Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы надежности соединений полиэтиленовых трубопроводов 8
1.1 Использование труб из полимерных материалов 12
1.2 Опыт применения полиэтиленовых трубопроводов 15
1.3 Строительство и эксплуатации полиэтиленовых армированных трубопроводов 19
1.4 Типы соединений участков полиэтиленовых трубопроводов 24
2. Методика расчета конструктивной надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов систем сбора углеводородного сырья 27
2.1 Методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории 27
2.2 Математическая модель расчета муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов 33
2.3 Методика решения системы дифференциальных уравнений с использованием метода конечных разностей в расчете прочности муфтового соединения 47
2.4 Обоснование достоверности численных результатов метода конечных разностей в расчете муфтового соединения трубопровода 55
3. Экспериментальные исследования прочностных и эксплуатационных характеристик напряженного состояния муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов 60
3.1. Планирование экспериментальных исследований 60
3.2 Обработка результатов экспериментальных исследований муфтовых соединений полиэтиленовых труб 63
3.3 Исследование эксплуатационных параметров работы трубопровода 69
4. Оценка уровня надежности и коэффициента запаса соединений полиэтиленовых трубопроводов 75
4.1 Расчет соединения полиэтиленовых трубопроводов электромуфтой 75
4.2 Расчет соединения полиэтиленовых трубопроводов стальной муфтой 83
4.3. Определение расчетного напряжения соединений полиэтиленовых трубопроводов 89
Результаты и выводы 95
Список использованной литературы 96
Приложение 1 103
Приложение 2 108
Приложение 3 113
- Опыт применения полиэтиленовых трубопроводов
- Методика решения системы дифференциальных уравнений с использованием метода конечных разностей в расчете прочности муфтового соединения
- Обработка результатов экспериментальных исследований муфтовых соединений полиэтиленовых труб
- Определение расчетного напряжения соединений полиэтиленовых трубопроводов
Введение к работе
Актуальность темы работы
На поддержание промысловых трубопроводов в работоспособном состоянии эксплуатирующие организации затрачивают огромные средства. В рамках повышения надежности трубопроводов в последнее время все чаще стали применяться армированные полиэтиленовые трубы, соединение которых в нитку осуществляется при помощи муфт. Практика натурных наблюдений за эксплуатацией вновь проложенных участков из полиэтилена показывает, что инциденты с выходом нефти происходят преимущественно в результате порывов в местах муфтовых соединений. В итоге на устранение последствий отказов с разрывом околомуфтовой зоны трубы затрачиваются значительные экономические ресурсы, наносится непоправимый экологический ущерб природе. Несмотря на это, нормативная база в области эксплуатации полимерных труб с муфтовыми соединениями в настоящее время практически отсутствует. В существующей нормативно-технической документации не обозначены специальные условия эксплуатации муфтовых соединений армированных полиэтиленовых труб для объектов промысла нефти и газа. Не определена прочность данных соединений, открыт вопрос их надежности.
В связи с этим проблема надежности соединений полиэтиленовых армированных трубопроводов систем сбора и подготовки углеводородного сырья является актуальной.
Цель работы - разработка методики оценки конструктивной надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.
Основные задачи:
1. Определение напряженно-деформированного состояния муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов в системах сбора и подготовки углеводородного сырья.
2. Определение вероятностно-статистических значений напряжений,
характеризующих достижение предельного состояния муфтовых соединений
полиэтиленовых трубопроводов на основе результатов экспериментальных
исследований.
-
Получение зависимости уровня надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов от эксплуатационных нагрузок и конструктивных параметров.
-
Разработка методики оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.
Объект исследований - соединение полиэтиленовых трубопроводов с помощью муфты в системах сбора и подготовки углеводородного сырья.
Предмет исследований - надежность муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов в зависимости от эксплуатационных нагрузок и параметров конструкции.
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались аналитические, численные и экспериментальные методы исследования: теория вероятностей, теория составных цилиндрических оболочек, метод конечных разностей, методы математической статистики. Научная новизна результатов
-
Выявлена статистическая зависимость уровня надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов от эксплуатационных нагрузок и конструктивных параметров исследуемой конструкции.
-
Определены вероятностно-статистические значения основных прочностных параметров соединений полиэтиленовых труб электромуфтой на основе экспериментальных исследований.
-
Разработана методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории вероятностей, учитывающая уровень напряженного состояния конструкции.
