Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема надежности трубопроводов в нефтегазовой отрасли 12
1.1. Анализ аварийности и оценка надежности трубопроводов, эксплуатируемых в Западной Сибири 12
1.2. Оценка конструкций и условий эксплуатации промысловых трубопроводов и трубопроводов газораспределительных систем 16
1.3. Опыт применения трубопроводов из полиэтилена и прогрессивных технологий их сооружения в нефтегазовой отрасли 17
1.4. Факторы, определяющие дополнительные требования к промысловым полиэтиленовым трубопроводам 45
1.5. Требования к материалам труб и машинам, применяемым при прокладке и ремонте трубопроводов по нетрадиционным технологиям 46
1.6. Анализ методов расчета длинномерных гибких труб с позиции строительной механики 55
1.7. Постановка задачи диссертационной работы 60
2. Математическая модель расчета конструктивной надежности гибких труб из полиэтилена при прокладке и ремонте трубопроводов 63
2.1. Прокладка и ремонт трубопроводов по прогрессивным технологиям с использованием полиэтиленовых труб и метод оценки их конструктивной надежности 63
2.2. Моделирование напряженного состояния гибких труб из полиэтилена при прокладке и ремонте трубопроводов 70
2.2.1. Напряженное состояние длинномерных гибких труб 70
2.2.2. Дифференциальные уравнения математической модели расчета на прочность длинномерных гибких труб при прокладке трубопроводов 80
2.2.3. Краевые условия 83
2.3. Метод конечных разностей в расчете напряженно -деформированного состояния длинномерных гибких труб 85
2.4. Обоснование достоверности численных результатов расчета напряженного состояния гибких труб 92
2.5. Выводы по разделу 98
3. Экспериментальные исследования деформирования длинномерных гибких труб из полиэтилена при прокладке трубопроводов 100
3.1. Планирование экспериментальных исследований 100
3.2. Описание спроектированной экспериментальной установки 103
3.3. Методика проведения экспериментов 108
3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 116
3.5 Обоснование достоверности теоретических положений и расчетов напряженного состояния полиэтиленовой трубы при изгибе 121
3.6. Выводы по разделу 122
4. Экспериментальные исследования но определению механических и прочностных характеристик труб из армированного полиэтилена 125
4.1. Планирование экспериментальных исследований 125
4.2. Методика и экспериментальные исследования механических и прочностных характеристик армированных полиэтиленовых труб на растяжение и сжатие 127
4.3. Экспериментальные исследования длинномерных гибких труб из армированного полиэтилена на разрушающее внутреннее давление 138
4.4. Экспериментальные исследования армированных полиэтиленовых труб на действие внутреннего давления с изгибом 141
4.5. Испытания на стойкость к циклическим нагрузкам труб из армированных полимерных материалов 147
4.6. Экспериментальные исследования при деформировании во времени гибких труб из армированного полиэтилена 148
4.7. Испытания по определению влияния температур на прочностные характеристики армированного полиэтилена 158
4.8. Выводы по разделу 160
5. Расчет напряженно - деформированного состояния гибких полиэтиленовых труб при их прокладке плужным способом и футеровке стальных поврежденных трубопроводов 161
5.1. Решение задач прочности длинномерных гибких труб из полиэтилена при плужном способе бестраншейной прокладки трубопроводов 161
5.1.1. Расчет напряженного состояния гибкого трубопровода при плужном способе бестраншейной прокладки 161
5.1.2. Влияние конструктивных параметров трубоукладчика на напряженное состояние трубопровода при его прокладке плужным способом 171
5.2. Деформирование длинномерных гибких труб при футеровке стальных промысловых трубопроводов полиэтиленовыми трубами 177
5.2.1. Вопросы расчета на прочность длинномерной гибкой трубы при использовании установки «Coiled-tubing» с разделением участков ее эксплуатации 177
5.2.2. Определение напряженного состояния длинномерных гибких труб на барабане 179
5.2.3. Определение напряженного состояния гибких труб на участке направляющей дуги 180
