Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изучаемого вопроса 8
1.1. Перспективы сооружения полиэтиленовых трубопроводов 8
1.2. Анализ технологий бестраншейной прокладки полиэтиленовых труб 12
1.3. Анализ применения полиэтиленовых труб в условиях отрицательных температур 21
1.4. Выводы по главе 26
2. Математическая модель расчета на изгиб полиэтиленовых труб с учетом температурных условий 28
2.1. Моделирование напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при изгибе в условиях различных температур 28
2.1.1. Анализ методик расчета напряженно-деформированного состояния полиэтиленовой трубы 28
2.1.2. Математическая модель напряженно-деформированного состояния полиэтиленовой трубы с учетом температурного фактора 31
2.1.3. Дифференциальные уравнения математической модели с учетом температурного фактора 39
2.1.4. Краевые условия 42
2.1.5. Решение дифференциальных уравнений методом конечных разностей 44
2.2. Обоснование достоверности численных результатов расчета с учетом температурного фактора 51
2.3. Напряженно-деформированное состояние трубы при изгибе с изменением температурных условий 55
2.4. Выводы по главе 59
3. Экспериментальные исследования деформирования полиэтиленовых труб с учетом температурных воздействий 61
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований 61
3.2. Обоснование методики 64
3.3. Экспериментальные исследования при отрицательных температурах 76
3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 80
3.5. Выводы по главе 83
4. Практическое использование результатов исследований 85
4.1. Определение допустимых радиусов изгиба полиэтиленовых труб с изменением температурных условий 85
4.2. Рекомендации по коррективам свода правил по строительству газопроводов 91
4.3. Расчет технико-экономических показателей 93
4.4. Выводы по главе 99
Основные результаты и выводы по работе 100
Список литературы
- Перспективы сооружения полиэтиленовых трубопроводов
- Моделирование напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при изгибе в условиях различных температур
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Определение допустимых радиусов изгиба полиэтиленовых труб с изменением температурных условий
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен достаточно богатый опыт использования полиэтиленовых трубопроводов в газораспределительных системах. Выпуск труб малого диаметра в бухтах предопределил научные и инженерные поиски в создании технологий прокладки, позволяющих снизить затраты по сооружению трубопроводов. К таким технологиям следует отнести, например, горизонтально-направленное бурение, плужный и другие способы бестраншейной прокладки. Использование этих способов позволяет значительно сократить объемы земляных работ и увеличить скорость прокладки трубы. Одним из сдерживающих факторов всесезонного их применения являются ограничения, регламентированные нормативными документами по условиям прокладки при отрицательных температурах окружающего воздуха. Действующий в настоящее время СП 42-103-2003 "Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов" распространяется на применение полиэтилена с минимальной длительной прочностью MRS (Minimum Required Strength) 8,0 МПа (ПЭ80) и более. Ограничения, заложенные в нем по температурным условиям, перенесены из ранее действовавшего нормативного документа (СП 42-101-96), разработанного для труб из полиэтилена ПЭ63. Согласно требованиям прокладку можно производить при температуре окружающего воздуха до -15 °С, а разматывание труб с бухт - до +5 °С. Учитывая использование новых материалов, указанные ограничения являются необоснованно жесткими и нуждаются в проверке.
Анализ поведения трубы во время бестраншейной прокладки и обоснование возможности ее осуществления при температурах до -20 °С (ограничение для транспортировки, погрузки и разгрузки труб) позволит внести корректировку в нормативные документы, увеличить длительность сезона возможного производства работ и повысить коэффициент использования техники.
Все вышесказанное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Цель работы - количественная оценка напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых трубопроводов в условиях отрицательных температур при бестраншейной прокладке.
Для достижения поставленной цели исследований сформулированы следующие задачи:
- разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при бестраншейных способах прокладки с учетом температурного фактора;
- установить закономерности изменения модуля упругости и предела текучести полиэтилена ПЭ80 от температуры окружающего воздуха;
- разработать методику экспериментальной оценки зависимости прочностных свойств полиэтиленовой трубы от изгибающих воздействий при различных температурах;
- разработать нормативные требования к величине допустимого изгиба полиэтиленовых труб в процессе бестраншейной прокладки при отрицательных температурах.
Объектом исследования является полиэтиленовая труба, а предметом исследования поведение полиэтиленовой трубы при изгибе в условиях отрицательных температур окружающего воздуха.
