Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Предпосылки совершенствования конструкций и расчетов прочности низкотемпературных газопроводов 16
1.1. Влияние физико-химических параметров транспортируемого сжиженного и охлажденного природного газа на конструктивные характеристики, динамику подвижек и напряженное состояние трубопровода 16
1.2. Уровень применения трубопроводов сжиженного и охлажденного природного газа в зарубежной и отечественной практике, их классификация 18
1.3. Основные требования к конструкции и правила строительства и эксплуатации низкотемпературных газопроводов в основных газоносных провинциях россии 22
1.4. Конструкции и конструктивные особенности низкотемпературных газопроводов, характеристики конструкционных материалов 23
1.4.1. Конструкции низкотемпературных газопроводов 23
1.4.2. Конструктивные особенности низкотемпературных и криогенных трубопроводов 28
1.4.3. Характеристики трубных сталей для низкотемпературных газопроводов 30
1.4.4. Сварочные материалы для низкотемпературных газопроводов 34
1.4.5. Теплоизоляционные материалы низкотемпературного трубопровода 3 5
1.5. Влияние метода строительства на конструктивные особенности низкотемпературного трубопровода 3 8
1.6. Прочность и надежность низкотемпературных теплоизолированных трубопроводов 41
1.7. Диагностика низкотемпературных теплоизолированных газопроводов 44 задачи исследований 45
Глава 2 Теоретические основы расчета прочности и надежности конструкций низкотемпературных трубопроводов 48
2.1. Основные этапы развития теории расчета оболочечных конструкции в деформируемых средах 53
2.2. Теоретические решения по определению зависимостей «напряжения-деформации» в низкотемпературном трубопроводе 69
2.3. Использование метода конечных элементов при расчетах конструкции низкотемпературных трубопроводов в деформируемых средах 78
2.3.1. Исходная информация 78
2.3.2. Блок разбивки на конечные элементы и построение матриц жесткости дискретных элементов 79
2.4. Физико-механические характеристики основных элементов и среды к расчетной схеме низкотемпературных и криогенных трубопроводов 83
2.5. Расчет напряженно-деформированного состояния системы «труба-теплоизоляция-грунт» при действии сил от веса грунта и трубопровода 92
2.6. Определение напряженно-деформированного состояния в системе «труба-теплоизоляция грунт» при действиии сил от веса грунта, трубы и наземного транспорта 100
2.7. Влияние температуры продукта и механических нагрузок на подземный трубопровод 104
2.8. Напряженно-деформированное состояние искривленного трубопровода в результате охлаждения по
2.9. Динамика, прочность и надежность теплоизолированного покрытия трубопровода на выходе из грунта в атмосферу 118
2.9.1. Основные соотношения метода конечных элементов для объемной осесимметричной задачи 118
2.9.2. Напряжения в теплоизоляционном покрытии при продольном смещении трубы в зоне перехода подземного способа прокладки в надземный 132
2.9.3. Напряжения в теплоизоляции при поперечном смещении трубы в зоне перехода подземного способа прокладки в надземный 134
Выводы по второй главе 135
Глава 3 Прочностные характеристики, компенсация температурных деформаций и закрепление низкотемпературных трубопроводов 138
3.1. Основные положения и предпосылки прочностных расчётов низкотемпературного трубопровода 138
3.2. Конструкции спг и опг - проводов и их работоспособность 142
3.2.1. Анализ работы и расчёт стального трубопровода 143
3.3. Компенсация температурных деформаций низкотемпературных трубопроводов 147
3.4. Напряжения и перемещения на криволинейных участках низкотемпературного трубопровода 160
3.5. Закрепление и опирание низкотемпературных трубопроводов 165
3.6. «закрепление» трубопроводов с использованием низколегированных анкеров 171 выводы по третьей главе 180
Глава 4 Экспериментально-расчётная оценка прочности теплоизоляционного покрытия низкотемпературных трубопроводных систем 183
4.1. Поведение конструкций теплоизоляционных покрытий трубопроводов в натурных условиях 183
4.2. Механическое взаимодействие системы труба-теплоизоляция грунт и прочность конструкции 185
4.3. Критические величины напряжений в теплоизоляционном покрытии в зависимости от вида связи труба-теплоизоляция 195
4.4. Оценка предельно-допустимых напряжений в теплоизоляционном покрытии 202
4.5. Сопротивление и модули деформации покрытия теплоизоляционного трубопровода 208
4.6. Модельные испытания прочноститеплоизоляционного покрытия и определение расхождения полученных теоретических и экспериментальных данных ' -211
4.7.модельные испытания на прочность тепло и гидроизо ляционных покрытий трубопровода на разделе «грунт-атмосфера» 214
Выводы по четвертой главе 220
Глава 5 Совместное решение задачи с целью определения прочности и надежности низкотемпературных газопроводов 223
Выводы по пятой главе 233
Глава 6 Диагностика трубопроводных конструкций для сжиженного и охлажденного природного газа 234