5.3. Выводы по разделу 186
6. Решение задач прочности гибких армированных полиэтиленовых труб в зоне соединений 188
6.1. Математическая модель расчета муфтового соединения армированных полиэтиленовых труб как составной цилиндрической оболочки 188
6.2. Метод конечных разностей в расчете прочности муфтового соединения при осесимметричной нагрузке 200
6.3. Достоверность численных результатов метода конечных разностей в расчете напряженно-деформированного состояния муфтового соединения при осесимметричной нагрузке 207
6.4. Напряженно-деформированное состояние муфт при конечной жесткости межслойных связей 211
6.5. Выводы по разделу 226
7. Оценка конструктивной надежности газораспределительных и сборных трубопроводов при их прокладке и эксплуатации 227
7.1. Оценка уровня надежности и коэффициента запаса надежности полиэтиленовых трубопроводов при плужном способе бестраншейной прокладки 227
7.2. Оценка уровня надежности и коэффициента запаса армированных полиэтиленовых трубопроводов при эксплуатации 233
7.3. Практические рекомендации по обеспечению надежности полимерных нефтегазораспределительных и сборных сетей 240
7.3.1. Технология производства работ по прокладке
полиэтиленовых трубопроводов плужным способом 240
7.3.2. Модификация оборудования установок гибких труб и
рекомендации к проектированию 244
7.4. Выводы по разделу 248
Основные выводы 250
Список использованных источников
- Анализ аварийности и оценка надежности трубопроводов, эксплуатируемых в Западной Сибири
- Прокладка и ремонт трубопроводов по прогрессивным технологиям с использованием полиэтиленовых труб и метод оценки их конструктивной надежности
- Планирование экспериментальных исследований
- Методика и экспериментальные исследования механических и прочностных характеристик армированных полиэтиленовых труб на растяжение и сжатие
Введение к работе
Производственный потенциал нефтегазового комплекса России в настоящее время включает промысловые и межпромысловые трубопроводы протяженностью 400 тыс.км, магистральные нефтепроводы - 48,0 тыс.км, магистральные газопроводы - 150 тыс.км, газораспределительные сети - 346 тыс.км, нефтепродуктопроноды — более 30 тыс.км. Развитие нефтегазового комплекса страны предполагает повышение эффективности транспортировки нефти и газа.
Проблема обеспечения надежности трубопроводных систем особенно остро возникает в связи с техногенным воздействием данных систем па окружающую среду, возросшим количеством аварий и отказов трубопроводного транспорта, приводящих к экономическим потерям и серьезным экологическим последствиям. Решение этой проблемы заключается в разработке новой области теории и практики сооружения трубопроводных сетей,
Статистический анализ показал, что одной из основных причин снижения надежности стальных трубопроводов является коррозия. Коррозия обусловлена агрессивностью транспортируемого продукта: достаточно высоким содержанием углекислого газа, сероводорода, обводненностью нефти, зараженностью пластовых и сточных вод сульфатредуцирующими бактериями, наличием механических примесей и блуждающих токов. Кроме того, повышенное рабочее давление и большой разброс температур (от +10 °С до +60 С) усложняют условия эксплуатации промысловых трубопроводов.
В настоящее время все большее распространение для строительства газораспределительных и промысловых трубопроводов получили трубы из агрессивно-стойких материалов (стеклопластиковые, полиэтиленовые и др,), обладающие рядом преимуществ в сравнении со стальными трубами.
Выпуск длинномерных полиэтиленовых труб в бухтах предопределил научные и инженерные поиски в создании новых технологий строительства
и ремонта трубопроводов малого диаметра. Все большее применение находят
экономически и перспективно обоснованные прогрессивные технологии,
которые применяются на протяжении нескольких лет. Однако до настоящего
времени нормативные документы и требования по прокладке трубопроводов не
разработаны. Строительные организации пользуются временными
регламентами и инструкциями.