Научная новизна работы:
- разработана математическая модель, позволяющая производить расчет напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при бестраншейных способах прокладки в температурном диапазоне от +20 °С до -20 °С;
установлены аналитические зависимости прочностных и деформационных характеристик полиэтилена ПЭ80 от температуры окружающего воздуха, которые в диапазоне температур от +20 °С до -60 °С имеют линейный характер;
- разработана методика количественной оценки величины деформации образцов полиэтиленовых труб после приложения нагрузок, вызванных технологиями бестраншейной прокладки;
- установлены функциональные зависимости между диаметром труб (SDR 11) из полиэтилена ПЭ80 и предельной величиной их упруго-пластического изгиба при температурах до -20° С.
Практическая ценность и реализация работы.
1. Результаты работы позволяют внести коррективы в действующие нормативы и регламенты по строительству газопроводов из полиэтиленовых труб и увеличить длительность сезона возможного производства работ при бестраншейной прокладке.
2. Установленная зависимость между диаметром трубы (SDR 11) из полиэтилена ПЭ80 и возможным диаметром ее изгиба позволяет проектным организациям выбрать технологические режимы производства работ с обеспечением прочностных характеристик полиэтиленового трубопровода.
3. Результаты работы используются в учебном процессе Тюменского государственного нефтегазового университета при подготовке инженеров и повышении квалификации специалистов производства.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на научно-практических конференциях различного уровня: "Инновации. Интеллект. Культура" (Тобольск, 2005), "Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта»" (Самара, 2005), "Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения" (Тюмень, 2006), «Нефть и газ - 2006» (Тюмень, 2006), "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" (Тюмень, 2007), а также на научных семинарах кафедр "Механизация строительства и природообустройства" и «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» ТюмГНГУ (Тюмень, 2004-2007).
Публикации. По результатам исследований опубликовано восемь научных работ.
Перспективы сооружения полиэтиленовых трубопроводов
Применение неметаллических труб для строительства трубопроводов имеет более чем 50-летнюю историю. Первоначально они использовались в основном для водопровода, канализации, ливнестоков и т.д. В системах газоснабжения полиэтиленовые трубы стали применять несколько позже.
Полиэтиленовые трубы обладают рядом преимуществ по сравнению с металлическими [20,43, 53, 73, 79, 80, 81, 121, 123, 124], а именно: - коррозионной стойкостью; - малой массой; - удобством монтажа; - низкой газопроницаемостью; - малым гидравлическим сопротивлением; - высокой эластичностью и ударопрочностью; - простотой и надежностью соединения; - технологичностью и экономичностью в изготовлении как самих труб, так и соединительных деталей.
Проведенные ОАО «Гипрониигаз» расчеты по стоимости строительства газопроводов из металлических и полиэтиленовых труб свидетельствуют о том, что за счет отсутствия изоляционных работ и контроля их качества, сокращения объемов сварочных работ (особенно при использовании длинномерных труб и выполнении соединений полиэтиленовых труб с помощью муфт), снижения объемов трубоукладочных работ, отсутствия необходимости защиты газопроводов от электрохимической коррозии и др. стоимость строительно-монтажных работ полиэтиленовых газопроводов меньше по сравнению со стальными в среднем на 15 - 20 % [32].
Высокая пластичность полиэтиленовых трубопроводов обосновывает целесообразность их использования в пучинистых, набухающих и слабых грунтах, высокосейсмичных районах. [32, 118, 125]
В работах [26, 29, 31, 33, 75, 111, 112] указывается, что наиболее эффективно использовать полиэтиленовые трубы для напорных подземных газопроводов среднего и высокого давления, которые, равномерно обжимаясь по поверхности, находятся в равновесном состоянии вследствие совместной работы внутреннего давления в трубе и внешнего давления земляной массы (при хорошо подготовленной постели и плотной трамбовке грунта). В дальнейшем было определено, что трубы в грунте находятся в более сложном напряженном состоянии, и решающим фактором являются не свойства полиэтилена, а их изменение во времени [45, 46, 61, 63, 68].
Применение полиэтиленовых труб при строительстве подземных газопроводов вызвано также тем, что во время эксплуатации на открытом воздухе, при воздействии тепла, кислорода и ультрафиолетового излучения происходит старение полиэтилена, т.е. изменяются его физико-механические свойства (относительное удлинение, морозостойкость, текучесть, ударная вязкость, хрупкость).
Одним из лидеров отечественной промышленности по производству и использованию полиэтиленовых труб является ОАО "Запсибгазпром" (г. Тюмень). Его структурное подразделение - завод ЗАО "Сибгазаппарат" выпускает как обыкновенные полимерные трубы, так и армированные.
