Повышение надёжности воздушных переходов магистральных трубопроводов Гимазетдинов Ильдар Расилевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Проблемы опенки устойчивоси магистральных трубопрово дов на участках воздушных переходов 9

Выводы 23

2 Взаимодействие трубопровода с грунтом в зонах перехода от подземного состояния к воздушному 25

2.1 Принципы расчётов по предельным состояниям 27

2.2 Анализ математических моделей продольного перемещения трубопровода в зоне перехода от подземного участка к воздушному 30

2.3 Влияние эффекта срыва грунта на продольный сдвиг трубопровода 50

2.4 Продольный сдвиг трубопровода в неоднородном грунте

2.4.1 Метод конечных разностей (МКР) 56

2.4.2 Метод конечных элементов (МКЭ)

2.5 Продольный сдвиг трубопровода с учётом его кривизны 62

2.6 Продольная жёсткость подземного трубопровода в зоне перехода к воздушному участку 64

Выводы 67

3 Исследование деформативной способности воздушных переходов 68

3.1 Воздушные переходы без компенсаторов 68

3.2 Надземные участки с компенсаторами 73

3.3 Исследование эффективности компенсаторов деформаций 75

3.4 Некоторые особенности напряженно-деформированного состояния участков с компенсаторами напряжений 78

Выводы 82

4 Практические приложения разработанной математической модели воздушных участков трубопроводов с компенса торами 84

4.1 Напряженное состояние воздушного перехода магистрального газопровода «Челябинск-Петровск» через реку Юрюзань на 249 км 84

4.2 Оценка эффективности компенсатора на узле подключения магистрального газопровода к компрессорной станции 101

Выводы 107

Основные выводы 109

Библиографический список использованной литературы

• Анализ математических моделей продольного перемещения трубопровода в зоне перехода от подземного участка к воздушному
• Продольный сдвиг трубопровода в неоднородном грунте
• Исследование эффективности компенсаторов деформаций
• Оценка эффективности компенсатора на узле подключения магистрального газопровода к компрессорной станции

Введение к работе

Актуальность работы

Трубопроводная сеть нефтегазовой отрасли России продолжает развиваться быстрыми темпами. В отличие от прежних периодов развития отрасли в настоящее время намного больше уделяется внимания вопросам безопасности по отношению к окружающей среде, населённым пунктам, предприятиям, коммуникациям и обслуживающему персоналу. Для этого создана и достаточно эффективно действует система экспертизы промышленной безопасности.

Другая особенность состоит в том, что сейчас стало известно гораздо больше механизмов развития опасностей, чем раньше. В результате анализа множества аварийных ситуаций выяснилось, что принятые раньше некоторые технические решения не в полной мере учитывали некоторые важные явления, определяющие безопасность. К числу таких явлений относятся, например, малоцикловое развитие трещин на концентраторах напряжений, старение металла труб при длительной эксплуатации, механохимические эффекты, коррозионное растрескивание под напряжением. Как оказалось, общим ускоряющим фактором этих механизмов является напряжённое состояние трубопроводов, особенно на сложных участках, таких как переходы через различные препятствия (реки, овраги, дороги и др.).

Это, в свою очередь, привело к развитию методов контроля напряженного состояния трубопроводов и его элементов с учётом всего набора усложняющих факторов (большая протяжённость, труднодоступность подземных участков, разнообразие конструктивных элементов, сложные природно-климатических условия, большие диапазоны температурно-силовых воздействий, различные грунтовые изменения). И абсолютно очевидно, что одними лишь экспериментальными методами данную задачу невозможно полностью решить. Поэтому уделяется большое внимание развитию расчётных методов, позволяющих эффективно использовать результаты периодических обследований всеми известными методами.

Однако, как показывает анализ современных учебников, монографий и нормативных документов по расчётам надземных участков магистральных трубопроводов, в них присутствуют некоторые недостатки, в частности:

не учитывается взаимодействие балочных переходов с прилегающими подземными участками трубопровода;

не учитывается неоднородность как самого трубопровода (например, по толщине стенки труб), так и грунтовых условий (свойства грунта, глубина залегания трубопровода);

не учитывается распределение кривизны приграничных подземных участков, обеспечивающее соответствие рельефу местности;

допущена неточность при расчётной оценке осевых сил под действием внутреннего давления, что вносит погрешность при оценках устойчивости воздушных переходов (данная неточность вкралась не только в учебники и нормативные документы, но и в стандартные расчётные программы).

