Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы
1.1. Реологические модели. Моделирование гидродинамики и теплообмена при внутренних течениях в каналах и трубах 10
1.2. Численное решение уравнений импульса и энергии 26
1.3. Выводы и задачи исследований 38
2. Математическое моделирование гидродинамики и теплопереноса при течении в трубах и каналах
2.1. Система уравнений движения несжимаемой сплошной среды с учетом теплообмена для цилиндрических и декартовых координат 40
2.2. Численный метод решения системы уравнений гидродинамики и теплопереноса 44
2.3. Моделирование гидродинамики в узлах уплотнений запорной арматуры 60
2.4. Разностный метод расчета гидродинамики и теплопереноса при течении вязкоупругой жидкости в канале 72
3. Математическое моделирование гидродинамики и теплообмена при внутренних течениях в каналах трубопроводов подачи
3.1. Влияние неньютоновских свойств среды на распределение гидродинамических параметров 77
3.2. Расчет плоского канала при повороте потока на 90 81
3.3. Моделирование турбулентности 86
3.4. Моделирование сопряженного течения в круглой трубе с учетом переменных реологических свойств 95
4. Влияние параметров гидродинамики и теплопереноса неньютоновской жидкости на работоспособность элементов конструкций нефтяного оборудования
4.1. Много дисциплинарный подход при оценке прочности, долговечности, ресурса ЭКНО 99
4.2. Термохимические проблемы при течении нефти и газа в ЭКНО. Наличие сероводородной среды 108
4.3. Расчет запорной арматуры с учетом влияния температурного состояния сероводородной среды 110
4.3.1. К вопросу о критериях разрушения 110
4.3.2. НДС и конечно-элементные расчеты шиберной задвижки 119
4.4. Оценка влияния сероводорода на прочность и долговечность элементов конструкций 124
Основные выводы и результаты работы 129
Список использованной литературы 132
Приложение 139
- Численное решение уравнений импульса и энергии
- Численный метод решения системы уравнений гидродинамики и теплопереноса
- Расчет плоского канала при повороте потока на 90
- Термохимические проблемы при течении нефти и газа в ЭКНО. Наличие сероводородной среды
Введение к работе
Актуальность темы. Стратегия развития нефтяной промышленности России в число одной из приоритетных задач отрасли включает техническое переоснащение с применением высокоэффективного оборудования, характеризующегося высокой эксплуатационной надежностью, экономичностью и безопасностью, обладающего повышенным ресурсом и долговечностью.
Важнейшей проблемой проектирования запорной и регулирующей арматуры устьевого оборудования и транспортных трубопроводов, тесно связанной с системным подходом, является многодисциплинарность рассматриваемых задач, которые требуют комплексного решения в различных научных дисциплинах: гидродинамике, теплопередаче, прочности, материаловедении и др. Очевидно, что недостаточное развитие математического аппарата не позволяет исследовать очень широкий класс жидкостей, проявляющих аномальные реологические свойства, и решать практически важные задачи совершенствования конструкций и повышения прочности и надежности запорной арматуры.
Современный уровень развития численных методов и наличие мощных ЭВМ определили широкое распространение для моделирования гидродинамики и теплопереноса математических моделей, основанных на численном решении уравнений Навье-Стокса и энергии. Однако практически отсутствуют рекомендации по расчетным методам моделирования течения и теплообмена неньютоновских жидкостей с учетом их переменных теплофизических свойств. С вычислительной точки зрения ламинарное течение с нелинейной зависимостью коэффициента вязкости эквивалентно моделированию турбулентного течения, но в отличие от теории турбулентности, где разработаны десятки алгебраических и дифференциальных моделей, для неньютоновских жидкостей методы расчета эффективных коэффициентов молекулярного обмена для использования в
6 численных алгоритмах решения уравнений движения и теплообмена развиты недостаточно.
Создание эффективных численных расчетных методик для моделирования сопряженных гидродинамики и теплопереноса неньютоновских жидкостей в трубопроводах и запорной арматуре требует решения ряда вопросов алгоритмического и программного обеспечения инженерно-конструкторской деятельности для повышения эффективности расчетно-теоретических методов исследования и решения поставленных задач.
