Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Нормативные задачи и условия устойчивости трубопровода речного подводного перехода 11
1.1. Выбор объекта и процесса исследования 12
1.2. Анализ нормативных документов и определение набора нормативных задач 17
1.3. Условия общей устойчивости трубопровода 22
1.4. Ненормативные составляющие реального напряжения подводного трубопровода в условиях эксплуатации 32
ГЛАВА 2. Влияние ненормативных нагрузок на ндс трубопровода речного подводного перехода 39
2.1. Ненормативные нагрузки и перемещения подводного трубопровода.. 39
2.2. НДС речного подводного перехода как функция его пространственной геометрии 44
2.3. Формирование НДС свободного пролета речного подводного перехода 50
2.4. Номограммы критических протяженностей свободных пролётов подводных переходов 56
2.5. Задача минимизации перемещений трубопровода на участках речных подводных переходов 60
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования перемещений трубопровода на участках речных подводных переходов МГ 64
3.1. Экспериментальные работы на речном подводном переходе 64
3.2. Перемещения подводного трубопровода в вертикальной плоскости под воздействием давления газа 68
3.3. Поперечные перемещения подводного трубопровода в горизонтальной плоскости под воздействием давления газа 71
3.4. Поперечные перемещения трубопровода в горизонтальной плоскости под действием речного потока 76
ГЛАВА 4. Разработка технических средств для экспериментальных исследований процессов обтекания и стабилизации пространственного положения трубопроводов речных подводных переходов 82
4.1. Особенности обтекания водным потоком тел цилиндрической формы 84
4.2. Общая характеристика разработанного и изготовленного экспериментально-испытательного стенда «Гидрометрический лоток» 86
4.2.1. Эпюры скоростей течения в рабочем блоке стенда 90
4.3. Общая характеристика разработанных новых способов и средств повышения устойчивости размытых участков речных подводных переходов 95
4.3.1. Утяжелитель трубопровода речного подводного перехода с анкерным устройством 95
4.3.2. Речной подводный переход трубопровода 98
4.3.3. Утяжелитель-обтекатель трубопровода 100
Основные выводы 103
Перечень использованных математических символов 106
Библиографический список использованной литературы
- Условия общей устойчивости трубопровода
- Формирование НДС свободного пролета речного подводного перехода
- Поперечные перемещения подводного трубопровода в горизонтальной плоскости под воздействием давления газа
- Общая характеристика разработанных новых способов и средств повышения устойчивости размытых участков речных подводных переходов
Введение к работе
доктор технических наук, профессор Худякова Лариса Петровна
Актуальность темы исследования. Подводные переходы магистральных газопроводов (МГ) через речные преграды представляют собой участки, эксплуатация и обслуживание которых происходят в условиях повышенных рисков. Участки подводных переходов объективно отличаются от других участков трубопроводов по признакам, влияющим на напряжённо-деформированное состояние (НДС) стенки трубы, и результаты этих отличий проявляются в процессе эксплуатации. Пролегающий в траншее речного дна трубопровод испытывает целый ряд воздействий природного и техногенного характера. Специфика конструкции речного подводного перехода, необходимость его балластировки и закрепления создают дополнительные сложности для стабилизации пространственного положения подводного трубопровода. Ситуация еще более усугубляется в случаях размыва отдельных участков перехода и образования свободных пролетов.
На территории России действуют более 2,7 тыс. подводных переходов, в том числе через крупные реки Обь, Волга, Кама и др. Как показывает статистика, свыше 22 % ниток подводных переходов находятся в неисправном состоянии, причём 60 % случаев вывода переходов в ремонт вызваны изменением их пространственного положения при эксплуатации.
Такая ситуация выдвигает исследования процессов формирования НДС подводного трубопровода и выявление механизмов его перемещения в число важнейших направлений решения задачи повышения эксплуатационной надёжности подводных переходов. Однако развитие экспериментальных работ по исследованию перемещений трубопроводов речных подводных переходов сдерживается сложностями в организационном и техническом обеспечении таких работ, значительными трудностями проведения самого эксперимента с чрезвычайно большим объемом необходимых измерений.
Большой вклад в развитие экспериментальных и теоретических исследований по проблеме проектирования и строительства газопроводных систем внесли работы российских учёных В.Л. Березина, В.В. Харионовского,
П.П. Бородавкина, А.Г. Гумерова, Д.В. Штеренлихта, С.И. Левина,
М.А. Камышева и др.
Действующие нормативные документы по проектированию и обслуживанию подводных переходов регламентируют подходы к выбору технологии их строительства, ремонта и эксплуатации. Вместе с тем, несовершенство математической модели, положенной в их основу, не позволяет учесть ряд действующих на трубопровод сил и вызываемых ими процессов перемещения.