В математических моделях стандартных П-, Г-, Z-образных компенсаторов с прямыми отводами и стойками также допущены недостаточно обоснованные положения, например:

а) не учитывается:

изгиб горизонтальных частей компенсаторов (полок) и самого трубопровода в зонах примыкания к стойкам;

опоры и характер их взаимодействия (вид крепления) с трубопроводом.

б) недостаточно обоснованно допускается, что прямые участки
трубопровода не деформируются, а могут только сдвигаться в продольном
направлении как абсолютно жесткое целое;

Обнаруженные недостатки можно устранить, применяя численные методы решения задач. Они позволяют учитывать практически любые законы взаимодействия трубопровода с грунтом, максимально эффективно использовать результаты обследований, и при этом допускают автоматизацию расчётов.

В последние годы достигнуты определенные успехи в сочетании расчётных методов с методом внутритрубной диагностики с применением навигационных датчиков. Созданные программные комплексы апробированы на ряде магистральных трубопроводов (МН Восточная Сибирь-Тихий океан, МГ Челябинск-Петровск, трубопроводы месторождения Ванкор). При этом обнаружен ряд неизвестных ранее явлений, в частности по формированию жесткости и податливости подземных участков, по влиянию опор на деформативную способность воздушных участков. Также обнаружилась необходимость в совершенствовании расчётных формул применительно к компенсаторам новых типов, которые стали широко применяться на северных магистральных трубопроводах. Без решения этих вопросов невозможно с достаточной точностью определять прочность и устойчивость трубопроводов на сложных участках с воздушными переходами, следовательно, невозможно гарантировать безопасность на длительные сроки.

Таким образом, анализ обозначенных выше проблем и возможных путей их решения позволил сформулировать цель и задачи в рамках настоящей диссертационной работы.

Цель работы — повышение надёжности сложных участков магистральных нефтегазопроводов с надземными переходами.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Анализ и совершенствование методов расчёта продольных перемещений подземных трубопроводов на участках, граничащих с воздушными переходами и надземными участками.

2. Оценка продольных сил на воздушном участке трубопровода с учётом взаимодействия с приграничными подземными участками.

3. Исследование эффективности компенсаторов разных типов: П-, Г-, Z-образных и слабоизогнутых с учётом расположения опор и крепления на них.

4. Исследование закономерностей формирования устойчивости воздушного участка с комплексным учётом конфигурации, опор и приграничных подземных участков. Оценка допустимых режимов эксплуатации.

5. Исследование напряженно-деформированного состояния участков действующих магистральных трубопроводов с компенсаторами. Практические рекомендации по рассмотренным случаям.

Методы решения поставленных задач

В диссертационной работе использованы положения теоретической механики, теории упругости, сопротивления материалов, теории устойчивости, численные методы, в том числе метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Также использованы результаты обследования участков действующих магистральных трубопроводов, результаты расследования аварийных ситуаций.

Основой для решения данных задач явились также работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: Х.А. Азметова, А.Б. Айнбиндера, Р.А. Алиева, P.M. Аскарова, И.В. Березина, П.П. Бородавкина, Л.И. Быкова, Г.Г. Васильева, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, О.М. Иванцова. Г.К. Клейна, А.А. Коршака, Ф.М. Мустафина, В.Ф. Новосёлова, И.П. Петрова, К.Е. Ращепкина, С.К. Рафикова, Е.Е. Тарковского, Л.Г. Телегина, П.И. Тугунова, В.П. Флорина, В.В. Хрионовского, В.И. Черникина, A.M. Шаммазова, Э.М. Ясина и др.

Научная новизна результатов работы

6. Разработана методика и алгоритм расчёта продольных перемещений трубопровода в грунте с учетом неоднородности трубопровода и грунта по всем основным факторам: размерам, конфигурации, глубине, механическим свойствам грунта, характеру взаимодействия трубопровода с грунтом с учётом эффектов пластического срыва. Исследованы и установлены основные закономерности продольного перемещения подземных участков с учётом всех перечисленных особенностей.