Таким образом, проблемы моделирования гидродинамических и теплофизических процессов в элементах конструкций нефтяного оборудования (ЭКНО) представляют как теоретический интерес (моделирование неньютоновских жидкостей), так и практический для повышения работоспособности ЭКНО.
Работа выполнена в рамках основных научных направлений
Воронежского государственного технического университета
«Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы для управления технологическими процессами», в соответствии с «Перечнем приоритетных научно-технических проблем ОАО «Газпром» на 2002-2006 гг», утвержденным председателем Правления ОАО «Газпром» (АМ-2121 от 15.04.02 г.)
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является моделирование гидродинамики и теплопереноса неньютоновских жидкостей в каналах изменяющейся геометрии и запорной арматуре. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
Анализ методов моделирования и численных алгоритмов расчета гидродинамики и теплопереноса неньютоновских жидкостей.
Разработка математической модели сопряженных гидродинамики и теплопереноса для степенной и вязкоупругои неньютоновских жидкостей в каналах изменяющейся геометрии и направления течения.
Разработка программно-алгоритмических средств для обеспечения устойчивого расчета и уменьшения вычислительной погрешности.
Реализация численного эксперимента по анализу работоспособности запорной и регулирующей арматуры в условиях рабочего диапазона параметров среды с учетом влияния сероводорода на пластичность материалов.
Научная новизна.
Создана математическая модель ламинарных неизотермических течений, отличающаяся неньютоновским характером степенных жидкостей, позволяющая анализировать процессы гидродинамики и теплопереноса в каналах изменяющейся геометрии и запорной арматуре.
Разработан алгоритм расчета гидродинамики, отличающийся введением расчетных узлов, факторизованных по граничным условиям, и обеспечивающих расчет параметров степенных и вязкоупругих жидкостей.
3. Получены устойчивые численные решения для гидродинамических
параметров, учитывающие турбулентные флуктуации в потоке и
обеспечивающие расширение области применения на каналы с
изменяющейся геометрией.
4. Разработан численный метод получения градиента температур
неньютоновской жидкости во внутренних течениях изменяющейся
геометрии для обеспечения возможности прогнозирования
работоспособности запорной арматуры в условиях контакта с fyS средой.
Практическая значимость и реализация результатов.
Разработанные математические модели, методы, алгоритмы, программное обеспечение прошли экспериментальную проверку и используются при проектировании запорной арматуры нефтегазового оборудования.
Запатентованные конструкции внедрены в промышленную эксплуатацию. Изделия, проектируемые по разработанным моделям, изготавливаются ФГУП КБХА для ОАО «Газпром».
Основные результаты диссертационного исследования используются в практике ФГУП КБ химавтоматики (г. Воронеж), а также в учебном процессе кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ВГТУ.
Методы исследований основаны на теории математического моделирования, численных методах в динамике жидкостей, гидродинамике и теплопереносе неньютоновских жидкостей, теории прочности.
Апробация работы.
Материалы и результаты, выполненные по теме диссертации, докладывались на 3 национальной конференции по теплообмену РНКТ-3 (Москва, 2002), семинаре «Прочность и надежность нефтегазового оборудования» (Москва, 2000), региональном межвузовском семинаре «Процессы теплообмена в энергомашиностроении» (Воронеж, 1999-2002), международной электронной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2002-2003).
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 7 научных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [1] -лагранжево-эйлерова численная методика расчета нестационарных течений, в [2,3]- математическая модель и численный алгоритм решения уравнений импульса и энергии для степенной и вязкоупругой неньютоновской среды; в патентах [6-7] - геометрии запорного элемента и проточной части.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 136 страницах, содержит 38 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 83 наименований.
Численное решение уравнений импульса и энергии
Характеристики процессов тепло- и массообмена можно определить экспериментально и теоретически. Рассмотрим вкратце каждый из этих подходов, а затем сравним их между собой [38,39].
Часто наиболее надежную информацию о физическом процессе можно получить путем непосредственных измерений. С помощью экспериментального исследования на полномасштабной установке можно определить поведение объекта в натурных условиях. В большинстве случаев такие полномасштабные опыты чрезмерно дороги и часто невозможны. Альтернативой является проведение экспериментов на маломасштабных моделях [41,46,49]. Однако полученную информацию необходимо экстраполировать на натурный объект, а общие правила для этого отсутствуют. Кроме того, на маломасштабных моделях не всегда можно воспроизвести все свойства полномасштабного объекта. Это также снижает ценность полученных результатов. Наконец, во многих случаях измерения затруднены, и измерительное оборудование может давать погрешности.