Силовые нагрузки, испытываемые трубопроводом речного подводного перехода, в немалой степени зависят от геометрических параметров его конструкции. Однако характер этой зависимости не изучен, и проектировщикам при выборе геометрии конструкции перехода приходится полагаться на имеющийся опыт.
К числу не в полной мере учитываемых нормативно-технической документацией факторов нагружения трубопровода относится воздействие транспортируемого газа. Значительный интерес представляют собой также исследования перемещений размытого участка подводного трубопровода под влиянием набегающего речного потока. Необходимость таких исследований диктуется существованием протяжённых размытых участков на многих действующих подводных переходах и отсутствием информации о процессе обтекания трубопроводов с утяжелителями различных типов. Для постановки такого рода экспериментов необходимо создать исследовательский комплекс, воспроизводящий условия речного течения.
Круг означенных задач, поставленных в рамках данной работы, при сочетании расчётных и экспериментальных методов исследования представляет собой часть общей проблемы обеспечения прочности и устойчивости трубопроводных систем. Успешное их решение может принципиально влиять на последующие этапы исследований и на формирование новых технологий строительства и технического обслуживания подводных переходов МГ, включая переходы с унифицированными конструкционными и эксплуатационными параметрами.
Цель работы изучение особенностей формирования НДС подводных переходов МГ под влиянием силовых факторов, выходящих за рамки их рассмотрения нормативно-технической документацией.
Основные задачи работы:
выполнить анализ НДС трубопровода речного подводного перехода с рассмотрением воздействий, не учитываемых в полной мере нормативными документами. Изучить роль в формировании НДС давления транспортируемого газа, вариаций геометрической структуры перехода, нагрузки, распределённой по внешней поверхности трубопровода;
провести экспериментальные исследования перемещений подводного трубопровода на действующем речном подводном переходе в реальных условиях эксплуатации. Изучить характер и механизм вертикальных и горизонтальных перемещений трубопровода, связанных с давлением транспортируемого газа. Исследовать перемещения свободного пролёта трубопровода под воздействием водного потока;
разработать и изготовить экспериментально-испытательный стенд, моделирующий речное течение, с непрерывной циркуляцией воды и регулируемой скоростью потока в широких пределах;
разработать новые технические средства по повышению надёжности эксплуатации подводных переходов.
Методы решения поставленных задач
Решение расчётных задач для подводного трубопровода, находящегося под воздействием нагрузок по его внутренней (давление газа) и внешней (обтекание) поверхностям, проводилось методами анализа напряжённо-деформированного состояния с применением современных компьютерных программных средств (методов МКЭ и трубопровода-балки, программ «Mathlab» - «MathCAD», «COSMOSWorks» и др.).
При экспериментальных исследованиях перемещений трубопровода на действующем речном подводном переходе применялся метод тригонометрического нивелирования с использованием вспомогательного оборудования, прецизионной измерительной аппаратуры и плавсредства.
Для построения современного экспериментально-испытательного комплекса «Гидрометрический лоток» задействован способ регулирования скорости водного потока с помощью электронного блока плавного пуска системы водоснабжения. Использован также известный метод повышения подачи воды насосом с помощью рассчитанного струйного гидроэжектора.
Научная новизна результатов работы:
1. Показано, что нагрузка на трубопровод речного подводного перехода со стороны транспортируемого потока имеет не рассматриваемую действующими нормами составляющую, существенно влияющую на НДС перехода и способную привести к напряжению стенки трубы выше предельных нормативных значений;
2. Определена зависимость НДС речного подводного перехода от параметров пространственной геометрии его конструкции, характеризующаяся существованием локальных максимумов и минимумов функции напряжения;
3. Экспериментально показано, что под действием давления транспортируемого газа трубопровод подводного перехода претерпевает поперечные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, распределенные по его длине неравномерно и знакопеременно в виде «волны»;
4. На базе полученных расчётно-экспериментальных данных определены параметры реального НДС подводного перехода в режиме рабочего давления газа;
5. Наблюдавшееся распределение перемещений создает зоны повышенного напряжения, локализованные на границах «полуволн» перемещений. Выявленные особенности перемещений и НДС формируются при сочетании изгибающих напряжений, создаваемых возникающей осевой силой в точках нарушений прямолинейности трубопровода, и напряжений начальных изгибов трубы, не связанных с давлением газа;
6. По результатам исследования воздействия скоростного напора речного потока на открытый участок газопровода установлено проявление изгибного перемещения участка с несимметричным распределением прогиба, максимум которого смещен в сторону края участка с шарнирным опиранием; получено распределение напряжения стенки трубы по длине участка свободного пролёта.
