставки "Нефть и газ - 2001" (Тюмень, 2001), на научно-практическом семинаре "Транспортный комплекс - 2002" в рамках международной выставки "Город", "Автосалон", "Автозаправочный комплекс" (Тюмень, 2002), на международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России" (Санкт-Петербург, 2003).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в десяти статьях. Получено положительное решение о выдаче патента.
Анализ конструкций машин и устройств для бестраншейной прокладки полиэтиленовых трубопроводов
При прокладке полиэтиленовых трубопроводов в настоящее время все большее распространение получают установки горизонтального направленного бурения (УГНБ). УГНБ позволяют обеспечить контролируемое и управляемое подземное движение инструмента с созданием пилотной скважины. Мировым лидером по производству серийно выпускаемых промышленных образцов машин для бестраншейной прокладки является фирма Vermeer. Наиболее известно и распространено в нашей стране использование специализированной техники названной фирмы различного типового ряда под общим названием NAVIGATOR (рис. 1.5) [8, 10, 87, L09].
После проходки пилотной скважины буровая головка заменятся на расширитель, который протягивается обратно к установке, увеличивая до нужного диаметра пилотную скважину. Вслед за расширителем протягивается трубопровод или другие элементы систем инженерных коммуникаций.
Используются установки управляемого горизонтального бурения и в таких областях, как санация (восстановление, реконструкция) изношенных трубопроводов методом протаскивания "труба в трубе" полиэтиленовых труб, а также при тушении пожаров на нефтяных и газовых скважинах (рис. 1.6 а,б,в).
Установки горизонтального направленного бурения NAVIGATOR хорошо зарекомендовали себя и при производстве работ в черте городов, когда прокладка трубопроводов осуществляется в стесненных условиях без нарушения покрытия дорог и тротуаров, в обход имеющихся подземных коммуникаций. К недостаткам использования названных установок можно отнести их значительную стоимость, а также ограниченность действия и ограниченность диаметра укладываемых труб.
Более мощными являются УГНБ, выпускаемые фирмой FAB (Фернлейтунгс- унд Анлагенбау ГмбХ) из Германии (рис. 1.7). Принцип их работы аналогичен установкам NAVIGATOR и заключается в создании пилотной скважины с последующим ее расширением и протаскиванием трубы с диаметром до 426 мм на длину до 1220 метров. Эти установки были использованы в ОАО «Юганскнефтегаз» при прокладке нефтепровода через реку Обь на Приобском месторождении.
Все вышеназванные установки предназначены для прокладки трубопровода на ограниченные расстояния, поэтому при сооружении и капитальном ремонте, т.е. когда укладка нитки трубопровода осуществляется на значительную длину, используются машины, осуществляющие бестраншейную прокладку с нарушением дневной поверхности грунта.
Работа этих машин основана на принципе рыхления с одновременной укладкой трубы (рис. 1.3 г, д), либо на принципе вдавливания за счет вибрационных воздействий (рис. 1.3 е).
Известны предложения по созданию устройств бестраншейной прокладки трубопроводов, основанные на использовании винтовых режущих рабочих органов. Характерным примером таких устройств является рабочий орган, схема которого представлена на рис. 1.8 [13].
Работа по предлагаемой схеме осуществляется следующим образом. При поступательном перемещении рабочего органа режущий элемент 1, вращаемый с помощью привода, за счет зубьев 4, закрепленных на винтовой ленте 3 с помощью стоек 2, продвигается в грунте. Укладываемая труба 9 проходит сквозь подающую трубу 6, на которой установлены по винтовой линии лопасти 5, принудительно перемещающие заполнитель 10, поступающий из расходного бункера, закрепленного в верхней части рабочего органа на дно траншеи.
Подобные конструктивные решения достаточно часто встречаются в патентной информации, однако их реализация даже в опытных промышленных образцах неизвестна. К недостаткам конструкции следует отнести сложность обеспечения приводов и, как следствие, низкую надежность.