При теоретическом исследовании определяются, скорее, результаты решения задачи согласно используемой математической модели, а не характеристики действительного физического процесса. Для интересующих нас физических процессов математическая модель состоит, главным образом, из системы дифференциальных уравнений [39,46,61]. Если бы для решения этих уравнений использовались только методы классической математики, то вряд ли удалось бы рассчитать многие имеющие практический интерес явления. На основании классических работ по теплообмену или гидромеханике можно прийти к выводу, что в аналитическом виде можно получить решения только небольшой части задач, имеющих практический интерес. Кроме того, эти решения часто содержат бесконечные ряды, специальные функции, трансцендентные уравнения для собственных значений и т.д., и их числовая оценка может представлять весьма трудную задачу.
Уровень развития численных методов и наличие мощных ЭВМ позволяют полагать, что почти для любой практической задачи можно составить математическую модель [45,51,60] и провести ее численное исследование.
Перечислим преимущества численного решения по сравнению с соответствующим экспериментальным исследованием.
Низкая стоимость. Наиболее важным преимуществом численного решения является его небольшая стоимость. В большинстве случаев стоимость затраченного машинного времени на много порядков ниже стоимости соответствующего экспериментального исследования. Значение этого фактора возрастает с увеличением масштабов и усложнением требующего изучения физического процесса.
Скорость. Численное решение можно провести очень быстро. Конструктор имеет возможность меньше, чем за день, просчитать сотни вариантов и выбрать оптимальную конструкцию, в то время как соответствующее экспериментальное исследование заняло бы очень много времени.
Полнота информации. Численное решение задачи дает подробную и полную информацию. С его помощью можно найти значения всех имеющихся переменных (таких, как скорость, давление, температура, концентрация) во всей области решения. В отличие от эксперимента для расчета доступна практически вся исследуемая область и отсутствуют возмущения процесса, вносимые датчиками при экспериментальном исследовании. Очевидно, что ни в одном экспериментальном исследовании невозможно измерить распределения всех переменных во всей исследуемой области. Поэтому, даже если проводится экспериментальное исследование, большое значение для дополнения экспериментальной информации имеют результаты численного решения.
Возможность математического моделирования реальных условий. Численное решение можно получить для реальных условий исследуемого процесса, что далеко не всегда возможно при экспериментальном исследовании.
Возможность моделирования идеальных условий. Если с помощью численного решения изучаются закономерности физического процесса, а не сложные инженерные задачи, можно сконцентрировать внимание на нескольких существенных параметрах этого процесса и исключить все несущественные явления. При этом можно моделировать многие идеализированные условия, например, двумерность, постоянство плотности, адиабатическую поверхность или бесконечно быструю реакцию. При экспериментальном исследовании даже с помощью довольно тщательного эксперимента не всегда можно достичь таких идеализированных условий.
Численное решение задач, связанных с теплообменом, течением жидкости и многими другими процессами, можно начинать, когда законы, управляющие этими процессами, выражены в математической форме, обычно в виде дифференциальных уравнений [40,43,62].
Большинство расчетных алгоритмов, используемых при решении уравнений энергии и импульса основано на концепции дискретизации [38,49,59], согласно которой решение задачи определяется на счетном множестве дискретных точек (узлов, ячеек, контрольных объемов или конечных элементов). Исходные дифференциальные уравнения при этом аппроксимируются на расчетном шаблоне и в каждом узле записывается система алгебраических уравнений относительно неизвестных дискретных параметров, определяющих течение. В зависимости от типа разбиения расчетной области и способов аппроксимации уравнений различают конечно-разностные, конечно-объемные и конечно-элементные методы [38,47,61]. Наибольшее распространение при решении сложных задач получили первые два метода.
Следует отметить, что в настоящее время предпринимаются успешные попытки распространить конечно-элементные методы, которые получили широкое распространение при решении задач упругости и теплопроводности, для расчета течений вязкой несжимаемой жидкости [43,46].