Наиболее распространено использование при газификации труб из полиэтилена с минимальной длительной прочностью MRS (Minimum Required Strength) 8,0 МПа (ПЭ80) и отношением наружного диаметра d к толщине стенки 5, равным 11 (Standard Dimension Ratia - SDR 11). Характеристики труб для газопроводов представлены в таблице 1.1.
Более чем 40-летний опыт эксплуатации подземных полиэтиленовых газопроводов подтвердил их высокую надежность и экономичность [32].
Вопросам специфики технологий при производстве работ с полиэтиленовыми трубопроводами в зависимости от различных факторов посвящены исследования, проведенные в ГипроНИИгаз, ВНИИСТ, МИИП-НПО «Пластик», Полимергаз, Институте неметаллических материалов Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и других организациях. Исследования таких ученых, как В.И. Агапчев, Ф.И. Бабенко, В.Л. Бажанов, Д.А. Виноградов, С.А. Горелов, К.И. Зайцев, В.А. Иванов, Г.К. Кайгородов, В.Ю.Каргин, В.В. Новоселов, П.М. Огибалов, А.С. Стручков, В.Е. Удовенко и многих других, позволили определить особенности использования полиэтиленовых трубопроводов [1,15, 23, 24, 27, 28, 34, 57, 58, 59, 60, 64, 65, 66, 67, 76, 82, 105, 106].
В результате были сделаны следующие обобщающие выводы в отношении свойств полиэтиленов: при относительно малой плотности материалы обладают высокой стойкостью к действию природного газа; полиэтилены легко обрабатываются, имеют низкий модуль упругости и относительно низкие температуры плавления и текучести, причем численные значения модуля упругости у разных материалов сильно отличаются друг от друга и зависят в большой степени от температуры и влажности; снижение температуры приводит к увеличению модуля упругости, предела текучести и хрупкости материала трубы; характеристики полимерных материалов не стабильны, их следует рассматривать как ориентировочные и каждый раз проверять численные значения для запланированной области применения; некоторые полимерные материалы обладают свойством анизотропии и их прочностная характеристика "напряжение - деформация" зависит не только от величины нагрузки, но и от продолжительности нагружения;
Моделирование напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при изгибе в условиях различных температур
При использовании описанных выше технологий прокладки и ремонта трубопроводов трубы могут подвергаться воздействию нескольких видов напряжений. При этом одни из них действуют на определенных участках, другие распределяются по всей трубе от бухты до выхода из направляющего устройства. В зависимости от этого выделяются несколько участков трубы.
На первом участке рассматривается труба, намотанная на барабан 1 (рис. 2.1.). Наиболее опасными на данном этапе являются места перегибов трубы на первом витке у сердечника барабана, так как именно здесь материал трубы подвергается комбинированному воздействию деформаций, выходящих за предел упругости материала. В связи с относительно небольшим диаметром барабана и с учетом возможного изменения температуры окружающего воздуха материал трубы может работать в этот момент в зоне упруго-пластических деформаций.
На втором участке рассматривается процесс разматывания трубы с барабана путем ее стягивания и подачи по направляющим роликам. На этом участке могут возникнуть напряжения от растяжения и изгиба при возникновении условий, когда по каким-либо причинам происходит стопорение барабана (крайний случай нагружения). Предельная нагрузка от растяжения, которую может выдержать гибкая труба, зависит от наружного диаметра, толщины стенок трубы, температуры окружающего воздуха. Необходимо обеспечить невозможность крайнего случая нагружения.
На третьем криволинейном участке полиэтиленовая труба подается в направляющее устройство 3. На этом участке возникают растягивающие и изгибающие напряжения от усилия протяжки, которые зависят от коэффициентов трения, диаметра трубы, радиуса криволинейного направляющего устройства, температуры материала трубы.
Максимальный уровень напряжений труба испытывает на третьем криволинейном участке. При этом материал, из которого она изготовлена, кратковременно работает в зоне упруго-пластических деформаций из-за относительно небольшого радиуса изгиба, и необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние трубы в этих условиях с целью сохранения прочностных характеристик.
Для описания напряженно-деформированного состояния трубы использованы основы теории криволинейных стержней и кривых тонкостенных труб, так как длина трубы намного превышает ее диаметр. В настоящее время в этой области известно большое количество работ по исследованию напряженно-деформированного состояния элементов конструкций из различных материалов, в том числе и из композитных [36, 55, 62,71,86,103,114,115].