При прокладке трубопроводов на заболоченных участках известны предложения по использованию устройств погружения [7], основанных на принципе вибрационных воздействий (рис. 1.9).
Погружающий механизм содержит седловидную опорную конструкцию 1, укрепленный на ней вибратор направленного действия 2, создающий вибрационные нагрузки на трубу 5 в вертикальной плоскости, и кожух 3, снабженный клещевыми захватами 4.
Вибропогружатели имеют ограниченную область использования. К их недостаткам, следует отнести значительные нагрузки, передаваемые на трубопроводы, с возможным возникновением дефектов.
Из перечня машин, относящихся к способам бестраншейной прокладки с нарушением дневной поверхности, распространение в виде реальных промышленных образцов получили только трубоукладчики с плужными рабочими органами.
Использование плужных рабочих органов впервые было реализовано и на сегодня наиболее распространено при укладке полиэтиленовых дрен (рис.. 1.10).
Дреноукладчик [15] содержит базовую машину (1), навешенную на нее поворотную относительно оси раму (2) с ножом (3), управляемую гидроцилиндром (4). За ножом располагается бункер (5) с устройством для приема дрен (6).
Математическая модель напряженно-деформированного состояния полиэтиленовой трубы
Особенностью предлагаемого способа прокладки полиэтиленового трубопровода является возможность возникновения напряженного состояния изгиба, при котором материал трубы кратковременный период работает в области пластических деформаций. В основу вывода уравнений, описывающих напряженное состояние гибкой полиэтиленовой трубы, положены и развиты основы теории криволинейных стержней [6, 81, 90] и кривых тонкостенных труб [124], так как длина трубы намного превышает ее диаметр. Для учета нелинейных свойств материала конструкции используется понятие переменного (секущего) модуля (Ес), который определяется по следующему соотношению: где Е0- мгновенный модуль упругости материала (Па); и - коэффициент зависимости жесткости материала от деформации (Па"2); (7 п интенсивность напряжений (Па).
В свою очередь интенсивность напряжений определяется из формулы: где G" - напряжение при изгибе вдоль оси криволинейного стержня, т.е. оси трубы (Па); 7Т - радиальные напряжения, возникающие при наличии внутреннего давления, то есть при перекачке газа и отсутствующие при сооружении трубопровода (Па). Напряжения связаны с деформацией зависимостью: где Ес - секущий модуль, МПа; — относительная деформация. Относительная деформация представлена как совокупность относительных деформаций растяжения и изгиба: где г - относительная деформация при изгибе прямого участка трубы; s -относительная деформация от изгибных нагрузок искривленного участка трубы; дг - относительная деформация от действия растягивающего усилия N; м - относительная деформация от действия изгибающего момента М. Относительная деформация от искривления трубы (рис. 2.4) при прохождении по коробу определится как где г- наружный радиус трубы (м); R - радиус кривизны направляющего короба (м). Напряжения и деформации при изгибе кривого стержня кольцевого сечения могут быть записаны в результате рассмотрения его элемента длиной На рисунке 2.5 представлена деформация элемента стержня, характеризуемая только поворотом сечения на угол d(f) вокруг центра кривизны от действия растяжения: Деформация от действия изгиба (рис. 2.6) представлена поворотом сечения относительно оси трубы: Выделив из формулы (2.14) напряжения, вызванные действием растягивающего усилия и изгибающего момента, можно получить:
Принимая во внимание выражения (2.17) и (2.18), формулу (2.19), с учетом (2.15), можно записать в виде: Величина внутренних усилий, возникающих в поперечном сечении полиэтиленовой трубы на рассматриваемом участке короба, определяется через напряжения в произвольной точке путем интегрирования напряжений по площади поперечного сечения (рис. 2.7) стенки трубы (А). Исходя из геометрии поперечного сечения трубы, выражение для элементарной площадки dA, соответствует: Величина внутренних усилий может быть определена исходя из напряжений, действующих на элементарную площадку: А Подставив полученное соотношение (2.19) в (2.21), можно получить: При подстановке выражений (2.21) в (2.23) получены следующие соотношения для определения внутренних усилий: где Д/у Дм» - JV» DM — соответственно характеристики жесткости растяжения и изгиба с учетом нелинейных свойств материала. После подстановки полученных выражений для определения усилий (2.27) в уравнения статики (2.11) получено
Методика проведения экспериментальных исследований
Алгоритм расчета напряженного состояния гибкой длинномерной трубы составлен на основе метода итераций по величине изменения секущего модуля для математической модели изгиба криволинейного стержня в форме дифференциальных уравнений (2.29) и соответствующих граничных условий (2.31-2.33).