4. Выполнено численное исследование влияния типов соединений полиэтиленовых трубопроводов на уровень их надежности. Положения, выносимые на защиту
-
Результаты анализа причин отказов промысловых трубопроводов.
-
Методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории вероятностей.
-
Результаты экспериментальных исследований прочностных параметров муфтовых соединений полиэтиленовых труб.
-
Результаты оценки уровня надежности и коэффициента запаса муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов .
Практическая значимость результатов
Разработанная методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов может быть использована в проектных и научно-исследовательских организациях при проектировании промысловых трубопроводов.
Разработано прикладное программное обеспечение для оценки уровня надежности и коэффициента запаса муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов при их эксплуатации.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались в рамках II Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании», г. Тюмень, 2006 г., Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г. Тюмень, 2007 г., Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2010 г., Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные и транспортно-технологические системы», г. Тюмень, 2011 г., Международной научно-технической конфе-
ренции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», г. Тюмень, 2013 г. Публикации
Основное содержание работы отражено в 9 опубликованных работах, в их числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы; изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 36 иллюстраций, 26 таблиц; библиографический список включает 87 наименований.
Опыт применения полиэтиленовых трубопроводов
До середины XX века потребность в трубной продукции обеспечивалась изготовлением стальных труб. Однако, с 1980 г. количество применяемых стальных труб стала падать.
В период начала строительства трубопроводов с использованием полиэтилена наиболее качественными считались трубы, изготовленные на Тамбовском и Вильнюсском заводах по межреспубликанским техническим условиям МРТУ 6-05-917-67. Условный диаметр труб из полиэтилена высокой плотности (ПВП) варьировался от 16 до 315 мм, а труб из полиэтилена низкой плотности (ПНП) - от 50 до 160 мм.
Даже первые образцы полиэтиленовых труб выгодно отличались в сравнении с металлическими: обладали значительно большей коррозионной стойкостью; меньшей массой; удобством монтажа; малым гидравлическим сопротивлением. Все это послужило толчком к развитию производства и технологий с последующим применением полиэтилена в отечественных сооружениях трубопроводного транспорта.
В 1964 году был построен газопровод, протяженностью 1450 м, с применением полиэтиленовых труб. Газопровод был расположен у г. Тамбов. Для строительства применены трубы длиной 100 метров, соединяемые муфтами.
Около г. Уфа был построен газопровод диаметром 200 мм. Протяженность составила 1150 м.
Трубы соединялись в плети в теплых ангарах, так как температура окружающей среды при строительстве была отрицательной. Соединение плетей в нитку происходило при температуре окружающего воздуха минус (12-15) С.
Еще один газпровод был построен в 1966 году. Трубопровод проходил в Саратовской области, диаметр составлял 100 мм, протяженность 3 км.
Данный период можно считать началом применения полиэтиленовых труб в России [26, 27 - 30].
До 1980 года трубы изготавливали по ГОСТ 18599-73, который был разработан для полиэтиленовых труб взамен МРТУ 6-05-917-67. По ГОСТ 18599-73 трубы производили 4 типов: легкого, среднелегкого, среднего и тяжелого. Наружный диаметр варьировался от 10 до 620 мм. Трубы рассчитаны на рабочее давление 1,0; 4,0; 6,0; 10 кг/см [47].
Не смотрю на то, что трубы были достаточно прочны, эластичны и морозоустойчивы, они имели ряд недостатков и отрицательных свойств.
Полиэтилен имеет низкую к сжиженной и газообразной пропанбутановой смеси. От действия смеси полиэтилен разбухает и постепенно теряет часть своей массы.
Кроме пропанобутановой смеси отрицательное влияние оказывают ткие вещества как: спирты, масла, животные жиры ароматические углеводороды. Достоинством следует отметить, что полиэтилен устойчив действию воды, щелочей и кислот.
Перечисленные выше факты позволяют применять полиэтиленовые трубы только для ограниченных видов перекачиваемого продукта, что затрудняет применение полимерных трубопроводов во многих отраслях. Таким образом, необходимо искать выход из создавшейся ситуации, например, применять какие-либо присадки при изготовлении полиэтиленовых труб.
Одним из лидеров промышленности по производству и использованию полиэтиленовых труб являлось структурное подразделение ОАО «Запсибгазпром» - завод ЗАО «Сибгазаппарат», который выпускал как обыкновенные полиэтиленовые, так и армированные трубы.