Поэтому необходима разработка методов расчета конструктивной надежности трубопроводов из полимерных материалов при применении прогрессивных технологий строительства и ремонта. Эти проблемы должны быть решены уже на стадии проектирования. В первую очередь обеспечение конструктивной надежности связано с выбором конструкционных материалов, а также методов расчета надежности трубопроводов с позиций строительной механики как сооружений со случайным характером изменения нагрузок и прочностных характеристик материалов.
Учитывая то, что промысловые и газораспределительные трубопроводы представляют собой сложные и дорогостоящие конструкции, разрушение которых приводит к значительным материальным потерям и экологическим последствиям, проблема обеспечения конструктивной надежности при их сооружении по прогрессивным технологиям и дальнейшей эксплуатации имеет важное народнохозяйственное значение и является в настоящее время актуальной.
Научная новизна заключается в следующем:
создана система моделирования надежности полиэтиленовых трубопроводов, используемых при сооружении газораспределительных и сборных сетей;
- установлены функциональные зависимости между технологическими параметрами процесса укладки трубопроводов, механическими и конструктивными характеристиками полиэтиленовых труб;
- разработана математическая модель напряженно-деформированного
состояния длинномерных полиэтиленовых труб при различных технологических процессах строительства и ремонта;
- разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния армированных полиэтиленовых труб в зонах муфтовых соединений с позиции теории многослойных оболочек;
- теоретически обоснованы и определены основные направления повышения надежности полимерных трубопроводов при прогрессивных технологиях их строительства и ремонта.
Практическая ценность
1.Предложенный метод расчета напряженного состояния полиэтиленовых труб позволяет совершенствовать нормативную базу строительства полиэтиленовых трубопроводов по прогрессивным технологиям.
2-Предложены модификации имеющегося оборудования установки «Coiledubing», применяемой для проведения ремонтных работ промысловых трубопроводов. Разработаны устройства, приоритет которых защищен патентом РФ,
3.Усовершенствована технологическая схема строительства
газораспределительных систем с применением плужного способа бестраншейной прокладки, внедрение которой дает значительным экономический эффект.
4.Результаты исследований используются в учебном процессе Тюменского государственного нефтегазового университета при подготовке инженеров по специальности "Проектирование, сооружение и эксплуатация
нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ" и решением У МО ИГО рекомендуются для внесения в учебные планы специальности нефтегазовых ВУЗов России,
Внедрение результатов
Разработанный метод оценки конструктивной надежности полиэтиленовых газораспределительных и промысловых трубопроводов
рекомендован Гостехнадзором Российской Федерации к использованию при подготовке нормативных документов.
Предложенный метод расчета несущей способности двухслойной композитной муфты внедрен в институте «Нефтегазпроект» при проектировании двухслойных муфт для восстановления поврежденных участков трубопроводов.
Метод расчета напряженно- деформированного состояния длинномерных гибких труб из полиэтилена внедрен в НГДУ «Азнакаевскнефть» при проектировании конструкций, предназначенных для внутрипромыслового транспорта.
На защиту выносятся:
- метод оценки конструктивной надежности газораспределительных и промысловых трубопроводов на основе применения полимерных материалов исходя из систематизации физико-механических свойств этих материалов и требований, предъявляемых к сооружению газораспределительных и промысловых трубопроводов из полиэтиленовых труб;
результаты экспериментальных исследований определения механических, прочностных и эксплуатационных характеристик армированных полиэтиленовых труб и закономерности изменения формы поперечного сечения полиэтиленовой трубы от технологических процессов укладки трубопровода, необходимые для расчета их напряженного состояния;
- метод расчета напряженно-деформированного состояния длинномерных гибких труб из полиэтилена для определения конструктивных параметров применяемой техники и технологических требований при проведении строительных и ремонтных работ;
- математическая модель и метод расчета муфтового соединения армированных полиэтиленовых труб, обеспечивающего безаварийную работу трубопроводов;
- комплекс перспективных технических решений в области применения новой техники, технологии при сооружении газораспределительных и промысловых трубопроводов из полимерных материалов с целью обеспечения их конструктивной надежности
Анализ аварийности и оценка надежности трубопроводов, эксплуатируемых в Западной Сибири
Деятельность нефтегазового комплекса приводит к техногенному воздействию на окружающую среду. Степень этого воздействия, как и экономический ущерб, наносимый предприятиям, во многом зависят от надежности трубопроводов. Трубопроводы являются сложными, капиталоемкими, ответственными сооружениями, отказ которых приводит к тяжелым последствиям. Поэтому для обеспечения высокой надежности трубопроводного транспорта необходимо предпринимать все возможные меры его бесперебойной работы (на стадиях проектирования, строительства, эксплуатации, реконструкции).