7. Исследованы закономерности взаимодействия балочного перехода трубопровода с приграничными подземными участками с учётом факторов неоднородности трубопровода, грунта, температурно-силовых условий. Предложена методика, позволяющая рассматривать надземные и подземные участки трубопровода как единое целое и точнее выполнять расчёты прочности и устойчивости.

8. Исследованы особенности напряженно-деформированного состояния воздушных переходов со стандартными П-, Г-, Z-образными компенсаторами и нестандартными слабоизогнутыми элементами с учётом характера взаимодействия трубопровода с опорами.

9. Введены понятия интегральной жесткости и интегральной податливости воздушного участка с компенсаторами. Введено понятие коэффициента снижения жёсткости в качестве одной из характеристик, определяющих эффективность компенсатора. Получены расчётная формула и алгоритм, позволяющие определять продольную силу на воздушном участке с учётом введённых новых понятий.

10. Исследована эффективность разных видов компенсаторов по критериям коэффициента снижения жёсткости и коэффициента концентрации напряжений ос_а. При этом установлено, что характеристики и ос_а зависят не только от формы и размеров компенсаторов, но и от характера взаимодействия трубопровода с опорами, а также от продольной жесткости приграничных подземных участков.

На защиту выносятся:

математические модели взаимодействия воздушных и подземных участков трубопровода при различных сочетаниях исходных данных, характеризующих трубопровод, грунт, температурно-силовые условия;

закономерности формирования напряженного состояния воздушных участков трубопроводов, содержащих компенсаторы напряжений различных форм, закреплённых различным способом на опорах;

методика расчёта устойчивости воздушных участков трубопровода с учётом взаимодействия с опорами и приграничными подземными участками;

рекомендации по повышению эффективности компенсаторов на воздушных участках магистральных трубопроводов;

результаты исследования напряженного состояния участков действующих магистральных трубопроводов с компенсаторами и рекомендации по совершенствованию их конструкций.

Практическая ценность и реализация результатов работы

11. Показано, что на магистральных трубопроводах предпочтение следует отдавать компенсаторам со слабоизогнутыми элементами, которые обеспечивают повышенную проходимость для внутритрубных снарядов и имеют достаточную эффективность по критериям и а_а.

12. Разработанный математический аппарат и расчётные программы могут быть полезны как при проектировании трубопроводов с надземными участками и переходами, так и при экспертизе технического состояния эксплуатирующихся трубопроводов.

13. Показано, что часто используемое допущение о том, что на подземных участках осевые деформации отсутствуют, т. е. г_х = 0, не всегда верно. Это условие нарушается на балочных переходах, на подземных участках в окрестности балочных переходов, при наличии компенсаторов, а также на прямых подземных участках, неоднородных по толщине стенки.

14. Исследовано техническое состояние надземного перехода магистрального газопровода "Челябинск-Петровск" через реку Юрюзань, сооруженного с использованием Z-образных компенсаторов с прямыми углами. Определены виды и источники опасности, включая конструктивные особенности, дефекты и перенапряженные участки.

15. Установлено, что на этом переходе путём замены некоторых скользящих опор на свободные можно снизить продольные напряжения почти в 2 раза и тем самым снизить напряжения до безопасного уровня без изменения режимов эксплуатации газопровода.

16. Установлено, что данный воздушный переход находится в устойчивом состоянии при режимах эксплуатации в пределах Р < 7,7 МПа; -50 С < Т < +50 С. Определен параметр эффективности компенсаторов на данном воздушном переходе = 0,031. Это означает, что продольная жёсткость перехода составляет 3,1 % по сравнению с жёсткостью прямого трубопровода такой же длины.

7. Расследована аварийная ситуация на узле подключения компрессорной станции КС-2 "Ургала" к магистральному газопроводу "Челябинск-Петровск". Установлены механизмы развития разрушения и отрицательная роль компенсатора на входном шлейфе.

8. Исследовано напряжённо-деформированное состояние узлов соединения входного и выходного шлейфов к подземному газопроводу. На основе результатов исследований предложена конструкция подземного компенсатора для устройства ответвлений с тройниковыми соединениями.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на:

XIV Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2014 г.);

XVIII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2014 г.);

Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2014 г.).