Анализ становления вычислительной гидродинамики показывает, что методы разностного моделирования получили наибольшее развитие в расчетах сверх- и гиперзвуковых течений как идеального, так и вязкого газа применительно к внешним задачам аэрогидродинамики, к задачам лазерной технологии и др. Разработка высокоточных и эффективных алгоритмов, основанных на нестационарных явно-неявных и неявных разностных схемах, факторизованных методах решения задач; конструирование криволинейных, согласованных с границами расчетной области координатных систем и построение дву- и трехмерных расчетных сеток, в том числе с использованием идей адаптации линий применительно к особенностям газодинамической структуры течения; экономичное решение задач газодинамики на специализированных многопроцессорных ЭВМ с расщеплением вычислительных операций - далеко не полный перечень новшеств, введенных в методологии расчетов течений сжимаемой жидкости[52,54,59]. В то же время наибольшие успехи в моделировании турбулентности, в создании каталога относительно универсальных полуэмпирических моделей связаны решением задач тепло- и массопереноса, задач естественной конвекции и динамики несжимаемой жидкости.
Численный метод решения системы уравнений гидродинамики и теплопереноса
Разработанный алгоритм в рамках данной проблематики гидродинамики и теплопереноса течения неньютоновской жидкости основан на методе маркеров и ячеек (MAC) численного решения уравнений Навье-Стокса, и способен в общем случае считать нестационарные ламинарные и турбулентные потоки с переменными теплофизическими и реологическими свойствами по поперечному сечению потока. Приводимая ниже методика моделирования рассматривается для внутренних течений среды в трубопроводах цилиндрического поперечного сечения и плоских каналах, что охватывает широкий круг практически важных задач, таких, как: трубопроводов подачи, каналов в запорной аппаратуре, уплотнительных устройств насосных агрегатов и т.д. Для моделирования сопряженных задач гидродинамики и теплообмена необходимо совместно решать и уравнения движения, включающие уравнения импульса и уравнение неразрывности, и уравнение энергии для определения тепловых потоков и распределения температур.
Такие условия приводят к необходимости итерационных последовательных процедур типа: решение уравнений движения для определения поля скоростей; решение уравнения энергии для нахождения распределения температуры; определение теплофизических и реологических констант; решение уравнений движения с переменными свойствами; оценка устойчивости ламинарной формы течения; при необходимости моделирование турбулентности; определение профилей скоростей развитого течения в трубопроводах; решение частных задач исследования (определение параметров теплообмена, гидравлических потерь, гидравлической неравномерности в трубопроводах подачи и т.д.). Для применения разработанной методики главное - корректно сформировать начальные и граничные условия. Начальные условия для гидродинамической проблемы заключаются в том, чтобы в узлах расчетной сетки задать компоненты скорости такие, чтобы они удовлетворяли уравнению неразрывности. Если расчетная область представляет собой прямой канал или цилиндрическую трубу, то распределение скорости задается равномерным профилем для исследования начальных участков входа, т.е. участков гидродинамической стабилизации, либо параболическим для ламинарных течений или «корня седьмой степени» для турбулентных течений, если рассматриваемые участки каналов - с полностью развитым профилем (например, при исследовании трубопроводов подачи). Если канал имеет сложную форму, например - поворот потока на 90, то для определения начального распределения скоростей надо решать уравнение потенциала, случаях можно обойти эту проблему, задавая эвристические распределения. Например, при исследовании канала с поворотом потока на 90, можно задавать профиль скорости с изломом (рис. 4) так, чтобы удовлетворялось уравнение неразрывности. Несомненно, самой важной частью решения является формирование граничных условий. Для внутренних течений однозначно надо соблюдать выполнение баланса по скорости на всех границах (интегральное условие неразрывности или сохранения массы): а также соблюдать баланс источниковых членов, которые группируются, как правило, в правой части лапласиановского давления, и должно выполняться условие