Решение этой задачи заключается в разработке новой области теории и практики сооружения трубопроводных систем.
Одним из основных направлений исследования в области конструкторско-технологической надежности трубопроводов является проблема прогнозирования их эксплуатационной надежности. Решение этой проблемы сводится к определению уровня конструктивной надежности в процессе строительства и к определению по заданному уровню эксплуатационной надежности требуемого качества исходных материалов труб.
Основной из причин снижения надежности трубопроводов систем сбора нефти [21] является местная внутренняя коррозия. Коррозия обусловлена высокой обводненностью нефти, достаточно высоким содержанием углекислого газа, наличием механических примесей.
У труб из углеродистой стали, которые традиционно используются в системах сбора нефти и закачки воды, срок службы весьма непродолжительный. Они обладают слабым антикоррозионным сопротивлением и подвержены влиянию агрессивных компонентов, которые в различной степени содержатся в углеводородах (CS2, H2S), а также минерализованной воде и продуктах коррозии. Более того, на многих нефтяных месторождениях наблюдается зараженность пластовых и сточных вод сульфаторедуцирующими бактериями. В связи с этим, вследствие активной коррозии, межремонтные сроки составляют 5-6 лет. На многих нефтяных месторождениях приходится заменять отдельные участки труб из углеродистой стали через каждые два года. На Астраханских промыслах, где содержание сероводорода в газе 30 %, а углекислоты - до 15 %, общий срок службы трубопровода не превышает полутора-двух лет.
Увеличение срока службы трубопроводов возможно благодаря проведению дорогостоящих ремонтов, введению равномерно распределяемой катодной защиты, системе закачки антикоррозионных ингибиторов. Однако наличие в пластовой жидкости песка, солей и других примесей ведет к разрушению защитной пленки, делая ингибирование недостаточно эффективным.
По данным ВНИИСТ, ежегодно на нефтепромысловых трубопроводах происходит до 40-70 тысяч отказов, 90 % которых являются следствием коррозионных повреждений. Из общего числа аварий на долю систем нефтесбора приходится 50-55 %, на долю коммуникаций поддержания пластового давления - 30-35 %. Сокращается срок службы труб. 42 % из них не выдерживают пятилетней эксплуатации, а 17 % служат менее двух лет. На ежегодную замену нефтепромысловых сетей только в России расходуется 7-8 тысяч км. труб, или 400-500 тыс. тонн стали [54].
Как отмечалось выше, более половины отказов промысловых трубопроводов происходит из-за коррозии материала труб (рис. 1.1).
Проблема защиты от коррозии в настоящее время решается применением стальных труб с внутренним и наружным заводским антикоррозионным покрытием. Такие трубы производятся в г. Нижневартовске по технологии «Сиф-Изопайп», в г. Нефтеюганске на заводе АОЗТ «Юкорт», в г. Пензе на заводе «Пензаводпром».
Первый положительный опыт обеспечения надежности промысловых трубопроводов на стадии проектирования получен при разработке генерального плана для проекта реконструкции Самотлорского месторождения, где проведен сравнительный анализ эффективности применения различных сталей, внутренних изоляционных покрытий, новых неметаллических конструкционных материалов. В настоящее время российскими заводами выпускается широкий ассортимент стальных труб с улучшенными механическими и противокоррозионными свойствами [21J.