Итерационный цикл начинается с решения задачи в линейной постановке, а затем, по мере изменения секущего модуля, значения напряжений пересчитываются. Цикл продолжается до тех пор, пока значения последующего и предыдущего шага по длине не достигнут 1% или 0,01.
На основе разработанного алгоритма расчета на прочность гибких труб из полиэтилена с учетом пластических деформаций была составлена компьютерная программа (приложение 1), с использованием которой были выполнены расчеты напряженно — деформированного состояния гибких труб, проходящих через направляющий короб плужного трубоукладчика. Они проведены в зависимости от конструктивных параметров (радиуса направляющего короба R; размеров поперечного сечения трубы d), от воздействия внешних нагрузок (поперечной силы Q и равномерно распределенной нагрузки q), а также влияния углов поворота сечений от растяжения и изгиба. Результаты расчетов приведены в приложении (таблица п. 1.1) и представлены в виде графиков на рисунках 2.18 - 2.21.
Анализ результатов расчетов проводился для полиэтилена марки ПЭ-80, прочностные характеристики которого представлены следующими величинами: предел текучести - (Тт — 19,5МПа\ модуль упругости Е = 200МПа.
На графиках, представленных на рис.2.18, рассмотрено влияние радиуса кривизны изгиба на величину напряжений трубопроводов (при различных значениях перерезывающей силы). На их основе возможно определение рабочего радиуса изгиба направляющего короба для различных диаметров труб. Очевидно, что увеличение радиуса изгиба уменьшает напряжения, возникающие в трубопроводах различных диаметров. Причем, чем меньше диаметр трубопровода, тем в большей степени может быть изогнута труба (меньше радиус изгиба). Критерием оценки является обеспечение напряжений не превышающих допустимые (предел текучести).
Однако эта зависимость выполняется только при отсутствии перерезывающей силы (Q = 0). При ее появлении для всего сортамента труб наблюдается увеличение напряжений. Причем, чем меньше диаметр, тем влияние перерезывающей силы значительней. Для трубы с наименьшим диаметром (16 мм) даже при максимальном радиусе изгиба (720 мм), но при наличии перерезывающей силы всего Q = 1 ОН напряжения возрастают до 26МПа.
Описанный характер поведения труб связан и объясняется величиной их жесткости. С увеличением размеров поперечного сечения жесткость трубы увеличивается, и напряжения возрастают при малых радиусах изгиба, а влияние поперечной силы уменьшается. Таким образом, для выбора наиболее оптимального размера радиуса направляющего короба для различных диаметров труб необходимо руководствоваться двумя ограничениями: влиянием перерезывающей силы для малых диаметров труб и величиной радиуса кривизны направляющего короба для больших диаметров труб.
С целью прямой оценки влияния перерезывающей силы проведены расчеты, результаты которых представлены на рис.2.19.
Анализ графиков подтверждает зависимость нарастания влияния напряжений при увеличивающейся величине перерезывающей силы. Причем, чем меньше диаметр трубы, тем это влияние больше. Таким образом, можно сделать вывод о необходимости создания конструкции подающего устройства трубы в направляющий короб, которое по возможности полностью исключало бы возникновение перерезывающих сил.
Устройство машины для бестраншейной прокладки трубопроводов (рис. 1.12) должно предполагать совпадение скорости ее движения со скоростью подачи трубы в направляющий короб. Тем не менее, возможны некоторые несовпадения этого параметра в связи с неравномерностью движения машины, дефектов трассы, изнашиванию механизмов и т.д.