Защищаемые положения:
1. Возбуждаемое давлением транспортируемого газа НДС речного подводного перехода зависит от геометрических параметров конструкции перехода; соответствующая функция напряжения характеризуется наличием локальных максимумов и минимумов, что позволяет определить наборы геометрических параметров перехода, приводящие к минимумам напряжения;
2. В процессе эксплуатации в режиме рабочего давления газа трубопровод речного подводного перехода испытывает поперечные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Перемещения трубопровода распределяются по его длине неравномерно и знакопеременно в виде «волны». При этом вблизи точек смены направления перемещений образуются локальные зоны повышенного напряжения. Такие особенности перемещений являются следствием формирования реального НДС трубопровода по следующему механизму. В локальных зонах разнонаправленных отклонений оси трубопровода от прямолинейности по всей его длине действующая осевая сила создаёт изгибающие моменты, а возникающие при этом изгибающие напряжения, суммируясь с напряжением начального изгиба при поворотах оси трубы, дают вклад в продольное напряжение, распределённое по длине трубопровода неравномерно;
3. Измеренное в отсутствии давления газа изгибное перемещение участка свободного пролёта в направлении течения реки с характерным смещением максимума прогиба в сторону края участка с шарнирным опиранием является следствием действия скоростного напора водного потока;
4. Созданный измерительный комплекс-стенд «гидрометрический лоток» с непрерывным замкнутым циклом циркуляции воды и возможностью дистанционного управления скоростью потока обеспечивает получение эпюр скоростей течения по длине русла, его ширине и по глубине потока, характерных для реальных рек. Это позволяет проводить эксперименты по обтеканию моделей устройств подводных переходов в условиях подобия потоков при геометрическом подобии модели и натуры;
5. Предложенные для практического применения защищённые патентами новые технические средства балластировки и закрепления, сочетающие в одном устройстве две функции – утяжелителя-анкера и утяжелителя-обтекателя, способны повысить надёжность эксплуатации речного подводного перехода.
Практическая значимость результатов работы
Применённая в работе методика расчёта ожидаемых перемещений трубопровода может быть использована при проектировании строительства и ремонта речных подводных переходов. Такие расчёты позволят на стадии проектирования предупреждать чрезмерные перемещения трубопровода при эксплуатации перехода, что приведет к снижению объемов необходимых ремонтных работ на участках подводных переходов.
Полученная зависимость функции напряжения от геометрических параметров перехода позволяет определять значения этих параметров, соответствующие одному из минимумов функции. На таком подходе может базироваться один из принципов выбора проектных решений по конструкции речного подводного перехода.
Разработан и изготовлен экспериментально-испытательный стенд «гидрометрический лоток» с непрерывной циркуляцией воды и возможностью управления скоростью потока при помощи электронного блока, предназначенный для исследований и испытаний моделей трубопроводов, оснащенных различными средствами балластировки и закрепления.
Результаты исследований используются при разработке унифицированных проектных решений по ремонту подводных переходов.
Разработаны и защищены патентами новые технические средства балластировки и закрепления подводного трубопровода.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на совещании «Обеспечение надёжной эксплуатации подводных переходов трубопроводов ОАО «Газпром». Положительный опыт при решении проблем»
(д. Летово Московской обл., 2008 г.), V Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (г. Туапсе, 2010 г.), расширенном заседании научно-технического совета ОАО «Оргэнергогаз» (г. Видное, 2012 г.), VI Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (г. Бечичи, Черногория, 2012 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе 6 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получено
3 патента на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, библиографического списка использованной литературы, включающего 55 наименований, и основных выводов. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 6 таблиц.
Условия общей устойчивости трубопровода
Трубопроводная система предназначена для реализации технологического процесса перемещения транспортируемой среды. Основным процессом взаимодействия при этом является механическое взаимодействие трубопроводной системы с транспортируемым потоком. Результатом такого взаимодействия является возникновение в общем случае действующих на транспортируемый поток сил сопротивления его перемещению по трубе и сил, действующих на внутреннюю поверхность трубы.
Технологический режим трубопроводного транспорта газа возбуждает как минимум два механических процесса: движение транспортируемого потока газа по трубопроводу и деформации трубопроводной системы под воздействием на нее сил.
Движение по трубопроводу транспортируемого потока обеспечивается за счёт энергии, получаемой от нагнетательных машин, образующих вместе с трубопроводами самостоятельную газотранспортную систему [ 1 ].
Проектирование строительства и ремонта газопроводных систем и их отдельных участков регламентируется большим пакетом нормативной документации, разработанной на базе научных исследований и многолетнего опыта эксплуатации газопроводов. Особо высокой критичностью требований отличается нормативная документация, относящаяся к переходам газопроводов через водные преграды.
В главе анализируются нормативные подходы к решению задач устойчивости подводного трубопровода и делается попытка структуризации действующих норм по задачам в части силовых воздействий и возникающих перемещений и напряжений. 1.1. Выбор объекта и процесса исследования
Под надежностью трубопроводных систем понимается их способность осуществлять транспортировку продукта, сохраняя во времени установленные эксплуатационные показатели в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования [2, 3]. Трубопроводная система состоит из объектов различного предназначения, а их взаимодействие служит решению общей задачи в рамках обеспечения единого технологического процесса. Для исследований с целью повышения надежности эксплуатации трубопроводной системы необходимо выбрать: - конкретный процесс, сопровождающий технологический режим трубопроводного транспорта; набор количественно характеризующих выбранный процесс параметров.