Характеристики этих труб представлены в табл. п. 1.7 - п. 1.11.
Выпускаемые полиэтиленовые армированные трубы могут быть достаточной протяженностью, т.е. длинномерными, без применения сварных швов и соединений с помощью резьбы.
Иностранные компании имеют большой опыт строительства с помощью полиэтиленовых труб. Более внушительный, чем опыт применения таких труб в России.
В США 80 % распределительных трубопроводов в 1988 г. было построено из полиэтиленовых материалов. Как трубопроводов с небольшим диаметров, так же и с диаметром 250, 300 и 406 мм.
Использовались методы ремонта существующих газораспределительных сетей с помощью протаскивания через них полиэтиленовых труб меньшего диаметра.
Использование полиэтиленовых труб в бухтах, на которых намотано 150-450 м трубы, получило широкое распространение. Укладываются такие трубы в заранее подготовленную траншею. Трубопровод получается с малым количеством сварных соединений. Фирма «Филипс Дрископайн» осуществляет производство полиэтиленовых спиральношовных труб большого диаметра (457-1600 мм). При этом используется специальная лицензированная технология сварки в инфракрасных лучах, разработанная греческой фирмой «АГ Петзатакис».
Анализ строительства полиэтиленовых трубопроводов в России показывает, что темпы использования полиэтиленовых труб нарастают.
Дальнейшие перспективы их внедрения и использования во многом связаны с эксплуатационными качествами, которые во многом зависят от физико-механических характеристик полиэтилена под воздействием нагрузок от давления продукта, грунта и других воздействий.
В результате проведения анализа работ и исследований авторов [26, 28, 29, 39, 40, 41] можно сделать следующие выводы о свойствах полиэтилена:
- имея относительно малую плотность, полимеры обладают высокой стойкостью к воздействию природного газа, кислот, нефтепродуктов и других агрессивных сред;
- имеют низкий модуль упругости и относительно низкие температуры плавления и текучести;
- характеристики полимерных материалов не являются стабильными, следует рассматривать их как ориентировочные, каждый раз проверяя их значения исходя из области применения;
- физико-механические свойства полимерных материалов возможно повысить путем введения в их структуру волокнистых, стружкообразных, порошкообразных наполнителей;
- некоторые полимерные материалы обладают свойством анизотропии, их прочностные характеристики зависят от продолжительности воздействия нагрузки, а не только от величины нагрузки.
Учитывая данные физико-механические свойства полиэтилена возможно изготавливать длинномерные трубы для применения в нетрадиционных технологиях сооружения и ремонта трубопроводов.
Методика решения системы дифференциальных уравнений с использованием метода конечных разностей в расчете прочности муфтового соединения
Системы дифференциальных уравнений (2.29) описывает напряженно-деформированное состояние муфтового соединения промыслового полиэтиленового трубопровода. Для определения напряженно-деформированного состояния исследуемой конструкции необходимо решение этих уравнений. Аналитическое решение здесь затруднительно.
При решении таких систем довольно часто используются численные методы, например, метод конечных разностей. В соответствии с данным методом осуществляется переход от дифференциальных уравнений к алгебраическим на основе замены всех производных конечными разностями [85].
Приведем основные положения методики для перехода от дифференциальных уравнений, описывающих напряженно-деформированное состояние конструкции, к алгебраическим уравнениям. Решение данной задачи построим с помощью метода конечных разностей.
Из системы дифференциальных уравнений (2.29) осесимметричной задачи изгиба рассматриваемой двухслойной конструкции (полиэтиленовый трубопровод с муфтой) выделим соотношения, характерные для двухслойной цилиндрической оболочки при конечной жесткости межслойных связей. Здесь жесткость межслойных связей может быть бесконечной или нулевой. Тогда данные уравнения перепишем где P - внутреннее давление в трубопроводе (МПа), определяется величинами при эксплуатации; w - прогиб, т. е. радиальные перемещения поверхности трубопровода (мм); г - серединный радиус цилиндрической оболочки (мм); Вп ,Ви - интегральные характеристики жесткости растяжения-сжатия, определяемые выражениями уравнений (2.28): Sx - толщина стенки полиэтиленовой трубы, 52 - толщина стенки муфты соединения; v- коэффициент Пуассона полиэтилена; Е- модуль упругости, являющийся характеристикой жесткости материала вдоль образующей трубопровода; Do - цилиндрическая жесткость, являющееся суммарной величиной жесткостных характеристик материала трубопровода и муфты
Жесткость связей между полиэтиленовой трубой и муфтой соединения, в этом случае, является нулевой. Перепишем выражение (2.32)
С учетом переобозначений, имеем d w . , 4 p dx4 Dn (2-36) Данное уравнение преобразуем к системе алгебраических уравнений методом конечных разностей (МКР). Здесь, исследуемую зону полиэтиленового трубопровода с муфтой соединения разбиваем на участки с шагом t = /(n — 1), где / - длина соединительной муфты на полиэтиленовом трубопроводе, п- определяет количество узлов (рис. 2.4).