Международной научно-практической конференции "Инновационные технологии в нефтегазовом комплексе" (Уфа, 2014 г.)

XXV научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири "Современные проблемы сварочного производства" (Челябинск, 2014 г.).

Автор диссертации выражает глубокую благодарность сотрудникам ГУЛ "ИПТЭР" РБ за совместное обсуждение полученных результатов.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе пять — в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАКом Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 136 наименования, и 3 приложений. Работа изложена на 136 странице машинописного текста, содержит 50 рисунков, 21 таблицу.

Анализ математических моделей продольного перемещения трубопровода в зоне перехода от подземного участка к воздушному

Одним из основных нормативных документов, регламентирующих вопросы надёжности магистральных трубопроводов, является СНиП 2.05.06 [91]. В частности, он требует, чтобы в местах, где продольные перемещения способны создавать опасность потери прочности и устойчивости, были предусмотрены специальные меры, в том числе установка компенсаторов. Такими местами являются присоединения трубопроводов к компрессорным и насосным станциям, к узлам пуска и приема очистных устройств, а также протяженные надземные переходы через реки и овраги. Для уменьшения продольных перемещений рекомендуется установка компенсаторов П-образных, Z-образных и других форм. Оценку продольных перемещений необходимо выполнять с учётом ряда важных особенностей.

Однако методики расчёта в большинстве случаев слишком упрощены. Например, не учитывается взаимодействие воздушных участков со смежными подземными участками с учётом их интегральной податливости. На подземных участках интегральная податливость зависит как от геометрических свойств трубопровода, так и от взаимодействия трубы с грунтом. На воздушных участках интегральная податливость зависит не только от самого трубопровода с компенсаторами, но и от расположения опор и способов крепления трубопровода на опорах. Эти интегральные характеристики не исследованы в достаточной степени.

Формула (1.2), вероятно, перешла в этот документ из отрасли, связанной с теплотехническими сетями. Она не предусматривает тот факт, что подземные нефтегазопроводы в основном прямолинейны и защемлены грунтом. Поэтому в них осевые деформации в большинстве случаев отсутствуют. Следовательно, действие давления продукта в осевом направлении не сказывается на устойчивости, а число 0,5 в круглой скобке не должно присутствовать.

Данная формула может быть близка к реальности только на воздушных участках, где нет защемления, и только при наличии П-, Z-, Г-образных компенсаторов, обеспечивающих податливость в осевом направлении. С другой стороны, если осевая податливость участка высока, то сжимающие осевые напряжения при повышении температуры будут незначительными, следовательно, потери продольной устойчивости не будет.

Ещё вопрос, связанный с протяженным подземным трубопроводом. Какие ограничения существуют по длине трубопровода, чтобы формула (1.2) оставалась корректной? Если таких ограничений нет, то получаем противоречие: левая часть формулы (1.1) не зависит от длины, правая часть зависит. Если же участок трубопровода надземный, то формула (1.1) приобретает определённость. Она относится только к участку между опорами.

И последнее. Расчёт параметра ІУкр — продольного критического усилия — не обеспечен методикой. Есть только общая рекомендация: учитывать конструктивные особенности участка, начальное искривление, глубину заложения, физико-механические характеристики грунта, наличие балласта, закрепляющих устройств, гидростатическое воздействие на обводненных участках. Как всё это учитывать — вопрос остался не разработанным.

В документе приводятся расчётные формулы для П-, Z-, Г-образных компенсаторов. Но нет расчётных формул для других видов компенсаторов, например слабоизогнутых форм. Нет также сведений о влиянии опор на эффективность компенсаторов. Опоры являются ограничителями перемещений, поэтому не могут не влиять на продольные и поперечные перемещения трубопровода, следовательно, и на устойчивость. Закономерности такого влияния практически не изучены.

В других нормативных документах отрасли [23-25, 71, 76, 86, 87, 89, 90, 92, 93, 95, 96] отмеченные проблемы также остались без решения.