Появление деформации трубопровода под воздействием сил (в общем случае не только со стороны транспортируемого потока, но и со стороны распределенных по внешней поверхности трубы) ведет к возбуждению в материале трубы напряжений, способных привести к потере трубопроводом геометрической формы, появлению сквозных отверстий в стенке трубы или даже к полному ее разрушению. Поэтому в рамках механического процесса деформации трубы обеспечение надежности эксплуатации трубопроводных систем представляет собой задачу обеспечения прочности и устойчивости трубопроводов [4, 5].
Для трубопроводной системы как механической системы, подверженной деформации, характерны следующие особенности.
Следствием технологического режима трубопроводного транспорта часто является переменное воздействие на трубопровод со стороны транспортируемого потока. Наблюдаемое в процессе эксплуатации зависимое от времени изменение параметров технологического режима (например давления) около номинального значения не оказывает принципиального влияния на сам режим и поэтому не учитывается в нормативных документах [6, 7], но может оказать существенное влияние на характеристики переменных нагрузок на трубопровод со стороны транспортируемого потока, которые не всегда известны.
Численные характеристики нагрузок на внешнюю поверхность трубы также не всегда известны (набор самих нагрузок, набор их параметров, диапазон и характер их изменения).
Предельные значения критериальных величин зависят от времени и также часто являются неизвестными и случайными величинами. Указанные факторы делают процесс деформации трубопроводных систем не всегда точно предсказуемым на стадии проектирования и не всегда допускающим однозначные оценки на стадии эксплуатации и, следовательно, не всегда допускают однозначные технологии технического обслуживания трубопроводов. Так, согласно [4] в частности, в газовой отрасли давно назрела необходимость формирования концепции надежности, в которой нашли бы отражение указанные аспекты во взаимной зависимости с учетом единства требований к трубопроводной системе. В целом, учет, оценка и прогноз механического процесса деформации трубопроводных систем требуют своего дальнейшего совершенствования.
Задачу обеспечения прочности и устойчивости трубопроводных систем в настоящий момент предлагается в нормативах и в научно-технической литературе решать разными (в том числе и разными нормативными) методами. Эти методы можно разделить на группы, отличающиеся подходом к решению задачи.
Один из подходов предлагает оценку статической и динамической деформации трубопроводов проводить без учета в явной аналитической форме геометрических неоднородностей (полостей, задиров, трещин, расслоений и т.д.) в стенке трубы. На наличие таких неоднородностей делается поправка в виде коэффициентов запаса.
При другом подходе необходим прямой учет наличия в стенке трубы геометрических неоднородностей, включая оценку напряженно 14 деформированного состояния стенки трубы. Требуются также предварительное выявление первоначального разрушения и проведение мероприятий на стадии эксплуатации по снижению влияния различного рода дефектов стенки трубы.
И еще один подход заключается в оценке работоспособности трубопроводных систем вероятностными методами. Вопрос обеспечения прочности и устойчивости трубопроводов - это в значительной степени вопрос определения, контроля и прогноза НДС стенки трубы. Уровень и схема НДС в общем случае зависят от: - системы действующих на трубопровод сил; - геометрии трубопроводной системы в целом и отдельных составляющих ее элементов.
Количественные соотношения векторов действующих на трубопровод сил и его геометрических параметров определяют процесс упругой или пластической деформации стенки трубы и, следовательно, функциональную взаимосвязь между напряжением и деформацией.
Большинство нормативных документов формулирует условие обеспечения надежной эксплуатации трубопроводов (обеспечения прочности и устойчивости трубопроводов) для упругой зоны деформации. Однако наличие в стенке трубы геометрических неоднородностей различных типов приводит к возникновению вблизи этих неоднородностей локальных зон пластических деформаций. Размеры и геометрия этих зон зависят от физико-механических свойств материала трубы, условий её эксплуатации и т.д. Наличие же в материале трубы зон пластической деформации ведёт к развитию первоначального разрушения (полости, задиры, трещины, расслоения) трубы вплоть до появления в её стенке сквозных отверстий или даже полного её разрушения
Формирование НДС свободного пролета речного подводного перехода
В 2.1 показаны различия между нормативным и фактическим наборами параметров нагружения трубопровода на участке подводного перехода, определяющими НДС стенки трубы. Далее необходимо количественно оценить разницу между нормативным и фактическим НДС.