Для записи алгебраических выражений понадобятся операторы перехода от дифференциальных уравнений к дискретным. Запишем их в следующем виде [85]:
Тогда уравнение упругой линии балки - полоски (2.36) в рамках метода конечных разностей, в дискретном виде перепишутся
Первая производная по прогибу определяет угол поворота сечения р, вторая производная - изгибающий момент М, третья производная -поперечную силу Q. Распишем численные значения этих величин, используя матрицу с известными величинами прогиба. Для этого обратимся к известным соотношениям:
Для определения величины нормальных напряжений используем формулу:
Для реализации уравнений (2.38) с учетом (2.39) необходимо определять прогибы и в законтурных точках, т.е. во всех узлах, начиная с 1-го и заканчивая (п+6) (см. рис 2.4). При жестком закреплении на краях муфты с учетом введенных краевых условий из уравнений (2.37) следует, что
С учетом уравнений (2.41- 2.42) и после соответствующих алгебраических преобразований, получим:
Аналогично распишем уравнение (2.38) для узла п+4После преобразований, с целью выделения крайнего правого узла, получим
Составим соответствующую матрицу коэффициентов для определения прогибов в оставшихся узлах (с 4-го по п+У).
Количество узлов, перемещения в которых пока неизвестны, определяет количество алгебраических уравнений. В нашем случае такими будут являться уравнения, записанные для узлов, начиная с 4-го по п+Ъ включительно.
Сформируем матрицу коэффициентов (А), стоящих только при неизвестных w:
Записав обратную матрицу по отношению к (А) и умножая ее на матрицу- столбец (С), определяем величины прогибов следующим образом: w = =(A) (C).
При известных величинах прогиба во всех точках, включая законтурные, используя соотношения (2.39) и (2.40), определяем углы поворота сечения, изгибающие моменты, перерезывающие силы и нормальные напряжения по всей длине муфтового соединения.
Обработка результатов экспериментальных исследований муфтовых соединений полиэтиленовых труб
Для определения уровня конструктивной надежности соединений армированных полиэтиленовых трубопроводов электромуфтой необходимо знать их прочностные характеристики и напряженное состояние при эксплуатации. В качестве расчетных моделей рассматривается условие предельных состояний, определяющее прочность соединений полиэтиленовых трубопроводов.
Задача надежности соединений промысловых трубопроводов рассматривает факторы Ux и U2 как случайные, и относим их к категории случайных функций. Для определения функции надежности в качестве случайных факторов принимаются результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик соединений полиэтиленовых труб (Ux) - предел прочности (свр) и уровень напряженного состояния соединений промысловых трубопроводов при эксплуатации (U2).
В табл. 3.1 представлена выборка результатов экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик соединений полиэтиленовых труб электромуфтой.
Расчет напряжений в окружном направлении (J (МПа) выполнен по следующему соотношению: где Р - внутреннее давление, МПа; d - наружный диаметр трубы, мм; Sx -толщина стенки трубы, мм.
На рисунке 3.4 представлена гистограмма плотности распределения напряжений, построенная по группированным выборочным данным экспериментальных исследований на разрушающее внутреннее давление. Гистограмма отражает нормальный закон распределения прочностных характеристик муфтового соединения участка полиэтиленового трубопровода.
С использованием методов математической статистики был выполнен подсчет числа выборочных данных Vj, попавших в каждый (j-й) интервал группирования (j = 1, 2,..., ц ). Были определены значения функции распределения вероятностей F n)\U2) и плотности функции распределения вероятностей f \U2/- Результаты расчетов представлены в табл. 3.2. Лп)(тт \ Для построения гистограммы (графика функции J V 1/) на оси абсцисс наносятся граничные точки интервалов с0,с,,...,с , а по оси ординат приведенные в последнем столбце табл. 3.2 значения функции f \U\) (рис.3.4).