Необходимо отметить, что давление в уравнения движения входит в относительном виде, поэтому в одном из расчетных узлов необходимо задавать конкретное числовое значение давления, относительно которого будут вычисляться давления во всех остальных расчетных узлах. Рассмотрим пример течения на прямом участке круглой трубы для уравнений движения (1.15) - (1.16), записанных в цилиндрических координатах. Рассмотрим основные разновидности расчетных узлов и запишем для них уравнения Пуассона для давления согласно методу MAC, описанному выше. Именно на стадии формирования уравнений Пуассона осуществляется постановка граничных условий. Поэтому этот этап чрезвычайно важен и нуждается в подробном описании. На рис. 5 изображен фрагмент трубы как вид вычислительной области. На левой границе задается значение скорости на входе в узлах, которые не являются расчетными, т.к. входные скорости не будут меняться по времени. Все остальные узлы, отмеченные на рисунке различными маркерами, являются расчетными, причем часть из них является совокупностью двух других. Самым многочисленным классом являются внутренние узлы расчетной области, отмеченные точками, т.е. такие узлы, для которых справа, слева, снизу, сверху также находятся расчетные узлы. Нетрудно заметить, что в отличие от внутренних узлов расчетной области здесь в левой части уравнения отсутствует член [Pt у - Pt_x . )/(2Ах), а в правой части вместо Ft_x -/(2Ах) присутствует мм /(2 Ах At). Узлы г. Это соседние узлы со стенкой трубы. Значения скоростей в этих узлах определяют касательные напряжения на стенке, т.е. коэффициент поверхностного трения, а также величина сдвиговых деформаций в этих узлах имеют большие значения, т.е. неньютоновский характер течения будет здесь проявляться в большей степени. Уравнение Пуассона записывается так: Узлы U . Это узлы, лежащие на выходной границе течения. При исследовании транспортных трубопроводов это сечение, которым мы искусственно «обрезаем» область расчета, считая, что течение установилось Узлы - . Это узлы, соседние с выходной границей.
Необходимость выделения этих узлов в отдельный класс обусловлена необходимостью специфического расчета FM , т.е. значения F опять же на выходной границе. Тем не менее, уравнение Пуассона имеет тот же вид, что и для внутренних узлов, но Необходимо отметить, что при дискретизации производных от давления таким образом, сумма коэффициентов всей системы получающихся алгебраических уравнений равна нулю, что обеспечивает ограниченность расчетной схемы и выполнение интегрального уравнения баланса. Однако в некоторых расчетных узлах не обеспечивается диагональное преобладание матрицы коэффициентов, что делает в общем случае открытым вопрос применения итерационных процедур решения системы сеточных алгебраических уравнений. Условие устойчивости вычислительного алгоритма базового метода MAC 0,25 было модифицировано и на основании многочисленных Для решения уравнения при известном распределении скоростей в расчетной области может быть получен следующий явный алгоритм по схеме ВВЦП ( «вверх по времени, центральные по пространству» ): где диссипативная функция h, определяющая ежесекундное количество перешедшей в тепло энергии в единице объема для несжимаемой жидкости, и равная второму инварианту (квадратичному) тензора скоростей деформаций, определяется для цилиндрических координат : При решении уравнения (2.36) существует несколько вариантов постановки граничных условий для температуры в зависимости от решаемой задачи. На входной границе, как правило, задаются граничные условия первого рода, т.е. значения температуры в расчетных узлах. На стенке канала или трубопровода чаще всего целесообразно ставить граничные условия третьего рода следующим образом. Баланс тепловых потоков от жидкости в стенку и от внутренней поверхности стенки в окружающую среду:
Расчет плоского канала при повороте потока на 90
Реализация прямолинейного течения в каналах и трубопроводах упрощает задачу моделирования, т.к. в этом случае существует преобладающее направление течения, и для стабилизированного течения распределение гидродинамических параметров по сути зависит лишь от одной координаты. Кроме того, режим течения в таких системах остается ламинарным для широкого круга реальных режимов и канальных геометрий. Однако при резком изменении направления течения (поворот, внезапное расширение, вдув в спутный поток), использование ламинарных уравнений Навье-Стокса ограничено низкими Re и при численном решении возникает необходимость искусственно повышать вязкость в области больших сдвиговых напряжений.
Рассмотрим результаты численного расчета плоского канала с поворотом потока на 90. Решались уравнения импульса и неразрывности для изотермического течения. В качестве начального распределения скорости использовалось угловое распределение (рис. 12).