Параметры нагружения определяют слагаемые, характеризующие в уравнениях движения действующие на трубопровод силы. В свою очередь, уравнения движения в целом описывают процессы перемещения трубопровода под действием представленных в уравнениях сил. Следовательно, для количественной оценки отличия нормативного НДС от фактического необходимо исследовать не учтенные действующими нормами процессы перемещения, то есть уравнения движения, включающие не учитываемые нормами силы. Для решения этой задачи используем систему уравнений движения (1-19). Не учитываемые нормами процессы перемещения являются достаточно самостоятельными и могут быть исследованы независимо друг от друга. Вместе с тем, эти процессы взаимосвязаны. Действительно, уравнения движения, описывающие процессы перемещения, составляют единую систему НДС, а общее вызванное разными процессами перемещения трубопровода напряжение стенки трубы ограничено постоянной величиной C7ijm - пределом текучести, или временным сопротивлением на разрыв [6, 7]. Следовательно, каждый из этих процессов перемещения должен иметь допустимый диапазон изменения вызванного им напряжения, и этот диапазон должен быть согласован с диапазонами изменений напряжения, вызванных остальными процессами перемещения, и с общим допустимым его значением.
В соответствии с системой уравнений движения (1.19) не учитываемые нормами силы и вызываемые ими процессы перемещения можно разделить на две группы. К первой группе можно отнести процессы, определяемые технологическим режимом трубопроводного транспорта и конструкцией трубопроводной системы (первое уравнение), а ко второй группе процессы, связанные с условиями эксплуатации, также в сочетании с конструкцией (второе уравнение). Отличие первого уравнения системы (1.19) от нормативного определяется условием
Отличие возникающего при выполнении условия (2.15) напряжения от нормативного задаётся действием в конструкции осевой силы N/, не учитываемой в нормативных документах и рассчитываемой по первому уравнению системы (1.19).
Сосредоточенные усилия со стороны транспортируемого потока ff (s, t) зависят от геометрии трубопроводной системы и не зависят от величины искомой функции перемещения у (s, t) и её производных. Поэтому эти силы располагаются в правой части первого уравнения движения. Осевая сила Л в левой части первого уравнения системы (1.19) уравновешивает деформацию трубопровода, вызванную действием усилий ff (s, t). Она является функцией параметров транспортируемой среды и пространственной геометрии трубопроводной системы, и её значение изначально неизвестно. Таким образом, в одном уравнении движения присутствуют две неизвестные функции - функция перемещения трубопровода у (s, t) и функции осевой силы Nf.
Уравнение решается численным методом последовательных приближений с идеализацией трубопровода системой конечных элементов. В качестве конечного элемента используется прямолинейный участок трубы с шестью степенями свободы в каждом узле.
Численную оценку отличия вызванного осевой силой Nf напряжения от нормативного проведем для случая, в котором аргументом функции силы Nf является только пространственная геометрия трубопровода (рисунок 2.1).
Численные же характеристики технологического процесса трубопроводного транспорта (давление потока газа 7,0 МПа, его плотность 50 кг-м"3 и скорость 1,5 м-с"1, сечение трубы 0 720x11,3 м и длина участка L = 20 м) принимаются фиксированными. Тогда сила Nf является функцией:
Результаты расчета осевой силы Nf представлены на рисунке 2.2 (в 20-изображении) и рисунке 2.3 (в ЗО-изображении). На рисунке 2.2 по периметру диаграммы даны значения отношений HL"1 (записаны перед точкой с запятой) и SL"1 (записаны после точки с запятой). В радиальном направлении указаны значения осевой силы Nf, МН. Выделенные пунктиром линия (рисунок 2.2) и плоскость (рисунок 2.3) соответствуют предельному допустимому значению Nf пред [33, 34].
Расчёт показал, что максимальная величина осевой силы равна 4,329 МН. Эта сила вызывает в стенке трубы дополнительное не учтенное нормами продольное напряжение, равное 172,1 МПа. При этом данное напряжение составляет 80 % от рассчитанного по нормам кольцевого напряжения а"ц и нарушает принятую в нормах величину отношения между осевой компонентой тензора напряжения, вызванного воздействием на трубопровод транспортируемого потока, и ант (то есть нарушает принятую в нормах схему НДС). Это говорит о необходимости обязательного учета осевой силы
Наличие локальных минимумов и максимумов силы Nf показывает возможность решения задачи минимизации напряжения стенки трубы, связанного с давлением транспортируемого газа, при относительно небольшом изменении конструкции перехода. Для демонстрации этого можно воспользоваться проведёнными через точку Nf-пред, определяющую предельно допустимое значение осевой силы Nf, пунктирной окружностью (рисунок 2.2) и плоскостью, параллельной осям HL"1 и S-L"1 (рисунок 2.3).
Точки, расположенные выше выделенных окружности на рисунке 2.2 и плоскости на рисунке 2.3, проходящих через Nfnpea, определяют недопустимую комбинацию параметров конструкции перехода. Напряжение стенки трубы в таких конструкциях превышает предельное допустимое СТПр.. Меньшие напряжения возникают в переходах с параметрами, соответствующими точкам, расположенным внутри окружности предельного Nf пред. на рисунке 2.2, или ниже плоскости предельного Nf пред. на рисунке 2.3. Из этих рисунков видно, как нужно изменить параметры конструкции перехода, чтобы напряжение стенки трубы стало меньше аИт. В итоге задача фактически сводится к определению оптимальных значений отношений Н L 1 и$ ІГ1, то есть геометрических параметров конструкции перехода.
Из второго уравнения системы (1.19) и (2.12) следует, что не учтенные нормами процессы перемещения трубопровода могут быть следствием условий эксплуатации трубопровода: - температурного перепада по длине трубы и осевого смещения смежных участков трубопровода, выраженных осевой «следящей» нагрузкой в левой части, уравнения
Поперечные перемещения подводного трубопровода в горизонтальной плоскости под воздействием давления газа
Измеренное положение трубопровода без давления указывает на существовавшие начальные смещения осевой линии трубы в направлениях как против, так и по течению реки. Из расчёта следует, что перемещение трубопровода против течения реки на отрезке между точками 82 и 92 вызвано именно осевой силой Nf, возникшей из-за наличия поворота осевой линии трубы в сторону против течения. Рассчитанная величина Nf в точке максимального смещения на этом отрезке равна 0,393 МН, а ненормативная часть продольного напряжения на данном отрезке трубы, созданная силой Nf и начальным изгибом осевой линии, составляет 79,65 МПа.
Перемещение трубопровода по направлению течения реки на отрезке между точками 102 и 121 вызвано имевшим место начальным смещением в эту сторону оси трубы и действием осевой СИЛЫ Nf.
Созданное при этом на данном отрезке напряжение достигает своих максимальных значений 99,93 МПа и 69,65 МПа соответственно в точках 109 и 113. Возникновение высокого напряжения в точке 113 связано с наблюдавшимся «закреплением» («зажатием») трубы на отрезке между точками 113 и 120, на котором отмечено также и меньшее по сравнению с отрезком между точками 82 и 92 перемещение трубы.
Распределение поперечных перемещений трубопровода в горизонтальной плоскости под воздействием давления газа (р = 4,8 МПа) по длине участка между точками 82 и 124 Перемещения трубы на отрезках между точками 92 и 97, 97 и 102 определяются влиянием «полуволн» перемещения соответственно отрезков между точками 82 и 92, 102 и 121 и «идеальным шарнирным опиранием» в точках 92, 97 и 102 граничных контактов. В таблице 3.2 представлены результаты расчёта осевой силы Nf, напряжения изгиба jjr , максимального общего (суммарного -нормативного и сверхнормативного) продольного напряжения апр для локальных отрезков трубопровода между соседними точками по всей длине трубопровода. Осевая сила Nf изменяется в диапазоне 0,3864...0,3941 МН и,
Для оценки каждого из этих вкладов в перемещение и, соответственно, в сверхнормативное напряжение полученных экспериментальных данных недостаточно. Что касается начальных изгибов оси трубопровода, вполне возможных как при его укладке, так и по другим причинам, то вызываемые этим фактором напряжения могут оказаться достаточно большими.
При плановых обследованиях действующих речных подводных переходов с участками свободных пролётов основное внимание уделяется выявлению перемещений оголённых участков вверх как возможных признаков начинающегося процесса всплытия. Однако не менее опасными являются и поперечные перемещения трубопровода в горизонтальной плоскости, которые для участков свободных пролётов вполне ожидаемы, так как ничем не скомпенсированная сила гидродинамического давления речного потока на оголённый трубопровод может оказаться значительной.
Одной из задач проведённых экспериментальных работ были выявление и изучение поперечного перемещения в горизонтальной плоскости участка свободного пролёта исследуемого перехода под воздействием водного потока. Такой участок длиной 15 м на схеме продольного профиля перехода (см. рисунок 3.1) расположен между точками 31 и 35. Он имеет разные граничные условия закрепления: справа - жёсткое защемление, а слева близкое к шарнирному опиранню. На рисунке 3.5 показаны полученные по экспериментальным измерениям отметки положений в горизонтальной плоскости точек верхней образующей трубопровода после сброса давления
Отмеченные горизонтальные перемещения относительно линии створа образуют линию прогибов, соответствующую разным типам закрепления концов участка - жёсткому справа и шарнирному опиранню слева. При этом максимум прогиба фактической оси газопровода на этом участке смещён относительно середины участка в сторону границы с шарнирным опиранием.
Для проверки правильности отнесения наблюдавшихся перемещений к изгибной деформации под воздействием скоростного напора водного потока проведён расчёт ожидаемых перемещений под воздействием лишь горизонтальной нагрузки со стороны водного потока. Отметим, что такой расчёт может дать возможность лишь качественно сравнить его результаты с экспериментом по следующим причинам: - не известна максимальная скорость течения на данном участке за период времени после его размыва и оголения; - не известен коэффициент лобового сопротивления трубопровода с кольцевыми утяжелителями, которыми оснащён исследованный подводный переход; - не известны условия первоначальной укладки данного участка трубопровода; возможно, он уже имел некоторую кривизну.
Моделью для расчёта являлся исследованный участок трубопровода диаметром 530 мм, толщиной стенки 8 мм и длиной 15 м. Принятые скорость течения и коэффициент лобового сопротивления равны 1,5 м-с-1 и 0,6 соответственно. Рассчитанная по этим данным по формуле (1.23) равнораспределённая по длине трубопровода нагрузка Fx = 14915 Н.
Расчёты прогибов проведены по трём программам - «Mathlab» (трубопровод - балка), «Balka» и «COSMOSWorks» (МКЭ). Приняты следующие граничные условия.
Распределение прогибов и напряжений по длине рассматриваемого свободного пролёта (Положение максимума прогиба смещено на 1,170 м. Расчёт по программе «COSMOSWorks»)
Качественное совпадение экспериментальной и расчётных кривых распределения перемещений (прогибов) по длине свободного пролёта очевидно. Довольно существенные количественные различия в прогибах экспериментальных и расчётных могут быть связаны с двумя причинами:
Отметим также, что экспериментально зарегистрированный изгиб данного участка по направлению течения реки не является следствием остаточной деформации, приобретённой под давлением газа в режиме эксплуатации. Как показали измерения, горизонтальные перемещения на этом участке под действием давления газа происходят в сторону, противоположную направлению течения и составляют в максимуме 0,07 м от линии створа перехода.
Представленные в главе 3 результаты экспериментальных исследований поперечных перемещений трубопровода речного подводного перехода в вертикальной и горизонтальной плоскостях под воздействием давления транспортируемого газа отражают значительные количественные и качественные отличия процесса формирования реального НДС подводного трубопровода от нормативного.
Общая характеристика разработанных новых способов и средств повышения устойчивости размытых участков речных подводных переходов
В действующей нормативной литературе на проектирование не рассматривается ряд вопросов воздействий набегающего водного потока на подводный трубопровод, находящийся в размытом состоянии.
Появление в процессе эксплуатации подводных переходов размытых участков трубопровода приводит в действие механизмы дополнительных регулярных и случайных воздействий на него.
На оголённом участке (участке свободного пролёта) в результате воздействия на трубопровод движущейся водной среды возникают квазистатические нагрузки (лобовое сопротивление) за счёт взаимодействия участка трубопровода с потоком воды; при определённых условиях такие нагрузки могут вызвать изгибные перемещения трубопровода и его колебания.
Оснащение подводных трубопроводов балластирующими устройствами приводит к увеличению площадей как поперечного, так и продольного эффективных сечений трубопровода, а главное, значительно изменяет форму профиля обтекания трубопровода водным потоком.
Для речного подводного перехода это означает рост лобового сопротивления трубопровода набегающему водному потоку. Параметр, во многом определяющий величину силы лобового сопротивления обтекаемого тела, - коэффициент лобового сопротивления Сх, зависит от формы обтекаемого объекта.
Этот коэффициент определяется экспериментально и был найден для тел различных форм, включая цилиндры с гладкой и шероховатой поверхностями и трубопроводы, обетонированные и футерованные деревянными рейками [44].
Между тем, нет никаких указаний в научно-технической литературе о каких-либо исследованиях трубопроводов с балластирующими устройствами различных форм для определения их коэффициента лобового сопротивления.
В первую очередь актуально определить с помощью поставленного эксперимента коэффициент лобового сопротивления трубопровода с кольцевыми утяжелителями, которыми по нормативным требованиям оснащают трубопроводы русловой части речного подводного перехода.
Важной представляется также необходимость дальнейшего продвижения в понимании особенностей зависимости параметров лобового сопротивления оголённого трубопровода с кольцевыми утяжелителями от его положения по отношению к грунту дна реки.
Каждый новый вид разработанных утяжелителей и другого оборудования для подводных переходов перед внедрением его в практику должен пройти соответствующие испытания. Проведение таких испытаний и всех видов исследований на реальных реках или в водоканалах представляет собой трудоёмкую и сильнозатратную проблему.
Все задачи такого рода успешно могут решаться с помощью «Гидрометрических лотков», воспроизводящих условия реальной реки.
Исследования и испытания проводятся на построенных в определённом масштабе моделях обтекаемых объектов, и результаты переносятся на реальные объекты с применением теоремы подобия Рейнольдса [35].
Для получения возможности решения целого ряда экспериментальных задач по обтеканию тел и испытаний разрабатываемого оборудования для подводных переходов построен экспериментально-испытательный стенд «Гидрометрический лоток».
В главе рассмотрен процесс обтекания цилиндрических тел, приводятся структура построенного стенда, его основные параметры и результаты измерений характеристик водного потока. Представлены также защищенные патентами новые технические разработки, предназначенные для повышения устойчивости положения размытых участков речных подводных переходов.
Особенности обтекания водным потоком тел цилиндрической формы Получение коэффициента лобового сопротивления теоретическими методами даже для тел с простым профилем обтекания весьма проблематично, так как до настоящего времени нет общепризнанного теоретического описания процессов вихреобразования и турбулентного обтекания. Поэтому экспериментальные методы определения коэффициентов лобового сопротивления тел различных форм остаются самыми надёжными.
Сила, с которой водный поток действует на поверхность обтекаемого тела, имеет нормальную и касательную составляющие, первая из которых вызывает гидродинамическое сопротивление давления, а вторая -гидродинамическое сопротивление трения. Тела, для которых гидродинамическое сопротивление давления мало по сравнению с сопротивлением трения, относятся к хорошо обтекаемым.
На границе водного потока и поверхности обтекаемого тела образуется пограничный слой жидкости, который при больших скоростях срывается с поверхности тела с образованием вихревой зоны пониженного давления. Размеры такой вихревой зоны и давление в ней зависят от местоположения точек отрыва слоя жидкости. Для тел цилиндрической формы (в том числе для труб) зона завихрений растёт с приближением точек отрыва вихрей к линии передней (по отношению к потоку) образующей цилиндра.
К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных результатов по определению коэффициента лобового сопротивления Сх для тел цилиндрической формы в зависимости от числа Рейнольдса Re. В этих зависимостях [29] просматривается общий характер, но есть и значительные несоответствия друг другу результатов различных авторов, полученных для одинаковых тел. Общим для тел цилиндрической формы является довольно резкое падение значения Сх в диапазоне чисел Рейнольдса 2-Ю5 Re 5-Ю5 . Это так называемый «кризис сопротивления». В «закризисной зоне» (Re 5-Ю5) коэффициент Сх сначала растёт до некоторой величины, затем сохраняет своё значение, оставаясь меньшим, чем в «докризисной зоне». В большинстве случаев значение Сх изменяется от 1,2 в максимуме до 0,3 в минимуме.
Для цилиндров с шероховатыми поверхностями обтекания характерны общий рост коэффициента Сх и ослабление эффекта «кризиса сопротивления». Так, для труб, футерованных деревянными рейками, в диапазоне роста числа Рейнольдса от 5-10 до 5-10 Сх изменяется от максимального значения 1,2 до минимального 0,75 и далее растёт до 1,0 [29]. Отметим также, что зона «кризиса сопротивления» с повышением степени шероховатости поверхности сдвигается в сторону меньших значений числа Рейнольдса.
Экспериментальные значения коэффициента лобового сопротивления Сх в зависимости от числа Рейнольдса для трубопроводов с кольцевыми утяжелителями пока не получены. Поэтому при расчётах общей устойчивости речных подводных переходов проектировщики вынуждены прибегать к использованию ничем не обоснованных значений Сх для таких трубопроводов. В ходе выполнения нашей работы также возникала проблема выбора значения коэффициента Сх при проведении запланированных расчётов.
В следующем разделе приводятся характеристики созданного экспериментально-испытательного стенда «Гидрометрический лоток» с возможностью непрерывной циркуляции воды и регулировкой скорости течения при помощи электронного блока с выносным пультом управления.
Несущий каркас (рисунок 4.1) выполнен из стальных профилей трёх типоразмеров: 60x60x4 мм, 120x60x4 мм и 140x60x4 мм - и представляет собой цельносварную конструкцию. Вся конструкция опирается на две центральные полушарнирные опоры, позволяющие при необходимости менять угол наклона к горизонту для увеличения диапазона изменения скорости течения воды в лотке. Выбранное положение каркаса фиксируется с помощью 6-ти (3-х с каждой стороны) регулируемых подставок-домкратов. Несущий каркас стенда построен с более чем 5-кратным запасом прочности при его полной загрузке.
Рабочий блок (лоток) (рисунки 4.1, 4.2) представляет собой горизонтально расположенный параллелепипед размерами 12820x562x562 мм. Остов лотка выполнен из стальных профилей, боковые стенки - из многослойного стекла «триплекс» толщиной 12,4 мм, а дно - из экструзионного оргстекла толщиной 12 мм. Герметизация стенок и дна лотка производилась с помощью полосок резины ТМКЩ-С толщиной 5 мм, резинового клея и водостойкого высокоэластичного герметика. Для придания поверхности дна шероховатости оно покрыто мастикой, смешанной с гранитной крошкой. Расходный и приёмный баки (рисунки 4.1, 4.2) изготовлены из листовой стали толщиной 4 мм и укреплены ребрами из
Похожие диссертации на Расчётно-экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния подводных переходов магистральных газопроводов