Таким образом, проблемы выбора эффективных типов и размеров компенсаторов продолжают оставаться открытыми. Ясно, что они вытекают из расчётных проблем. На наш взгляд, для магистральных трубопроводов необходимо дать универсальные дифференциальные уравнения состояния с учётом продольных и поперечных сил, а также конфигурации участков. А методы решения могут быть различными, особенно с учётом эффектов пластичности грунта, кривизны трубопровода, неоднородности всех характеристик и т. д. Тогда полученные расчёты для П-, Z-, Г-образных компенсаторов можно использовать как тестовые задачи.

Важное место в развитии методической базы расчётов прочности и устойчивости магистральных трубопроводов занимают труды П.П. Бородавкина с соавт. [12-20]. В них систематизированы подходы к оценке прочности, в том числе надземных участков с компенсаторами и без них. Например, рассматриваются балочные переходы без опор и с опорами (рисунок 1.1). При этом предлагается использовать дифференциальное уравнение состояния в виде где q — распределённая нагрузка (вес); J — момент инерции поперечного сечения трубы; Е — модуль упругости металла трубы. Граничные условия задаются в виде нулевых или других координат и углов наклона трубы в некоторых точках (например, на опорах).

Продольный сдвиг трубопровода в неоднородном грунте

Решение данной задачи показывает, что температурный фактор эквивалентен появлению дополнительной осевой силы AN = FEOLAT. Данный эффект находит следующее физическое объяснение: при повышении температуры труба удлиняется и стремится выйти из грунта (переместится в положительном направлении оси х по рисунку 2.1).

Рассмотрим предыдущий пример (0 720 х 10 мм) при дополнительных условиях

a = 0,000012 град. ; AT = +50 (под действием теплого продукта температура трубопровода повысилась на 50 по отношению к состоянию в момент засыпки трубопровода в траншее). В предыдущем примере было получено 0,49-10"бм/Н. F = 0,0223 м2; р = 0,0443 м"1: FEDku Дополнительно определяем AN = F Е a AT = 2,76 МН. Отсюда для данного случая получаем решение и = (N0 + 2,76 106)о,49 10"8 ехр(0,0443х).

Распределение перемещений, напряжений и сил в трубопроводе 0 720 х 10 при разных температурных условиях ( к = 4 Н/см ; СТХ=0 =100 МПа ) Задача 3. Оценить влияние внутреннего рабочего давления Р в трубопроводе на его продольные перемещения в грунте. Остальные условия те же, что и в задаче 2. Под действием внутреннего давления Р появляются окружные напряжения в стенке _P(D-2t)

Грунт упругопластичный. После достижения определённого сдвига касательные напряжения на поверхности трубопровода перестают увеличиваться, наступает стадия пластического перемещения. Зависимость между продольным сдвигом трубы относительно грунта и и касательным напряжением т удовлетворительно описывается моделью Прандтля-Кулона (рисунок 2.6).

В зависимости от вида и пористости грунта коэффициент пористости принимает значения в пределах /кр «0,5—1,0; угол внутреннего трения ф « 15 - 35; сцепление грунта в широком диапазоне С «0,1 — 3,8Н /см . Более точные значения этих параметров определяют по справочникам или специальными экспериментами. Как показали эксперименты, сцепление меняется после начала пластического сдвига. Это выражается следующим образом: при постепенном увеличении осевой силы N растёт сопротивление грунта до некоторого предельного значения т упР; после начала пластического сдвига (срыва) сопротивление скачком снижается до значения т ПЛас и остаётся на таком уровне в процессе дальнейшего движения трубы. Поэтому до срыва коэффициент С принимает одно значение Cwv, после срыва скачком снижается до

НеКОТОрОГО урОВНЯ Сплас Данная модель имеет несколько положительных отличий по сравнению с предыдущей упругой моделью, рассмотренной в задачах 1-3: 1) она одновременно описывает и упругое, и пластическое сопротивление грунта продольному перемещению трубы; 2) данная модель отражает зависимость сопротивления грунта от глубины заложения трубы через нормальное давление грунта а ; 3) угол внутреннего трения грунта ф имеет четкую физическую природу в соответствии с теорией трения скольжения (рисунок 2.7).

Из физики явления можно полагать, что наличие и положение границы хпр зависит от величины приложенной силы Ло: если эта сила недостаточна, то пластическая зона не образуется. Тогда решение полностью будет соответствовать формулам (2.19). Но сначала необходимо определить, образуется или нет пластическая зона. Критерий наличия или отсутствия пластической зоны рассмотрим ниже в процессе решения упругопластической задачи в целом.