При численном решении уравнений движения, если значения Re 200, то в некоторых местах расчетной области локальные градиенты скоростей настолько увеличиваются, что силы вязкости уже не могут сгладить турбулентные флуктуации, тем более за достаточно большое At. В этом случае сходимость итераций к устойчивому решению не достигается. Если размер расчетной сетки сопоставим с масштабом турбулентности, а время At - 0, то теоретически возможно использование уравнений Навье-Стокса для так называемого прямого моделирования турбулентности. Дальнейшее повышение мощности компьютеров, вероятно, сделает это вполне реальной задачей, однако до настоящего времени турбулентность моделируют при помощи различных моделей турбулентности, которые все являются полуэмпирическими. Наибольшее распространение в последнее время получила к- є модель как наиболее универсальная, хотя для определенных классов течений предпочтительнее, в основном проще, оказываются другие модели. Например, для течений с преобладающим направлением весьма часто использование моделей, основанных на длине пути перемешивания (Прандтля и модификации). Задачей моделирования в этом случае является получение распределения в области расчета турбулентной вязкости juT. Тогда получается, что в тех узлах расчетной сетки, где возрастают градиенты скоростей, необходимо такое распределение турбулентной вязкости, чтобы сгладить турбулентные флуктуации. В этом случае для моделирования можно использовать уравнения Навье-Стокса, заменив в них — на \- /лт.
Для течения, описанного в пункте 3.2, решались уравнения двух параметров модели турбулентности к-є.
Для расчета турбулентных течений необходимо рассматривать осредненные по времени уравнения Навье-Стокса, так называемые уравнения Рейнольдса.
Под традиционными координатными системами будем понимать часто употребляемые на практике декартовую, цилиндрическую и полярную системы координат. Они относятся к типу ортогональных систем, в которых координатные линии пересекаются под прямым углом. Для таких координат члены, входящие в уравнения, представляются наиболее просто, что позволяет на их основе при разностном моделировании течений создавать сравнительно простые и экономичные расчетные схемы. Недостаток традиционных координатных систем - ограниченность геометрических конфигураций расчетных областей, которые могут быть рассмотрены с ее помощью. Действительно, крайне желательно обеспечить совпадение координатной линии и обтекаемой поверхности, что позволяет просто и с большой точностью реализовывать поставленные на них граничные условия. Поэтому в традиционных координатах целесообразно решать задачи о течении в каналах.
Исходные уравнения в естественных переменных, описывающие плоско-осесимметричное течение жидкости, представляется в канонической форме для произвольного параметра Ф:
Величины, входящие в уравнение (3.1) и в источниковый член, сведены в таб. 3.1 : х,у- продольная (осевая) и поперечная (радиальная) оси декартовой (цилиндрической) оси координат; u,v - соответствующие скорости в направлениях х, у соответственно.
Термохимические проблемы при течении нефти и газа в ЭКНО. Наличие сероводородной среды
Согласно стандарту национальной ассоциации инженеров-коррозионистов NACE, жидкости, содержащие воду и сероводород, считаются сернистой средой и могут под напряжением вызывать в некоторых материалах сульфидное растрескивание. Это явление происходит в результате сложного взаимодействия следующих параметров: химического состава металла, прочности, термообработки и микроструктуры; рН; концентрации сероводорода и полного давления; полного предела прочности; температуры; времени контактирования. Объем сероводорода в составе природного нефтяного газа доходит до 25% и выше.
Для предотвращения агрессивного влияния сероводорода на ЭКНО их изготовляют из коррозионо-стойких сталей, обладающих ограниченными пределами текучести и прочности, а также соответствующей твердостью. Металлы подвергают термической обработке различными способами, чтобы придать им стойкость к сульфидному растрескиванию. При высокой температуре снижается агрессивное влияние сероводорода на металлы оборудования (они становятся менее хрупкими).
Сероводород интенсивно растворяется в воде при рН 7, образуя сероводородную кислоту H2S, при рН 7 гидросульфид-ионы HS n некоторое количество S2 , при рН 11 - сульфид-ионы.
Плотность сероводорода 1170 кг/ м3, критическая температура 100,4С, критическое давление 8,89 МПа, температура самовоспламенения 290С. Наиболее опасно для трубопроводов подачи и наземной коммуникации совместное содержание в природном газе сероводорода и углекислого газа.
Запорная арматура, соприкасающаяся с сероводородом, подвержена воздействию сероводорода и сульфидному растрескиванию при нахождении ее узлов в напряженном состоянии [81]. Так, при изгибе и растяжении происходит охрупчивание и растрескивание (СКРН), сжатии - общая коррозия под действием сероводорода и хлоридно-натриевой воды: на поверхности деталей образуется тонкая пленка продуктов железа и серы, при накоплении которых в первоначальный момент коррозия замедляется. Через определенное время поверхности деталей покрываются налетом темного цвета, затем ржавчиной. Одновременно в металлы шпилек проникает атомный водород, образующий микротрещины.
Доминирующий фактор в разрушении металла оборудования - скопление на поверхности деталей атомов водорода, а за затем постепенное проникновение их в кристаллическую решетку металла. Между атомами напряженного металла образуются молекулы водорода, которые, создавая высокие внутренние давления, образуют микротрещины, приводящие к охрупчиванию.
Согласно известным данным, сульфидное растрескивание - результат воздействия атомного водорода, высвобождающегося при реакции H2Sc металлом в присутствии воды и приводящего к возникновению неразветвляющихся микротрещин в зернах металла. Исследователи отмечают, что этот процесс ускоряется при температуре от 23 до 82С, а с превышением 82С уменьшаются скорость проникновения атомов водорода в металл оборудования и действие реакций. В легированной высокопрочной стали образуются трещины, которые проявляются внезапно или с течением некоторого короткого промежутка времени.
Скорость диффузии и накопление водорода в различных структурах стали неодинаковы. Так, в феррите и мартенсите они заметно велики, а в аустените -малы.
Приведенные данные показывают, что для возникновения сульфидного растрескивания требуется совокупность нескольких факторов: наличие металла, чувствительного к коррозии при рабочем диапазоне температур, напряжение растяжения ар, контакт металла с H2S, низкая щелочность среды -показатель рН 10 и определенное давление.
Элементы конструкций современного нефтяного оборудования (ЭКНО) испытывают при эксплуатации высокие силовые нагрузки, которые приводят к возникновению в них значительных напряжений. Поскольку многие из указанных элементов имеют сложную конфигурацию, эти напряжения носят, как правило, локальный характер, сосредоточенный в зонах концентрации напряжений, которыми являются отверстия, проточки, галтели, резьбы и другие конструктивные особенности.
Как показывает опыт прочностной отработки ЭКНО, при испытаниях внутренним давлением именно в зонах концентрации напряжений образуются трещины, распространение которых приводит к разрушению конструкции.
Повторное циклическое нагружение только усугубляет этот процесс: если нагрузка будет изменяться циклическим образом, это приводит к уменьшению несущей способности конструкции.
Все изложенное заставляет искать новые подходы к оценке прочности ЭКНО, которые учитывали бы особенности конструкции в виде концентраторов напряжений, а не ограничивались бы определением номинальных напряжений. По номинальным напряжениям устанавливаются общие запасы прочности конструкций, что регламентируется нормами прочности и другими нормативными документами [14] и является обязательной процедурой при проектировании ЭКНО. Но, как показывает опыт, на современном этапе, когда при проектировании широко используются численные методы анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) [такие, например, как метод конечных элементов (МКЭ)] оценки прочности конструкций только по номинальным напряжениям явно недостаточно. Должны быть использованы другие критерии, например, силовые и деформационные [11, 12], дающие возможность более полно учитывать при анализе прочности особенности конструкции и с учетом этого более достоверно определять несущую способность ЭКНО.
Переход к анализу прочности в зонах конструктивных особенностей ЭКНО преследует и некоторые дополнительные цели: заставляет обратить особое внимание на эти зоны с точки зрения контроля качества и возможной диагностики ЭКНО как в процессе изготовления, так и при эксплуатации [83]. Это, безусловно, должно способствовать повышению работоспособности и надежности ЭКНО.
В диссертации приводятся некоторые результаты по анализу прочности ЭКНО в зонах конструктивных особенностей на основе силовых и деформационных критериев разрушения. Это позволило предложить соответствующие методы расчета ЭКНО и дать рекомендации по возможному снижению коэффициентов запасов прочности, используемых при проектировании ЭКНО в настоящее время.
Получение соотношений. Рассматривается элемент конструкции, нагруженный системой поверхностных и объемных сил, в котором реализуется поле напряжений а у и поле деформаций е . Предполагается, что элемент выполнен из упругопластического материала, поведение которого при нагрузке характеризуется диаграммой растяжения cri-ei ( Ji,ei - интенсивности напряжений и деформаций). Определение т; и е1 проводится известными методами [31, 17].