Так, в работе Бейлина Е.А., Мулляминова P.M. [10] приводятся решения задач деформационного расчета для тонкостенных стержней с плоскокриволинейной осью, снабженных распределенными вдоль оси депланационными связями. Эти решения базируются на уравнениях единой теории кручения и изгиба криволинейных стержней открытого, замкнутого и частично замкнутого профилей.
Известны исследования по определению показателей напряженно-деформированного состояния при изгибе ортотропных криволинейных балок постоянной толщины под действием концевых изгибающих моментов и поперечных сил [122].
Шаминым В. А. [110] описывается построение математических моделей в нелинейных задачах механики деформируемого твердого тела. При этом рассматривается лишь случай, когда деформируемое тело представляет собой первоначально прямолинейный стержень.
В работе [128] приведена методика анализа показателей напряженно-деформированного состояния тонкостенных композитных балок, испытывающих воздействие изгиба, кручения, сдвига и осевых сил. Рассмотрены балочные элементы с открытым или замкнутым поперечным сечением.
Описанные методики расчета не решают задачи по определению напряженно-деформированного состояния криволинейных стержней и тонкостенных труб, работающих в зоне упруго-пластических деформаций при одновременном действии изгиба и растяжения. Этому требованию удовлетворяет математическая модель, предложенная Якубовской СВ. [116], в которой учитываются нелинейные характеристики материала.
Методика проведения экспериментальных исследований
С целью проверки правильности и достоверности основных положений теоретических исследований, а также изучения поведения полиэтиленовых трубопроводов при изгибе в условиях отрицательных температур проведен комплекс экспериментов.
Задачей исследований является разработка методики экспериментального определения деформаций полиэтиленовой трубы в условиях отрицательных температур при использовании технологий прокладки, предполагающих изгиб, а также определение изменения формы поперечного сечения трубы от радиуса трубы и радиуса изгиба для выполнения аналитических расчетов напряженного состояния полиэтиленовых труб при прокладке.
Сложность изучения прочностных характеристик полиэтиленовой трубы заключается в том, что непосредственное измерение напряжений, возникающих при изгибе, вызывает трудности, т.к. метод тензометрии в данном случае не применим из-за процессов ползучести и релаксации. Известны и другие средства для исследования напряжений и жесткости конструкций (метод фотоупругости, метод координатной сетки) [56, 78, 92, 129]. Эти методы, как правило, используются для замеров напряжений в случае моделирования элементов конструкций и требуют использования специальных материалов (например, оптически активных) и специальных средств измерения [70, 77, 107, 109] .В то же время измерительные приборы при низких температурах работают с большими погрешностями.
Для исследования напряжений, возникающих в стенке трубы при изгибе, предложена косвенная система оценки. При этом принято, что труба не претерпит изменений физико-механических характеристик после приложения изгибающей нагрузки, если в комплексе будут выполнены следующие условия: 1) отношение диаметра изгиба трубы к ее диаметру после приложения нагрузки не менее 20 (СП 42-103-2003); 2) овальность трубы после снятия изгибающей нагрузки не превышает максимально допустимой величины (табл. 1.1), определенной ГОСТ Р 50838-95.
Правомерность такого подхода подтверждается тем, что условие устойчивости круглой формы поперечного сечения и условие предельно допустимой величины овализации поперечного сечения трубы используются при расчете полиэтиленовых газопроводов на прочность и несущую способность [32].
Необходимое число повторений опытов планировалось в зависимости от показателей надежности, точности и коэффициента вариации [2].
Надёжность опытов у і задавалась равной 0,95. По заданной надёжности находился уровень значимости Я: Я = 1 — Yi- (3.1) Найденным уровням значимости Я соответствуют определённые квантили нормального распределения - ga, которые находятся по таблицам [17].
В нашем случае для уровней значимости 0,05 квантиль равен 1,96 и показывает в долях стандарта (среднего квадратичного отклонения) С максимальное отклонение случайной величины от её математического ожидания при заданной доверительной вероятности, равной надёжности. Далее задавалась относительная предельная погрешность измерения искомого параметра - показатель точности оценки среднего значения характеристики - S= 0,1 [19].
На первом этапе экспериментальных исследований необходимо было доказать правильность предложенной косвенной системы оценки определения напряжений, возникающих в стенке трубы при изгибе.