Представленная математическая модель расчета напряженного состояния гибкой трубы при ее укладке позволяет выполнить расчеты изменения напряжений в зависимости от изменения углов поворота сечений от растяжения, возникающих при несовпадении скорости подачи трубы и движения машины.
Конструкция плужного бестраншейного трубоукладчика
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории полимерных материалов ЗАО «Сибгазаппарат», в которой обеспечены все необходимые условия для проведения испытаний, а именно: - температура испытаний — 23С; - температура кондиционирования - 23С; - время кондиционирования — 120 мин. Испытания проводились для труб различного диаметра, изготовленных из полиэтилена марки ПЭ 80 с характеристиками, представленными в таблице 3.2 [86]. Для проведения статических испытаний деформирования при изгибе образец трубы устанавливался на кронштейне и закреплялся одним концом с помощью зажимов. К другому концу трубы присоединялась тяга, в свою очередь, соединенная с подвижной траверсой и силоизмерителем. На каждом образце трубы через равные расстояния наносились метки с целью проведения замеров по определению характера изменения деформаций по длине (рис. 3.5). При включении установки за счет движения траверсы и передачи усилия через тягу образец трубы прижимался к кронштейну по всей поверхности ее изгиба. После полного прижатия установка отключалась, и проводились замеры изменения диаметра образцов труб во времени с интервалом t = 0 мин, t = 2 мин, t = 5 мин, t = 10 мин. Результаты статических испытаний представлены в приложении (таблицы п.2.1, п.2.2). Величина высоты прогиба и ее изменения во времени сами по себе не позволяют оценить упругих свойств и того, в каком диапазоне (допустимом или недопустимом) произведен изгиб трубы. Критерием оценки может служить упомянутое выше требование - DeyxTbi 20drpy6M. В другой трактовке оно может быть сформулировано следующим образом: соотношение между диаметром трубы и диаметром бухты на которую эта труба наматывается не должно быть более 5% (сітрубь/ Обухты 5%). С этой позиции и оценивались высота прогиба.
Можно утверждать, что труба не претерпит изменений физико-механических характеристик после приложения изгибной нагрузки при эксплуатации, если напряжения, возникающие в ней, не превысили предела упругости, а косвенным подтверждением этого должно являться выполнение следующих условий: 1) соотношение диаметра трубы к диаметру ее изгиба после приложения нагрузки не превышает 5%; 2) обеспечивается возврат диаметра деформируемой трубы до величины первоначальных размеров. На рисунке 3.8 представлена схема, демонстрирующая взаимосвязь между высотой прогиба (h) и радиусом изгиба (R), который имела труба после снятия изгибной нагрузки. В момент испытания образцы трубы прижимались к кронштейну с известным радиусом (RKp) с центральным углом 90 (центр окружности — О і).
После снятия нагрузки они распрямлялись до новой окружности (центр окружности — Ог) с неизвестным радиусом (R) и центральным углом (у). В задачу расчета входило определение R через измеряемую высоту прогиба (h) с последующей оценкой соотношения а убь/ Оизгиба и выводов относительно упругих свойств и уровня деформирования труб. Из схемы видно, что радиус образцов труб после снятия нагрузки можно определить из соотношения: Центральный угол у/ после разгиба образцов труб можно определить, зная длину дуги изогнутой части образцов труб, которая до и после приложения изгибного усилия не меняется и рассчитывается из равенства После того как будет вычислен угол Ц/ при снятии нагрузки с образцов труб, можно определить радиус их изгиба R из зависимости . Решение нелинейного трансцендентного уравнения (3.4) сводится к поиску значения If/ (корню уравнения), при котором выполняется условие f( )—0. В общем виде функция f(lff) не имеет аналитических формул для нахождения корней. Поэтому в данном случае использован один из итерационных методов решения нелинейных уравнений - «метод деления пополам».