Допустим, сила Ло достаточно велика и пластическая зона образуется; Хщ, В пластической зоне реакция грунта на продольное смещение трубы выражается в соответствии с рисунком 2.6 следующим образом:

В случае упругого перемещения реакция грунта (касательные напряжения) автоматически определялась перемещением и как по знаку, так и по величине. В соответствии с формулой т = — ки при движении трубы вправо (и О) касательное напряжение получается отрицательным, т. е. направлено влево. И наоборот, при движении трубы влево (и О) касательное напряжение получается положительным, т. е. направленным вправо. Абсолютное значение касательного напряжения также определялось абсолютным значением перемещения. Поэтому не было необходимости рассматривать по отдельности случаи движения влево или вправо; оба случая описывались одними и теми же формулами.

В случае же пластического состояния грунта появляется необходимость рассматривать движения трубы влево и вправо по отдельности, так как реакция грунта в этих случаях описывается разными выражениями (х = +х и х = —х ). Это может привести

к разным видам аналитических решений. Поэтому сначала необходимо определить, в каком направлении будет перемещаться труба при заданных исходных данных, и только затем выбрать соответствующее выражение для реакции грунта и строить решение.

Допустим, труба находится под давлением Г, испытывает температурный перепад ЛГ, а к правому концу трубы приложена осевая сила Ло. Направление перемещения трубы будет определяться производной du/dx . Если знак этой производной положителен, то с увеличением координаты х перемещение и будет расти, значит, движение трубы происходит в положительном направлении оси х.

Исследование эффективности компенсаторов деформаций

Здесь учтено, что при любом направлении действия силы N поперечная реакция грунта приводит к увеличению сопротивления грунта продольным перемещениям.

Данную задачу решать аналитическими методами не представляется возможным, но её можем решать без проблем, пользуясь расчётной программой, составленной для задачи 6. Для этого потребуется лишь внести небольшое изменение в блок уточнения касательных напряжений. В тексте программы, приведённой в приложении 2, такая корректировка внесена.

Рассмотрим пример, который был рассмотрен при решении задачи 6, но только с тем отличием, что на участке 0 х 20 м трубопровод имеет радиус кривизны р = 60 м.

Все остальные исходные данные сохраняются. На рисунке 2.18 приведены графики распределений искомых величин для двух случаев, отличающихся только кривизной на участке 0-20 м. Из решения видно, что с появлением кривизны на этом участке повышаются касательные и осевые напряжения. Это вполне ожидаемое явление.

Таким образом, разработанная физическая модель и математический аппарат позволяют решать задачу о продольном перемещении трубопровода в грунте с учётом всех факторов неоднородности, включая размеры труб, механические свойства металла и грунта, особенности упругого и пластического взаимодействия трубы и грунта, глубину заложения и кривизну трубопровода. Разработанная расчётная программа позволяет определить продольные перемещения и осевые напряжения при заданных параметрах температурно-силового воздействия, включая рабочее давление Р, температурный перепад AT и внешнюю силу Ло на границе подземного и воздушного участков. р = 60м Р = 0

Все элементы трубопровода — подземный участок, воздушный переход, компенсаторы — находятся в тесной взаимосвязи. Если деформативная способность подземного участка в зоне перехода достаточно велика, то и компенсаторы не нужны; возникающие на воздушном переходе термодеформации и термонапряжения будут гаситься самим подземным участком. И, наоборот, если подземный участок в зоне перехода является слишком жестким, то высокие осевые напряжения на воздушном участке останутся там же, не будут компенсироваться за счёт продольных перемещений подземной части. При этом могут понадобиться компенсаторы.

Таким образом, при изучении устойчивости надземных участков трубопроводов необходимо определить продольную жесткость и податливость не только компенсаторов, но и самого трубопровода на подземных участках.

Продольной жесткостью подземного участка трубопровода Ктр будем называть отношение осевой силы Ло к продольному перемещению трубы щ на границе перехода к воздушному участку. Величину, обратную продольной жёсткости, называют продольной податливостью Gu KTp=\N0/u0\;GTp=l/KTp. (2.67)

По решениям задач 1-8 и соответствующих примеров легко определить продольную жёсткость подземных участков в зоне перехода. Полученные значения приведены в таблице 2.3. Анализируя эти данные, видим, что продольная жёсткость подземного участка трубопровода, определённая по формуле (2.67), зависит от всех исходных данных, и не только характеризующих сам трубопровод. Она ещё зависит от рабочего давления и перепада температуры, что создаёт трудности для практического использования этого параметра на практике. Параметры Р и AT не характеризуют трубопровод, поэтому их влияние на продольную жёсткость необходимо исключить (или выделить).

В разработанном математическом аппарате можно заметить, что параметры Р и AT определяют вспомогательный параметр AN, который затем в виде группы (JV0 + Л/У) ВХОДИТ во все остальные выражения, определяющие распределение перемещений и, касательных и осевых напряжений т и о. Если, например, исходные параметры Р, AT, No изменить так, чтобы группа (JV0+/W) сохраняла своё значение, то распределение параметров и, т, о останется неизменным. Этот факт позволяет рассматривать группу (JV0+/W) В качестве эффективной осевой силы. Тогда продольную жесткость трубопровода следует определять по формуле

Рассмотрим следующий пример. Трубопровод размерами 0 720 х 10 мм находится на глубине 1 м по верхней образующей. Основные свойства грунта: коэффициент постели k =4-106 Н/м3; удельный вес уест =19-10 Н/м ; угол внутреннего трения ф = 20; сцепление грунта с =10кПа. Параметры эксплуатации могут меняться в пределах .Р 6,0МПа; АГ=±50С. Определить продольную жесткость подземного участка трубопровода и сопутствующие характеристики.

Решение выполнено следующим образом. При различных сочетаниях давления и температуры трубопроводу сообщалось перемещение щ на границе перехода грунт-воздух. Затем определялись осевая сила Ло, распределение перемещений и напряжений с помощью расчётной программы. Также определялась протяженность зоны пластического сдвига трубы в грунте L. Полученные результаты позволили по формулам (2.68) найти искомые характеристики. На рисунке 2.19 показаны результаты расчётов, где затемнённая полоса соответствует диапазону осевой силы Ло при различных температурах, L — протяженность зоны пластического сдвига трубы в грунте, Ктр — продольная жесткость. Согласно рисунку 2.19, осевая сила Ло, необходимая для создания перемещения щ, зависит от температуры Г и давления Г, но продольная жесткость и размер L зависят только от величины щ. Следовательно, формула (2.68) действительно верная.

Оценка эффективности компенсатора на узле подключения магистрального газопровода к компрессорной станции

Измерения толщины стенки трубопровода выполнены с помощью ультразвукового толщиномера "Булат-1М". Точки измерений показаны на схеме (рисунок 4.4). Результаты измерений приведены в таблице 4.2.

Результаты измерений показали, что на воздушном переходе нет дефектов, образованных потерей металла коррозионного или механического происхождения. Толщина стенки на всех точках составляет не ниже проектного значения 19,5 мм. Измерения твердости металла труб выполнены с помощью твердомера ТЭМП-3. Результаты измерений приведены в таблице 4.3. По измеренным значениям твёрдости можно приближённо оценить пределы прочности и текучести металла. По такой оценке предел текучести металла составляет не ниже 50 МПа, предел прочности — не ниже 60 МПа.

Состояние сварных швов оценивалось визуально при обследовании перехода, непосредственными измерениями, а также по исполнительной документации, составленной при строительстве трубопровода. По визуальным наблюдениям сварные швы выполнены качественно. Из журнала сварки следует, что сварка выполнялась с подогревом до 200 С. Из заключений по проверке качества сварных стыков у-лучами следует, что все стыки оценены как "годные". Внутритрубная диагностика также не выявила аномалий сварных стыков на воздушном участке.

Оценка напряженно-деформированного состояния воздушного перехода производилась методом конечных элементов на основе данных обследований. При этом принимались несколько важных упрощающих допущений.

Допускаем, что трубопровод находится в упругом состоянии. Если по решениям задачи обнаружится, что напряжения превысили предел текучести металла, то сам этот факт является признаком опасности. При этом необходимо немедленно принять меры, исключающие возможность разрушения.

В упругом состоянии перемещения, деформации, напряжения линейно зависят друг от друга и от действующих нагрузок. Это даёт возможность решать задачу по частям, затем комбинировать общее решение путём сложения частных решений с учётом их весовых коэффициентов.

Каждое частное решение получали при различных условиях крепления трубопровода на опорах (таблица 4.5). При этом имелось в виду, что при действии веса или ветровой нагрузки важно только наличие или отсутствие опоры (действует или отсутствует), а при действии температуры и давления также важен способ крепления на опорах (неподвижное или свободное состояние, направленное скольжение).

Полученные частные решения позволили: — увидеть характер распределения напряжений при действии различных нагрузок и при различных условиях работы опор; — определить наиболее перегруженные места, максимально достигнутые значения напряжений, перемещений, реакции всех опор. Рассмотрим напряженно-деформированное состояние газопровода при некоторых крайних режимах нагружения, возникающих в разные моменты эксплуатации. В решениях приняты следующие исходные данные:

Анализ полученных решений показывает, что есть много общего между термонапряжениями и напряжениями от действия рабочего давления. Это объясняется тем, что влияние этих факторов на осевые деформации и напряжения выражается только одним явлением — удлинением или сокращением длины трубопровода под действием температуры и давления.

Кроме того, обнаружена ярко выраженная зависимость реакций опор и напряжений в трубопроводе от способа крепления труб на опорах. Вблизи поворотов трубопровода опоры должны быть свободными, а не скользящими. После замены одной или нескольких скользящих опор на свободные существенно снижаются напряжения в перенапряженных зонах. Также снижаются реакции опор, особенно в начале и в конце воздушного перехода.

Оценим продольную устойчивость воздушного перехода при сжатии в осевом направлении. Наибольший сжимающий эффект возникает при максимальных значениях температуры и давления (АГ=+100С; Р =7,5МТ1а). При этом максимальная реакция в осевом направлении наблюдается в начале перехода и составляет тах(7?х ) = 756 кН .

Если бы не было продольных реакций опор, то участок между неподвижными точками (от начала перехода до опоры № 7) длиной 1=288м от перепада температуры AT = +100 С получил бы удлинение

В расчётах, приведенных выше, был принят перепад температуры AT =+100 С. При сочетании параметров режима работы трубопровода (АГ=+50С; і3 =7,5 МПа) продольная реакция составит 430 МН, что не достигает критического значения 513 МН. Следовательно, устойчивость данного воздушного перехода обеспечивается даже без учёта податливости подземных участков. С учётом податливости подземных участков запас устойчивости будет только увеличиваться.

Вторым показателем работоспособности и надёжности воздушного перехода является концентрация напряжений. Причём важны напряжения и в кольцевом направлении, и в осевом. Кольцевые напряжения создаются только за счёт действия рабочего давления, и их максимальное значение составляет Продольные напряжения сильно зависят от устройства опор, при неудачном устройстве опор продольные напряжения могут достигать 400 МПа, что представляет опасность для трубопровода, в особенности для воздушного перехода через судоходную реку (см. рисунок 4.5, г). Из того же рисунка видим, что, заменяя одну скользящую опору № 2 на свободную, можем снизить продольные напряжения до уровня 230 МПа, что обеспечивает безопасность.

Кроме того, на данном воздушном переходе появился второй опасный участок между опорами № 13 и 14, где вертикальный прогиб и изгибающий момент достигают высоких значений. Для снижения опасности здесь рекомендуется установить дополнительную промежуточную опору.

Как показали решения частных задач, соответствующих действию рабочего давления, поведение трубопровода на данном воздушном переходе принципиально отличается от прямых балочных переходов. На прямых балочных переходах рабочее давление вызывает растягивающие напряжения, которые не приводят к потере устойчивости. На данном же воздушном переходе внутреннее давление привело к сжимающим осевым напряжениям, которые, складываясь со сжимающими термонапряжениями, приблизили трубопровод к состоянию потери устойчивости. Поэтому было бы более удачным воздушный переход устроить по схеме, показанной на рисунке 4.8. Это промежуточное состояние между фактическим вариантом воздушного перехода и прямым балочным переходом.