Испытанию подвергались образцы труб, изготовленных из полиэтилена марки ПЭ80, выпускаемых заводами-изготовителями в бухтах (SDR 11, с диаметрами до ПО мм включительно). Трубы выпущены в соответствии с ГОСТ Р 50838-95 (ЗАО «Сибгазаппарат», г. Тюмень) и имеют сертификат качества (приложение 2).
Величина длины хорды сама по себе не позволяет оценить упругих свойств и того, в каком диапазоне (допустимом или недопустимом) произведен изгиб трубы. Критерием оценки может служить упомянутое выше требование - D6yxrbl 20dTpyGbl. 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% (dTpy6bI/ D6yxTbI 5%).
С целью оценки указанного требования по соотношению диаметров необходимо решение попутной задачи по установлению взаимосвязи между измеряемой длиной (а) и радиусом изгиба (R), который имела труба после снятия изгибающей нагрузки.
На рисунке 3.9 представлена схема, демонстрирующая взаимосвязь между длиной хорды (а) и радиусом изгиба (R), который имела труба после снятия изгибающей нагрузки.
Схема к определению радиуса изгиба образцов труб после снятия нагрузки
В момент испытания образцы трубы измеренной длины (L) прижимались к направляющей с известным радиусом (RHanp) с центральным углом 90 (центр окружности - Oi). 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 длину хорды (а) с последующей оценкой соотношения d-грубы/ Оизгиба и выводов относительно упругих свойств и уровня деформирования труб.
Определение допустимых радиусов изгиба полиэтиленовых труб с изменением температурных условий
В настоящее время действует свод правил СП 42-103-2003 «Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов», который принят и введен решением Межведомственного координационного совета по вопросам технического совершенствования газораспределительных систем и других инженерных коммуникаций. Он содержит технические решения, средства и способы реализации обязательных требований, установленных по проектированию и строительству газопроводов с применением полиэтиленовых труб. Требования подтверждены научными исследованиями, опробованы на практике и рекомендованы в качестве официально признанных.
Результаты, полученные и проверенные в настоящей работе теоретическими и экспериментальными исследованиями, позволяют внести предложения по изменению требований, заложенных в СП 42-103-2003. Предлагаемые изменения относятся к разделу 6 «Строительство» в части пунктов 6.94, 6.95, 6.117.
В первом абзаце пункта 6.94, изложенном в следующей редакции: «Работы по укладке газопроводов рекомендуется производить при температуре наружного воздуха не ниже минус 15 С и не выше плюс 30 С», предлагается нижнее предельное значение установить минус 20 С.
Пункт 6.95 рекомендуется изложить в следующей редакции: «Допустим краткосрочный изгиб в процессе монтажа и укладки газопровода при температуре окружающего воздуха до минус 20 С на диаметр изгиба, величина которого составляет не менее 15 наружных диаметров трубы».
Действующая в настоящее время формулировка пункта 6.95 предполагает возможность только краткосрочного упругого изгиба, что существенно снижает возможный температурный диапазон монтажа и укладки трубы.
Действующая в настоящее время редакция пункта 6.117 гласит: «Разматывание труб из бухт осуществляют при температуре наружного воздуха не ниже плюс 5 С. Допускается вести разматывание и при более низких температурах, если созданы условия для предварительного подогрева труб на катушке до температуры не менее плюс 5 С. При этом не рекомендуются перерывы в работе до полной укладки плети из бухты.
В случае, если плеть газопровода охладится до предельно допустимой температуры, укладку необходимо приостановить, а бухту с оставшейся трубой вновь подогреть.
Возможен вариант установки специального тепляка с подогревателем непосредственно на платформе укладочной машины, что обеспечит непрерывную укладку плети.
Для устранения повышенной овальности труб и придания прямолинейной формы по всей длине могут быть использованы ручные или гидравлические выпрямители».
Данную редакцию предлагается оставить в той же трактовке, изменив требование к температуре наружного воздуха и установив его не ниже минус 20 С.
Перечисленные предлагаемые изменения вместе с результатами проведенной работы будут направлены разработчику СП 42-103-2003 ЗАО «Полимергаз» для ознакомления, проверки, опробования на практике и корректировки текста свода правил в случае одобрения. 4.3. Расчет технико-экономических показателей
Экономическую эффективность от увеличения периода времени в году, в котором возможна прокладка труб плужным способом (рис. 1.2), можно оценить методом сравнения ее с ранее регламентированным периодом времени [16,41].
На рис.4.5 представлен график изменения среднемесячной температуры за 2006 год по г. Тюмени в сезон отрицательных температур окружающего воздуха (использованы данные сайта www.pogoda.ru.net).
