Введение к работе
Актуальность темы исследования. В Федеральном законе «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 №116-ФЗ (ред. от 04.03.2013), «Концепции федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры Российской Федерации и опасных грузов» одобренной распоряжением Правительства РФ от 27.08.2005 №1314-р, постановлении губернатора Тюменской области «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2015 года» №555 от 07.07.2011 обозначена необходимость совершенствования организации работ в области своевременного выявления и предупреждения угроз техногенного и природного характера, в том числе на объектах газовой промышленности, которая играет важную роль в экономике России. Надежная эксплуатация линейной части подземных газопроводов является важной задачей государственной политики. Обеспечение надежности трубопроводов основывается на оценке запаса прочности, для определения которого проводится анализ усталостного разрушения трубопровода. Важной составляющей данного анализа является учет образования трещин, аналитическое описание которого затруднено в связи с конструктивной сложностью объекта и многостадийностью самого процесса. В связи с этим, задача определения надежности элемента трубопровода решается, чаще всего, на феноменологическом уровне путем введения параметра качества элемента и требованием пребывания этого параметра в заданной области допустимых значений.
Снижение прочности и нарушение устойчивости газопровода приводят к авариям. Прогнозирование наступления аварии основывается на анализе предшествующих событий, связанных с изменением нагрузок и воздействий. В условиях стохастической природы действующих нагрузок и их цикличности, параметры качества не остаются постоянными и оказываются зависимыми от напряженно-деформированного состояния. Среди причин, влияющих на изменение такого состояния трубопровода, можно выделить следующие:
наличие дефектов и их иерархически соподчиненная кинетика, вплоть до образования и прорастания трещин;
искажение геометрической формы линейной части трубопровода;
переменная нагрузка, вызывающая стохастическое воздействие и, как следствие, значительные напряжения.
Таким образом, обеспечение надежности эксплуатации газопроводов связано с влиянием указанных факторов на процессы дефектообразования в стенках труб и нарушения их геометрической формы.
Цель работы. Разработка методов прогнозирования отклонения магистрального газопровода от проектного положения и разрушения линейной части вследствие прорастания коротких трещин под действием напряжений, вызванных переменной нагрузкой.
Объектом исследования является линейная часть подземного магистрального газопровода.
Предмет исследования - влияние динамической нагрузки на процесс развития повреждений на магистральном газопроводе.
Основные задачи исследования:
-
Определение влияния динамических нагрузок вызванных высокочастотным изменением давления на процесс прорастания коротких трещин, приводящий к разрушению линейной части газопровода.
-
Разработка математической модели процесса старения трубной стали с учетом влияния колебаний давления в газопроводе.
-
Разработка математической модели процесса удлинения магистрального газопровода и повышения внутренних сжимающих напряжений под воздействием динамической нагрузки.
-
Определение частоты колебаний газопровода на стадии, предшествующей его изгибу и нарушению проектного положения линейной части трубопровода.
Научная новизна работы:
5. Установлена зависимость внутренних напряжений в стенке
газопровода, вызывающих прорастание мелких трещин и разрушение линейной
части, от колебаний внутреннего давления и режима эксплуатации трубопровода.
-
Разработана математическая модель процесса старения трубной стали, позволяющая оценить концентрацию карбидной фазы на границах ферритных зерен с учетом влияния колебаний давления.
-
Разработана математическая модель, описывающая зависимость удлинения магистрального газопровода от динамических изменений внутреннего давления.
-
Установлена зависимость частоты колебаний стенки газопровода от внутреннего давления на стадии, предшествующей его изгибу вследствие потери устойчивости проектного положения.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработанные математические модели описывают время старения трубной стали и внутренние напряжения в стенке газопровода и позволяют осуществлять прогнозирование процесса развития дефектов и разрушение линейной части трубопровода с учетом динамических нагрузок.
Установленные зависимости продольных сжимающих напряжений в газопроводе от динамических изменений внутреннего давления, а также частоты колебаний стенки газопровода на стадии, предшествующей его изгибу, дают возможность прогнозировать отклонение трубопроводов от проектного положения.
Разработанные методы прогнозирования отклонения трубопровода от проектного положения и разрушения линейной части позволяют организациям, эксплуатирующим магистральные газопроводы, своевременно принимать меры по предотвращению возможных аварийных ситуаций.
Методология и методы исследования. В диссертации использованы классические положения теории упругости, механики разрушения, строительной механики и методы математического и регрессионного анализа.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод прогнозирования прорастания коротких трещин и разрушения линейной части магистрального газопровода на основе зависимости внутренних напряжений в стенке трубы, от колебаний внутреннего давления.
2. Математическая модель процесса старения трубной стали с учетом
влияния высокочастотного изменения давления.
3. Математическая модель процесса удлинения магистрального
газопровода и повышения внутренних сжимающих напряжений под
воздействием динамических процессов (перепадов давления).
4. Метод прогнозирования отклонения магистрального газопровода от
проектного положения на основе зависимости изменения частоты колебаний
стенки трубы на стадии, предшествующей изгибу, от сжимающей нагрузки.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается удовлетворительной корреляцией результатов расчетов с использованием предложенных в работе математических моделей с результатами экспериментов, приведенных в работах других авторов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:
- Всероссийской научно-технической конференция «Нефть и Газ
Западной Сибири». Тюмень 2009 г.
- Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии -
нефтегазовому региону». Тюмень 2010 г.
Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта. Тюмень 2010 г.
- Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии -
нефтегазовому региону». Тюмень 2011 г.
- Десятой международной конференции по мерзлотоведению. Салехард
2012 г.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 11 работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 111 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений, включает 5 таблиц, 23 рисунка. Библиографический список включает 96 наименований.