6.1 параметры низкотемпературного трубопровода, подлежащие исследованию с применением тензометрии 234
6.2 отработка технологии наклейки тензорезисторов и определение ее прочности 236
6.3 экспериментальное исследование характеристик тензо-элементов при низких температурах 23 8
6.4 отработка процесса монтажа тензорезисторов на низкотемпературном трубопроводе 243
6.5 исследование параметров серийных первичных преобразователей в условиях длительной эксплуатации при низких температурах 245
6.6 прием и обработка информации с использованием автоматической системы «магистраль» 250
6.7 алгоритмы сбора и первичной обработки измерительной информации 254
6.8. Порядок опроса первичных средств 255
6.9. Алгоритм подпрограммы обработки показаний датчиков деформаций 261
Выводы по шестой главе 262
Глава 7 CLASS Экономичность, надежность и устойчивость конструкции низкотемпературного газопровода 264 CLASS
7.1. Экономическая и экологическая эффективность 264
7.2. Определение режима охлаждения низкотемпературного трубопровода 265
7.3. Методика исследования разрушения трубопровода сжиженного природного газа при авариях 271
7.4. Испытание прочности и надежности трубопровода на разработанном строительном комплексе для сооружения низкотемпературных трубопроводов 275
7.4.1. Создание приводного механизма захвата трубопровода 278
7.4.2. Определение усилий передвижения 282
Выводы по седьмой главе ' 290
Общие выводы 292
Список использованных источников
- Влияние физико-химических параметров транспортируемого сжиженного и охлажденного природного газа на конструктивные характеристики, динамику подвижек и напряженное состояние трубопровода
- Основные этапы развития теории расчета оболочечных конструкции в деформируемых средах
- Основные положения и предпосылки прочностных расчётов низкотемпературного трубопровода
- Поведение конструкций теплоизоляционных покрытий трубопроводов в натурных условиях
Введение к работе
Природный газ является чистым топливом (чистой энергией). Поступая потребителю, он не содержит тяжелых металлов, серы и других вредных примесей, освобождающихся после сгорания.
Метан является универсальным продуктом и, в зависимости от состояния, универсальной транспортной единицей. Универсальность, с одной стороны, заключается в том, что он может применяться в производстве тепла, электроэнергии, технических процессах, с другой - в сжиженном состоянии он может быть использован как топливо в бытовых условиях, а так же как чистое горючее для автомобилей, локомотивов, летательных аппаратов, речных и морских судов, сельхозтехники и транспортироваться, наряду с трубопроводным, всеми этими видами транспорта. Поэтому все развитые страны стремятся уже с начала XXI века иметь в качестве топлива, главным образом, природный газ, и в первую очередь - в сжиженном состоянии.
Россия располагает самыми большими в мире запасами природного газа, является огромным потребителем и поставщиком его на экспорт, а поэтому вынуждена искать и применять наиболее эффективные формы его получения и транспорта. Кроме того, россияне, проживающие в различных точках страны и удаленные от буферных потребителей газа, находящихся за естественными преградами, вправе пользоваться всеми преимуществами комфортности, которую обеспечивает газ - метан.
Несмотря на то, что газовая отрасль - одна из наиболее молодых, тем не менее она является «локомотивом» в экономике России, поэтому каждое положительное решение, способствующее ее развитию, является эффективным для народного хозяйства.
Успешное развитие отрасли за короткие сроки обеспечили такие институты
как ВНИИГАЗ, ВНИИСТ, ГАНГ Рос. гос. университет нефти и газа им. И.М.
Губкина, Гипроспецгаз, ВНИПИГАЗдобыча, ЮЖНИИГИПРОгаз,
НИПИЭСУнефтегазсторой, Иркутский Энергетический институт А.Н., институт
электросварки им. Е.О. Патона Украины, ВНИИЭгазпром, ЦНИИГМ, УралНИИГМ и др. и их научные и инженерно - технические школы.
С 70-х годов в нашей стране, наряду с созданием новых технологий по строительству, транспорту, конструкциям трубопроводов большого диаметра и давлений, начало развиваться направление создания систем и средств для сжиженного природного газа. В настоящее время на п-ве Ямал строится завод сжижения газа и терминал для морской перевозки СПГ судами-метановозами. Для Мурманской области и о. Сахалин разрабатываются проекты заводов сжижения природного газа и сопутствующие сооружения. Разрабатывается в России комплексная программа по широкому использованию СПГ в народном хозяйстве, в том числе как топливо для двигателей транспортных машин и ракетных кораблей. Кроме того Астраханская, Белгородская, Московская, Омская и Оренбургская области завершили разработку такой программы, экономически доказав высокую эффективность широкого использования СПГ в своих областях, а также достигая сокращения 5 вредных выбросов в атмосферу из 7.
Для широкого внедрения СПГ в настоящее время в стране имеется определенный научно - технический задел, который обеспечили такие ученые по гидродинамике, технологии получения и перекачке СПГ, созданию экономнолегированных трубных сталей (ЭЛ-сталей), технологии их сварки, как Иванцов О-М., Одишария Г.Э., Клименко А.П., Лившиц Л.С., Беньяминович О.А., Блейхер Э.М., Красулин И.Д., Зайцев К.И., Ситнова Н.В., Щербакова B.C., Антошин А.С., Сафонов B.C., Чириков К.Ю., Изотов Н. И., Владимиров А.Е., Польских СМ, Газуко И. В., Добровольский Г.П., Клименко СМ., Селетков А.И., Сырейщикова В.И., Зикеев В.Н., Калинушкин П.Н., Дьяконова B.C., Андреев И.Н., и др.
Что касается расчётов оболочек (обмазок), то начало их работ положено еще в 80-х годах XIX столетия, и эта работа продолжается по настоящее время. Значительный вклад внесли Головин Х.С, Коммерель О., Розанов С.Н., Хьютон,
Бодрова-Горелик, Орлов С.А., Бугаева О.Е. и др., которые разработали методы расчета обол очечных систем, работающих в упругой среде. Но наиболее весомый вклад в эту работу внес Шапошников Н.Н., который дал новое решение методу расчета оболочек и впервые внедрил метод конечных элементов, позволивший создать универсальную программу расчета оболочечных систем с привлечением ЭВМ.
Прочностным расчетам трубопроводов с подземной укладкой, в том числе и учетом влияния пучинистых грунтов, свои работы посвятили Клейн Г.К„ Таран В.Д., Бородавкин П.П., О.М. Иванцов В.В. Харионовский, Зенкевич О., Виноградов СВ., Айнбиндер А.Б. и др., трубопроводам с теплоизоляцией -Витал ьев В.П.
Однако известные разработки не дают полного решения проблемы по созданию низкотемпературных теплоизолированных трубопроводов, работающих в упругой среде. Нет теории расчета прочности и надежности низкотемпературного трубопровода с толщиной теплоизоляции, соизмеримой с диаметром трубы. Отсутствует для этой конструкции расчёт взаимодействия и динамики подвижек системы труба-теплоизоляция-грунт при воздействии постоянных и временных нагрузок. Нет эффективных конструкций и исследований по элементам компенсации температурных деформаций, опиранню, закреплению трубопроводов, отсутствуют исследования работоспособности из Эл-сталей, созданных для их работы при низких и криогенных температурах. Не использовались методы диагностики и мониторинга низкотемпературных теплоизолированных газопроводов. Нет исследований и решений по определению изменения температуры трубопровода с достаточной степенью точности вдоль трассы при их охлаждении. Не известно поведение динамики разрушения трубной стали при авариях на СПГ-проводе. Нет эффективных способов строительства СПГ и ОПГ-проводов.
Решение комплекса научно-исследовательских, проектно-конструкторских и теоретических проблем позволяет создать работоспособные системы СПГ и ОПГ-проводов для условий России.
Изучение работоспособности новых разработанных конструкций и элементов низкотемпературного трубопровода, предложенных материалов, а также исследования работоспособности системы «труба-теплоизоляция-грунт» требует сравнения с существующими достижениями. Поэтому на месторождении Медвежье и в р-не г. Ухты были построены опытные низкотемпературные теплоизолированные газопроводы по нормативным материалам для тепловых сетей.
Отсутствие расчётов прочности и совершенных конструктивных элементов для низкотемпературных теплоизолированных трубопроводов привели к выходу из строя опытных теплоизолированных газопроводов уже в первые годы эксплуатации. Основной причиной их выхода стала недооценка прочности теплоизоляционных покрытий, недостаточная организация долевых и поперечных перемещений трубопровода от силовых воздействий и перепада температуры и низкая технологичность их строительства в сложных условиях. Поэтому, используя теорию метода сил, аналитические решения и, применив численный метод конечных элементов, разработана универсальная программа для расчета прочности и механической надежности системы низкотемпературного трубопровода.
Полученная теория расчета с применением ЭВМ позволяет оценить в первом приближении несущую способность криогенного трубопровода, выявить роль материалов, основных элементов (трубы и теплоизоляционной оболочки) на напряженно-деформированное состояние конструкции. Выяснить наиболее опасное сочетание нагрузок от температурного воздействия постоянных и временных сил.
Такая оценка необходима для принятия решения о целесообразности строительства линейного объекта, вариантов его прокладки, выбранной
конструкции и материалов, для рассмотрения ее на стадии предпроектных работ, разработка проекта, уточнения гидрогеологического микроклимата на трассе (так как теория позволяет сделать оценку осадки «дневной» поверхности грунта).
Для прямых и крутоизогнутых участков низкотемпературного трубопровода, в связи с тем, что длина трубы является наибольшим измерением, а трасса отличается однородностью граничных условий (физико-механические характеристики грунта вдоль трассы), задача-динамика перемещений-прочность конструкции, решается как двумерная, в рамках плоской деформации (в линейно-упругой постановке).
На участках трубопровода, на разделе грунт-атмосфера, однородность граничных условий нарушается, поэтому для анализа прочности элементов низкотемпературного трубопровода возникла необходимость решения задачи в объемной постановке. Однако распределение напряжений и деформаций в осе симметричном теле полностью определяется перемещением точек в плоскости сечения тела вдоль оси симметрии. Поэтому осевая симметрия даёт возможность свести объемную задачу к двумерной, где все параметры напряженно-деформированного состояния будут функциями двух переменных г и z. Решение задачи позволяет определить величины нормальных, главных и касательных напряжений в трубопроводе и теплоизоляционной оболочке, уточнить наиболее опасное сечение^рубопровода.
Подход к расчету прочности собственно СПГ-провода неоднозначен. С одной стороны, при температуре СПГ величина сопротивления R ЭЛ-стали возрастает в 1,2 - 1,3 раза, что позволяет уменьшить толщину стенки в 1,10-1,25 раза, чем у газонефтепровода. Эксплуатационные напряжения будут всегда растягивающими, что объясняется однозначностью напряжений, вызванных отрицательными температурным перепадом и внутренним давлением. С другой - в первые секунды пуска СПГ-провода в работу происходит интенсивное испарение и перегрев пара, продвижение СПГ замедляется и переходит в
квазистационарный режим. При этом давление на переднем фронте потока может возрасти и даже превысить давление на входе. Такое явление опасно, поэтому, до наработки практического опыта, в расчеты на опытные СПГ-проводы, необходимо вводить достаточно большой коэффициент перегрузки (в отличие от СНиП), он должен быть не менее Кн=2. В то же время на основании исследования ВНИИСТа выявлено, что коэффициент сварного шва для ЭЛ-сталей, при температуре СПГ, может быть принят как по СНиП ср=0,8.
В защемленном трубопроводе возникают недопустимые продольные напряжения, снижение которых возможно, в первую очередь, применением компенсационных устройств и обеспечением в каждом конкретном случае, монолитной или скользящей схемы взаимодействия на разделе труба-теплоизоляция. Расстояние между компенсаторами будет зависеть от типа соединения. Для этих видов соединения предложен метод расчета по определению предельных сопротивлений tnp.M. и tnp.c, с учетом коэффициента трения f, величины которых должны быть получены экспериментальным путем. На примере расчета СПГ-провода диаметром DH.ip=l,02 м, DH-Tenj]=l,62 м, f=0,3 установлено, что tnp.M=l,68 tnp.c, то есть расстояние L для монолитного соединения ниже в 1,68 раза, но прочность теплоизоляционной оболочки со скользящим взаимодействием меньше, чем при монолитном. Для предупреждения температурных деформаций, а следовательно опасных напряжений в теле трубопровода, созданы и исследованы устройства (и способы) для компенсации температурных перемещений, опирання и закрепления низкотемпературных трубопроводов.
Проблематичным для северных регионов (преимущественно в связи с наличием) пылеватых песков является местное изготовление в районы строительства балластных грузов и устройств. В связи с этим созданы низкотемпературные анкеры, обеспечивающие высокий уровень работоспособности по закреплению трубопроводов путем использования холода транспортируемого продукта. Разработан метод расчета распределения
температуры через грунт с использованием формулы Форхгеймера. Выявлена наиболее эффективная конструкция анкера.
Привлекая аналитические решения, метод конечных элементов и полученные результаты экспериментальных исследований, разработаны основы теории и инженерные расчеты (для проектирования) по определению: предела прочности при растяжении-сжатии, сдвиге, адгезионной прочности сцепления теплоизоляции с трубой, получены характерные графики напряжения-сжатия, зависимости прочности и деформативности элементов конструкции от длительности действия нагрузок; установлено влияние температуры на механические показатели теплоизоляционного слоя низкотемпературного трубопровода. Определённая величина напряжений в конструкции существенно зависит от упругих перемещений теплоизоляции в грунте в продольном и поперечном направлении при сдвиге и сжатии. С привлечением результатов проведённых экспериментов получен коэффициент постели теплоизоляции и обобщенный коэффициент (теплоизоляция-грунт) постели, через которые определяем деформационные характеристики теплоизоляционного покрытия.
Используя теорию прочности Мора, отражающую феноменологический подход и связывающий (на основе эксперимента) вид напряженного состояния, даётся оценка степени опасности теплоизоляционной оболочки низкотемпературного трубопровода. Определен деформационный параметр, характеризующий начало предельно-напряжённого состояния теплоизоляции (ПНС), то есть появление трещин. Экспериментально установлено, что с понижением температуры прочность и модули упругости теплоизоляции увеличиваются.
Выполненные экспериментальные исследования позволили привести результаты деформирования кубика теплоизоляции в лабораторных условиях к деформационной характеристике конструкции теплоизоляционного покрытия в целом через приведенный модуль упругости и коэффициент приведения Кпр. Результаты перемещений, прочности и надёжности работы теплоизоляционного
покрытия низкотемпературного трубопровода на участке выхода его из грунта в атмосферу, полученные расчётным путём, проверенные на экспериментальных моделях трубопроводов, показали высокую сходимость.
Используя разработанную теорию расчета и результаты выполненных экспериментов, осуществлено совместное решение задач по установлению прочности и механической надежности всей системы низкотемпературного трубопровода (на примере запроектированного ВНИПИГаздобычей для района г. Ухты), низкотемпературного газопровода, со сложной конструкцией оси в пространстве и различными видами и условиями прокладки.
Анализ расчета, к которому относятся значения изгибающих моментов, продольных и поперечных перемещений, а также продольных напряжений по всем элементам трубопровода показал, что значения напряжений в режиме эксплуатации превышают соответствующие напряжения в режиме охлаждения, за исключением напряжений на потенциально опасных участках, примыкающих к крутоизогнутому повороту, в связи с их наибольшими перемещениями.
Оценка прочности и деформативности конструкции по минимальной величине запаса показала, что наиболее нагруженные элементы из ЭЛ-стали 10ХГНМАЮ, сваренные в трубопровод диаметром 530 мм и 1020 мм радиальным швом, электродами НИАТ-5 и ОЗЛ-6, при криогенной температуре -120С и давлении Рраб=5,5 МПа, показали свою достаточную в системе СПГ и ОПГ-проводов (наименьший запас прочности г)т;п=1,03 и 1,07).
Известно, что новые системы и элементы низкотемпературных трубопроводов требуют их глубокой диагностики по определению напряженно-деформированного состояния трубопровода, заключаемого в измерениях как отдельных составляющих напряжений, вызванных изменением температуры, давления, изгиба и перемещений трубопровода, так и величин суммарных деформаций и напряжений. В свою очередь конструктивные и технологические особенности низкотемпературного трубопровода создают определенные требования к измерительной технике (датчикам, соединительным линиям,
измерительной регистрирующей аппаратуре), методике и технике наклейки тензодатчиков на платы, крепления плат к трубопроводу, методике и технике его тензометрирования.
Для этого отработаны, наряду с этими вопросами, тензочувствительность, ползучесть, механический гистерезис, температурные характеристики на специально разработанных установках.
Разработаны: алгоритм сбора и первичной обработки измерительной информации, порядок опроса первичных средств, алгоритм подпрограммы обработки показаний датчиков деформаций, блок-схема программы опроса первичных средств.
Установлено, что переход на СПГ-проводы дает большой экономический и экологический эффект. Удельный вес трубной стали в затратах на строительство газопровода составляет 80%, а переход на перекачку СПГ позволяет перейти с 4-х ниток газопровода на 1-ну нитку СПГ-провода, что дает экономию затрат по металлу 75%. Но с учетом затрат на теплоизоляцию СПГ-провода и повышенную стоимость ЭЛ-стали получаем экономию средств равную 37%.
Используя аналитическую зависимость, строим эмпирическую зависимость изменения температуры стенки низкотемпературного трубопровода по его длине и времени охлаждения. Для определения эмпирических коэффициентов и проверки их значимости используем критерий Стьюдента. Результаты эксперимента получаем на созданной установке, с применением термопар, а также 1-й 12 точечных потенциометров. В результате исследований получена методика расчета, которая дает ошибку в любом сечении трубопровода не более 5,5%, что значительно ниже, чем получаемая по теории Шухова. Экспериментальным путём получены результаты динамики разрушения трубопровода сжиженного газа при авариях.
В результате выполнения диссертационной работы:
-разработаны и выданы задания на проектирование и технические предложения на: «Строительство экспериментального участка трубопровода
сжиженного и охлажденного природного газа протяженностью 1,5 км, включая изотермическое хранилище объемом до 400 м , установки сжижения газа и его регазификации, в районе г. Ухты». Проект разработан Ухтинским филиалом ВНИПИГАЗдобыча. Строительство было приостановлено в середине 90- годов при прекращении финансирования, в процессе «перестройки» в стране, но был построен безнапорный низкотемпературный газопровод;
-разработаны и исследованы в лабораторных и полевых условиях новые узлы и детали к низкотемпературным газопроводам применительно к выдаче задания на проектирование экспериментальных СПГ и ОПГ-проводов, со строительством в Ухтинском районе;
-разработано «Руководство по составу, конструкции, технологии изготовления и монтажу теплоизоляции низкотемпературных трубопроводов (для опытного участка)», Р-353;
-разработано «Руководство по теплоизоляции низкотемпературных трубопроводов (для опытного участка)», Р-594;
- построен газопровод Соплеск - Печора диаметром 720 мм на участках болот, с внедрением а.с.1149096, и а.с.1203309;
-использовано разработанное антикоррозийное покрытие (грунтовка ГТ-900) для свай из труб и других стальных элементов для строительства линейных сооружений и обустройства газовых промыслов на Севере Тюменской обл.;
-основные результаты теории расчета прочности линейных объектов и исследований деталей и конструкций должны получить внедрение непосредственно на ОПТ и СПГ -проводах, проектирование, строительство и эксплуатация которых начинают внедряться в России.
Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов, содержит 348 страниц рукописного текста, 117 рисунков, 31 таблицу, приложения (графики, табл., и др.). Список использованной литературы включает 180 наименований.
Влияние физико-химических параметров транспортируемого сжиженного и охлажденного природного газа на конструктивные характеристики, динамику подвижек и напряженное состояние трубопровода
Наметившиеся широкие масштабы внедрения трубопроводных систем сжиженного (СПГ) и охлажденного (ОПТ) природного газа в России требуют решения целого ряда научно-технических задач, для успешного проектирования, строительства и эксплуатации, в первую очередь, для условий северных газоносных провинций.
Прочность и механическая надежность конструкций трубопроводов зависит от условий эксплуатации системы с учетом охлаждения (перепада температуры, динамики подвижек трубопровода), внутренних и внешних воздействий при эксплуатации, а также от временных нагрузок, воздействующих на конструкцию со стороны тяжелой техники, при строительстве и транспорте грузов.
Температуры перекачиваемого по трубопроводу СПГ и ОПТ, в зависимости от назначения (с учетом некоторого переохлаждения), изменяются от 0С до 165С. Перепад температур перекачиваемого по трубопроводу СПГ находится в основном в криогенной области (-100С и ниже), ікипения= -161,5 С, критическая температура tKp= -81,5С, абсолютное критическое давление Ркр=4,58 МПа /65,67/. Наиболее приемлемыми параметрами, с учетом благоприятных условий для эксплуатации низкотемпературных трубопроводов большого диаметра являются: температура рабочего продукта tp= -120С, максимальное рабочее давление Рр=5,5 МЛА /67,99/. При определении перепада температур для того или иного технологического СПГ-провода следует руководствоваться промежуточными данными по температуре СПГ, в зависимости от давления, которое можно определить по графику (рис. 1.1).
Транспорт охлажденного природного газа возможен при отрицательных температурах от 0С до -70С. При этом передача газа может производиться по газопроводам с умеренно низкими температурами (0О-10С), средними значениями отрицательной температуры (-10О-30С) и весьма низкими значениями отрицательной температуры (-30О-70С) /110,112,114,121/. Технология передачи газа по газопроводам с умеренно низкими температурами (в отличие от СПГ-проводов), конструкция газопровода и технология строительства мало отличается от обычных газопроводов.
Из газа при температуре -70С начинается выпадение первых капель СПГ, и лопасти перекачивающих газ агрегатов быстро выходят из строя, поэтому применение газопроводов с глубоким охлаждением газа целесообразно использовать на промежуточных участках в технологических системах -сжижение-регазификация СПГ. В то же время газопроводы с умеренно низкими температурами могут найти применение в качестве самостоятельных трубопроводов. Следовательно, ОПГ-проводы требуют выбора оптимальных решений и знания их прочности и надежности. Глубина охлаждения газа, воздействующая на систему трубопровода, каждого его участка и в каждый момент времени, в особенности при запуске трубопровода в работу, существенным образом влияет на напряжённо-деформированное состояние.
Существующая теория расчета по методу Шухова, может быть применена для оценки температуры на участках линейного сооружения, но дает большую ошибку, что не допустимо для СПГ-проводов, в особенности для первых опытных сооружений. Поэтому необходима разработка такой методики расчета и корреляции результатов после проведения тщательно выполненных экспериментов.
Химическая активность сопутствующих природному газу компонентов (H2S, С02, органических кислот и др.), приносящих массу проблем в коррозионном отношении для обычных газопроводов, для внутренней поверхности криогенных систем, не опасна из-за низких температур. Но внешние его элементы: металлические опоры, кожухи теплоизоляции - подвержены коррозионным разрушениям, поэтому требуют защиты от коррозии.
Основные этапы развития теории расчета оболочечных конструкции в деформируемых средах
При совместном влиянии температурного перепада, изменения внутреннего давления и внешних механических факторов напряжения в стенках трубопроводов определяются по формуле a = jp+crt+a, (2.10) где J - напряжения, рассчитанные с учетом параметров снятых на реальном трубопроводе приборными методами.
Формула (2.10) может быть применена и для определения напряжений в стенках надземных трубопроводов.
Однако для теплоизолированных криогенных трубопроводов нового класса этот метод мало приемлем. Во-первых, нет возможности использовать механизированный оперативный метод расчета, что в современных условиях не приемлемо, во-вторых, не учитываются многие физико-механические факторы и характеристики грунта, формы траншеи, методы взаимодействия системы «труба-теплоизоляция-грунт», в-третьих, без использования измерительных баз, шурфов на трубопроводе и индикаторов определения параметров {At и относительного удлинения єтр ) по данному методу расчета не получить достоверную информацию. А без применения измерительных средств метод дает очень большую погрешность (более 30%), что для криогенных трубопроводов не приемлемо.
В настоящее время начинают получать широкое распространение криогенные трубопроводы в России, в особенности применительно к системам природного газа.
Учитывая, что классификация этих трубопроводов весьма разнообразна, конструкции значительно отличаются друг от друга по своему конструктивному оформлению, кроме того они могут работать в самых различных природно-геологических и грунтовых условиях, методы их расчета должны быть оперативными, а результаты расчета в достаточной степени достоверными. С другой стороны сложность схемы той или другой трубопроводной системы, ее узлов и деталей, а также взаимодействие с окружающими средами требуют разработки трехуровневого метода расчета, в особенности до выполнения больших объемов проектных работ, с использованием результатов исследований, полученных в лабораторных, стендовых и натурных условиях.
История развития расчета трубопроводных систем пришла из развития практики подземного строительства обмазок оболочечного типа, начало которому по данным [61] положил российский ученый Х.С. Головин (1881 г.). При этом монолитная конструкция рассматривалась как находящаяся под воздействием активного давления грунта с одной стороны, но не учитывалось его пассивное сопротивление с-другой.
Вершиной поиска расчета оболочечных систем (обмазок) явилась работа Н.Н. Шапошникова /169/, который впервые предложил применение численного метода для определения динамики процесса подвижек в сечении конструкции -напряжений и деформации в ней, выделив расчетное поле трубопровода из бесконечного пространства, разбив его на конечное число расчетных элементов.
На первом этапе развития теории об оболочечной системе (Х.С. Головин) представленной как решение упругого кривого бруса учитывалось воздействие окружающего грунта на конструкцию по схеме представленной на рис. 2.1.
Недостатком такого способа расчета является отсутствие учета влияния грунта как среды, участвующей в работе конструкции, на ее напряженное состояние, что приводило к избыточному запасу прочности конструкций.
Следующими работами в области расчета монолитных и сборных конструкций были публикации О. Коммереля, С.Н. Розанова и Хьюита [61]. В их работах появился учет влияния грунта как среды, «помогающей» работе конструкции, в частности в учете пассивного сопротивления породы боковым сме 54
щениям конструкции. При этом авторы переоценивали влияние поддерживающих сил пассивного сопротивления грунта и тем самым приводили к недостаточно надежным результатам.
Основные положения и предпосылки прочностных расчётов низкотемпературного трубопровода
Потоки СПГ по технологическим трубопроводам в своем большинстве осуществляются при самых низких температурах (-162 - - -165 С) и низких для него давлениях (в основном до 1,25МПа), в то время как транспорт больших и сверхбольших объемов СПГ по трубопроводам наиболее эффективно осуществ ляется при температуре порядка — 100-г - 120С, но при повышенном давлении (4,5-5,5МПа) /99/.
Если введенный в эксплуатацию СПГ - провод будет работать без сбоев и остановки, то наиболее опасное сечение для собственно трубопровода находится с точки зрения прочности в начале трассы. Однако в практических условиях обеспечить такую работу трубопровода является затруднительным поэтому опасное сечение может быть и в конце трубопровода, когда происходит непрерывный рост температуры, а иногда и давления.
В случае соблюдения условия: Рн-Рк RtH-RtK (3.1) расчетным является начало трубопровода, при Рн-Рк RtH-RtK (3.2) расчетным является сечение в его конце. При этом: Рн - давление СПГ в начале трубопровода (на выходе из насосной станции); Рк — давление СПГ в конце трубопровода (на входе в следующую станцию); RtH - расчетное сопротивление металла с учетом температуры в начале трубопровода; RtK - расчетное сопротивление металла с учетом температуры в конце трубопровода.
При отсутствии уверенности в невозможности некоторого повышения температуры в конце трубопровода (но при предотвращении испарения СПГ в любом его сечении) в процессе эксплуатации, расчету подлежат сечения, как в начале, так и в конце участков с принятием мер по обеспечению прочности СПГ — провода в целом.
В расчете трубопровода на прочность в первую очередь учитываются: рабочая температура СПГ (с резервным переохлаждением), рабочее давление обеспечивает однофазность рабочего продукта, при пуске системы в работу, ее остановке и при аварийной ситуации.
С позиции прочности наибольший интерес для расчетов представляет перепад температуры при пуске СПГ- провода в работу, т.к. при первых порциях поступления жидкого газа в трубопровод с перепадом температур 150С и более происходит интенсивное испарение и перегрев пара. Через некоторый промежуток времени давление на переднем фронте потока при движении газа может возрасти настолько, что уравновесит и даже превысит давление на входе. В результате продвижение жидкости резко замедляется и переходит в квазистационарный режим. Этот период пуска называют «начальным броском».