Оценка соответствия результатов эксперимента нормальному закону распределения проведена по критерию согласия Пирсона [16]. Для подсчета значений критической статистики п) использовано выражение (2.12).
Результаты расчетов представлены в табл. 3.3.
Значение вероятности попадания в J - ый интервал группирования:
В рассматриваемом случае - это сумма чисел последней строки таблицы 3.3. - yiny=l,56.
Критическая статистика %) не должна превышать 5 % - ной точки распределения х2о,05- Проверяем гипотезу о нормальности распределения совокупности экспериментальных данных по представленной выборке.
Значение х о,05(5)= 11,07 получено в соответствии с таблицами [16], где представлены согласно закону нормального распределения их статистики.
Таким образом, распределение прочностных характеристик образцов, как случайных величин, соответствует нормальному закону распределения
В таблице 3.4 представлены среднестатистические результаты испытаний муфтовых соединений армированных полиэтиленовых трубопроводов на внутреннее давление .
На основе проведенных экспериментальных исследований и статистической обработки экспериментальных данных с позиции теории вероятностей определена величина предела прочности (авр=ти =27,3 МПа) соединений армированных полиэтиленовых трубопроводов заданных конструктивных параметров электромуфтой.
Определение расчетного напряжения соединений полиэтиленовых трубопроводов
Для определения фактора U2 были использованы статистические данные изменения величины внутреннего давления как случайной выборки по расчету математической модели соединений промысловых трубопроводов электромуфтой. Перепады внутреннего давления соединений полиэтиленовых труб электомуфтой задавались в соответствии с перепадами давления при эксплуатации. В табл. 4.1 представлена выборка результатов.
Для расчета напряжений используем математическую модель расчета напряженно-деформированного состояния соединений полиэтиленовых трубопроводов электромуфтой, на базе разработанного алгоритма расчета составлена компьютерная программа, которая представлена в прил. 2.
На рисунке 4.22 (кривая 2) представлена гистограмма плотности распределения напряжений, построенная по группированным выборочным данным расчетных напряжений, определенных согласно решению математической модели (2.29). Гистограмма отражает нормальный закон распределения расчетных напряжений.
Для обоснования соответствия распределения расчетных напряжений как случайных величин нормальному закону распределения вероятностей была построена гистограмма. Эмпирическая плотность вероятности строилась по группированным выборочным данным.
После подсчета числа выборочных данных Vj, попавших в каждый (j-й) интервал группирования (j = 1, 2,..., ц ), с использованием формул (2.11) и (2.12) для подсчета значений F \U2) и f \U2), были получены результаты, представленные в табл. 4.2.
Оценка соответствия результатов расчетных параметров нормальному закону распределения проведена по критерию согласия X Пирсона [16]. Для подсчета значений критической статистики Дп) использовано выражение (2.12). Результаты расчетов представлены в табл. 4.3.
Определяем значение критической статистики у(п) по соотношению (2.13). В рассматриваемом случае - это сумма чисел последней строки таблицы 4.3. - У(П)=1,7. Критическая статистика У(П) не должна превышать 5 % - ной точки распределения % 0,05- Проверяем гипотезу о нормальности распределения совокупности экспериментальных данных по представленной выборке. Значение % 0,05(5)-П,07 получено в соответствии с таблицами [16], где представлены согласно закону нормального распределения их статистики.
Таким образом, распределение прочностных характеристик образцов, как случайных величин, соответствует нормальному закону распределения
Математическое ожидание фактора Uх - ти =27,3 МПа и фактора U2
Для соединений полиэтиленовых трубопроводов электромуфтой диаметром /=140 мм, с учетом напряжений от изгиба, коэффициент запаса составляет к=1,79, расчетный уровень надежности Н=0,965 (табл. 4.5).
Без учета краевого эффекта, связанного с установкой муфты, соответственно было получено к=1,88, уровень надежности Н=0,977.
При исследовании соединений полиэтиленовых трубопроводов стальной муфтой расчеты показали, что в этом случае напряжения от изгиба увеличиваются в сравнении с использованием в качестве соединения электромуфты.
Похожие диссертации на Оценка надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов
