Введение к работе
Актуальность работы. Согласно статистике ежегодно происходит около 40 тысяч аварий и разрушений технологических трубопроводов в результате, которых гибнут люди, наносится большой экологический урон природе и теряется около 0,05% всех извлекаемых запасов нефти и газа.
Результаты расчетов департамента научно-исследовательских работ группы компаний «Городской центр экспертиз», свидетельствуют, что около 40% аварий и разрушений могло быть предотвращено, если бы существовала возможность провести полноценный и своевременный анализ имеющейся информации о состоянии трубопроводов.
Основными причинами возникновения разрушений и аварий являются: 1) коррозия (около 25%); 2) перепады давления (около 23%); 3) вибрации (около 20%); 4) осадка фундамента под опорой трубопровода и гидроудары (около 17%); 5) природные явления (около 8%); 6) прочие, в том числе, повреждения, вызванные непродуманными действиями третьей стороны вблизи местоположения трубопровода (около 7 %).
Кроме того большому количеству аварий и разрушений способствуют: 1) постоянное увеличение протяженности технологических трубопроводов; 2) расширение границ добычи нефти и газа в районах со сложными климатическими условиями (вечная мерзлота, сейсмоопасные районы, горная местность и пр.); 3) доля технологических трубопроводов старше 30 лет составляет не менее 40% от общего числа.
Из вышеотмеченного можно сделать вывод, что существующая нормативно техническая документация нуждается в совершенствовании. В частности - РТМ 38.001-94 «Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов» не учитывают реальные законы распределения случайных действующих нагрузок и свойств трубных сталей.
Разработка методики оценки прочностной надежности технологических трубопроводов сложной геометрической формы на основе методов непараметрической статистики является актуальной проблемой науки и практики.
В решение проблем прочности трубопроводов внесли отечественные ученые Алешин Н.П., Бородавкин П.П., Васин Е.С., Гумеров А.Г., Гумеров Р.С, Зайнулин Р.С, Иванцов О.М., Карзов Г.П., Котляревский В.А., Куркин С.А., Лисин Ю.В., Мазур И.И., Махутов Н.А., Молдаванов О.И., Пашков Ю.И., Пермяков В.Н., Новоселов В.В., Голофаст С.Л., Сызранцев В.Н., Фокин М.Ф., Харионовский В.В., Шумайлов А.С., Ямалеев К.М. и др. В то же время методы расчета прочностной надежности участков технологических трубопроводов с компенсаторами отсутствуют.
Цель работы. Разработать методику оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором на основе применения методов непараметрической статистики и результатов расчета трубопровода на прочность и жесткость выполняемых методом конечных элементов.
Для достижения поставленной цели, в работе поставлены следующие основные задачи:
1. Разработать подход к оценке прочностной надежности
трубопровода на основе статистической обработки результатов численных,
выполненных методом конечных элементов, экспериментов, конечным
результатом которой является определение вероятности безотказной
работы всех «опасных» точек участка трубопровода с компенсатором.
-
Предложить и обосновать расчетные схемы и алгоритмы для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в программном комплексе, позволяющие определить «опасные» участки трубопровода и «опасные» точки компенсатора трубопровода.
-
Провести численные эксперименты для оценки влияния на НДС участка трубопровода с компенсатором различных видов нагрузок, с целью определения целесообразности их рассмотрения при оценке прочностной надежности трубопровода.
4. На основе планирования численного эксперимента для «опасных» точек определить математические зависимости возникающих напряжений от давления и температуры.
Объект исследования: участок технологического трубопровода с компенсатором.
Предмет исследования: методы расчета прочностной надежности участка трубопровода с компенсатором.
Методы исследования. При исследовании использовались методы непараметрической статистики, аналитический метод, метод конечных элементов, метод планирования эксперимента.
Научная новизна диссертационного исследования определяется разработанным подходом оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором включающим:
планирование двухфакторного (давление и температура) трехуровнего эксперимента;
расчет методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния П-образного компенсатора в точках плана эксперимента;
- для каждого расчета определение «опасной» (по величине
возникающего напряжения) точки компенсатора и по результатам расчета
всех точек плана эксперимента формирование совокупности действующих
напряжений в каждой «опасной» точке;
определение для каждой «опасной» точки компенсатора регрессионных зависимостей действующих напряжений от давления и температуры трубопровода;
- используя фактические выборки давления и температуры по
регрессионным зависимостям, определение выборки возникающих в
трубопроводе напряжений, статистические данные по предельным
напряжениям, расчет методами непараметрической статистики
вероятности безотказной работы компенсатора или вероятности его отказа.
Практическая значимость:
1. Разработана методика расчета вероятности безотказной работы или вероятности отказа П-образного компенсатора по результатам фактических значений давления и температуры технологического трубопровода, зафиксированных в течение определенного периода его эксплуатации.
-
Для конкретных размеров П-образного компенсатора получены регрессионные зависимости по расчету напряжений в его «опасных» точках, позволяющие выполнять оценку прочностной надежности компенсатора независимо от сложности законов распределения случайных величин давления и температуры участка трубопровода.
-
Предложена процедура определения регрессионных зависимостей для «опасных» точек П-образного компенсатора, включающая планирование эксперимента и выполнение конечного числа численных расчетов напряженно-деформированного состояния П-образного компенсатора участка трубопровода.
Положения, выносимые на защиту:
1. Подход к оценке прочностной надежности трубопровода с
помощью методов непараметрической статистики на основе результатов
выполненных серий численных двухфакторных экспериментов
проводимых методом конечных элементов.
2. Полученные аппроксимирующие зависимости возникающих
напряжений от давления и температуры для каждой «опасной» точки
компенсатора.
-
Алгоритмы выполнения расчетов и расчетные схемы для определения НДС трубопровода и их «опасных» участков методом конечных элементов, используемые в численных экспериментах.
-
Результаты численных экспериментов по исследованию влияния на НДС участков трубопровода с компенсатором силовых и температурных нагрузок, нагрузок, возникающих из-за осадок фундаментов опор.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались департаментом ПИР ОАО «СибНАЦ» в проекте «Обустройство Среднеботуобинского НГКМ». Предложенные алгоритмы расчета и расчетные схемы для оценки НДС трубопроводов используются при подготовке студентов специальности 130602 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов».
Апробация научных положений и результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались на всероссийской научно-
технической конференции с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007г.), 4-ой Российской научно-технической конференции «Компьютерный инженерный анализ» (г. Екатеринбург, 2007г.), IV международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (г. Тюмень, 2008), межрегиональной научно-технической конференции с международным участием, посвященной 45-летию индустриального института и 10-летию кафедры «Ремонт и восстановление скважин» (г. Тюмень, 2008), 4-й Российской научно-технической конференции «Компьютерный инженерный анализ» (г. Челябинск, 2008), «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе пять в изданиях из списка ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы содержащего 63 источника и 7 приложений. Материал работы изложен на 125 страницах машинописного текста, содержащего 39 рисунков и 12 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка методики оценки прочностной надежности участка технологического трубопровода с компенсатором