Длительность начального броска всего несколько секунд, а его абсолютная длина зависит от пропускной способности СПГ — провода, перепада давления и эффективности теплоизоляции трубопровода.
Поскольку в начальной стадии пуска трубопровода в работу неизбежно резкое повышение давления необходимо, по-видимому, вводить достаточно большой коэффициент перегрузки Кн. Величена Кн определяется опытным путём. Для первых, а следовательно опытных криогенных трубопроводов может быть Кн=2.
Учитывая кратковременность поднятия давления при пуске, Кн для неразрезного СПГ- провода, по- видимому, не опасно, однако для разрезного, т.е. с наличием сальниковых компенсаторов - требуются предварительные исследования темпа понижения температуры при охлаждении. Например, для резервуаров СПГ температуру при их охлаждении понижают с темпом не выше 3С в час, в целях предотвращения резкого образования вакуума и схлопывания (разрушения) его стенок.
Как отмечалось предел прочности ав и предел текучести ат стали с понижением температуры повышается, относительное удлинение уменьшается, что можно проследить на графике (рис. 3.1) построенного В.В. Рождественским, П.С. Соловьёвым /144/.
Поведение конструкций теплоизоляционных покрытий трубопроводов в натурных условиях
Теплоизоляционная конструкция — это совокупность элементов, объединенных в единую линейную систему, обеспечивающую эффективное и надежное выполнение заданных функций. При этом элементы покрытия должны благоприятно влиять друг на друга (или влиять негативно в допустимых пределах) при подвижках трубопровода и обеспечивать сохранность покрытия при внешних воздействиях, и надежность работы конструкции трубопровода в целом. При этом на одно и тоже линейное сооружение могут влиять различные резко отличающиеся воздействия в зависимости от вида прокладки.
Для изучения поведения теплоизоляционных покрытий в экстремальных зимних условиях были сооружены опытные теплоизолированные шлейфовые газопроводы на газоконденсатном месторождении Медвежье и в р-не г.Ухты. При этом использовалась теплоизоляционная конструкция покрытия, рассчитанной на прочность по СНиП для тепловых сетей.
Теплоизоляционное покрытие из скорлуп пенополистирола (весом до 40 кг/м ) и парогидроизоляции из липкой ленты ПВХ и «Поликен» (без механической защиты) привело к полному разрушению конструкции покрытия уже в первые годы эксплуатации, как на углах поворота, в месте опирання (рис. 4.1.), так и на ровных участках - с переходом из наземной в подземную часть трассы (рис. 4.2).
Внешнего осмотра было достаточно для того, чтобы сделать заключение о полной непригодности теплоизоляции этих трубопроводов.
Теплоизоляционные материалы тем эффективнее (с точки зрения теплопроводности) чем они легче, но в то же время чем они легче тем менее прочны. Задача создания СПГ-провода состоит в том чтобы, используя эти малопрочные теплоизоляционные материалы обеспечить высокую целостность, прочность и надежность теплоизоляции и трубопровода в целом, во время строительства и его эксплуатации. Это требование может быть выполнено при создании рациональной конструкции теплоизоляционного покрытия и предусмотрении правильных решений при ее проектировании. А это, в свою очередь, возможно обеспечить только лишь при всестороннем знании взаимодействия системы трубопровод-теплоизоляция-грунт.
В предыдущей главе рассмотрены вопросы определения напряжений и перемещений стального трубопровода. Отмечен факт влияния деформационных свойств теплоизоляционного слоя на обобщенные характеристики двухслойного основания, окружающего трубопровод. С другой стороны, перемещающийся трубопровод механически воздействует на теплоизоляционный слой, вызывая его деформирование, поэтому для ряда теплоизоляционных конструкций необходимо решать прочностную задачу. К числу таких конструкций относятся оболочки из жестких пенопластов, являющихся наиболее эффективными из объемных видов термоизоляции для низкотемпературных трубопроводов.
В инженерных расчетах напряженно-деформированного состояния пенопластов необходимо использовать следующие физико-механические характеристики: пределы прочности при растяжении, сжатии, сдвиге, модули нормальной упругости и сдвига, адгезионная прочность сцепления с трубой, диаграмма «напряжение-деформация», зависимость прочности и деформативности от дли тельности действия нагрузки, влияния температуры на механические показатели/139/.
Продольно-поперечные перемещения трубопровода приводят к трем видам нагружения теплоизоляционного слоя: радиальному сжатию, осевому сдвигу, осевому растяжению-сжатию. Компоненты напряжений, связанные с перемещениями показаны на рис. 4.3. Продольные перемещения на подземном участке вызывают касательные напряжения Trz в теплоизоляции, на выходе из грунта теплоизоляционный слой испытывает осевые напряжения az /168/. Поперечные перемещения в радиальном направлении — по координате г — вызывают напряжения радиального сжатия в плоскости поперечного сечения трубопровода: радиальные ar, окружные а р, касательные тГф./165/.