Проблемам коррозии труб нефтяного сортамента посвящены многие работы: Богатова Н., Иванова В.А., Кузнецова Ю.С., Кушнира С.Я., Новоселова В.В., Шумилова А., Семенова Б., Рапопорта А., Чащина Е., Проскурина Е., Бобылева Л., Никифорова В.Н., Овчинникова В.П., Короткова С.А. и др. [8, 13,14,28,34,36,49,50,55,56,57,74, 96,97, 112, 116, 117, 121, 136, 137, 139, 144, 145, 146, 171, 174].
Защита от коррозии промысловых трубопроводов является сложной научно-технической проблемой, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение и требует научной обоснованности принимаемых технических решений.
Для решения этой проблемы необходимо применять трубы, которые не подвержены коррозии, что позволит впредь не заботиться об антикоррозионном покрытии, не проводить ингибирование, исключить дорогостоящие ремонты и устранение утечек, получить трубопроводы со сроком безремонтной эксплуатации, эквивалентным сроку разработки месторождений - до 20-50 лет.
Одной из причин, заставляющих искать пути повышения надежности труб нефтяного сортамента, является ежегодное увеличение числа аварий в районах добычи и транспорта нефтепродуктов (примерно 100 аварий в день по стране). Только один НК «ЛУКОЙЛ» в 1998 году собрал с поверхности разливов 16 тыс. тонн нефти.
С точки зрения экономической эффективности одним из наиболее приемлемых вариантов решения данной проблемы является переход к полимерным трубам [187, 188].
При применении труб из полимеров, в том числе стеклопластиковых и полиэтиленовых, необходимо исходить из того, что не может быть универсального решения оптимального для любого случая применения. Выбор зависит от многих факторов: природно-климатических условий, характеристики транспортируемой среды, рабочего давления, температуры, длительности предполагаемой эксплуатации, технологических возможностей монтажа на данном объекте, условий соединения труб, глубины залегания и пр.
Прокладка и ремонт трубопроводов по прогрессивным технологиям с использованием полиэтиленовых труб и метод оценки их конструктивной надежности
Проведенный анализ показывает, что одним из вариантов решения проблемы обеспечения конструктивной надежности промысловых трубопроводов (из-за усложненных условий эксплуатации) и трубопроводов газораспределительных систем является переход к применению труб, стойких к агрессивным средам и имеющих наименьшее количество соединений.
В последние годы особенно усилилась тенденция более широкого использования при производстве труб новых эффективных коррозионно-стойких материалов, в частности, различных полимеров.
Трубы из армированного полиэтилена явились предметом исследования в представленной работе, которая посвящена обоснованию возможности их использования в качестве промысловых трубопроводов. Имеющиеся в технической литературе сведения по прочностным показателям армированных полиэтиленовых труб имеют большой разброс, поэтому для оценки их конструктивной надежности назначаются высокие коэффициенты запаса.
Современная технология производства полиэтиленовых труб обеспечивает требуемое качество и гарантируемые сроки эксплуатации, а их физико-механические характеристики позволяют широко применять полиэтилен в качестве материала, работоспособность которого не нарушается от газа, как от продукта перекачки.
Выпуск полиэтиленовых труб малого диаметра в бухтах предопределил инженерные поиски в создании прогрессивных технологий прокладки трубопроводов, которые позволяют снизить затраты не только на доставку и хранение, но и на укладку трубы. Опыт эксплуатации промышленных и опытно-промышленных образцов используемой техники показывает, что наиболее перспективны с точки зрения простоты и эффективности конструкции являются плужные трубоукладчики.
Основным вопросом обоснования конструктивных параметров используемой техники при применении прогрессивных технологий строительства и ремонта газораспределительных и промысловых трубопроводов (плужный бестраншейный трубоукладчик, установка с колонной гибких труб «Coiledubing») является обеспечение требуемых прочностных характеристик укладываемых труб из полиэтилена.
При разработке методов оценки конструктивной надежности полиэтиленовых трубопроводов необходимо использовать вероятностный подход, так как условия их прокладки и эксплуатации имеют случайный характер. Основными факторами, определяющими дополнительные требования при эксплуатации, являются повышенное рабочее давление; влияние температур на прочностные характеристики полиэтиленовых труб; взаимодействие с грунтом и т.д. Необходимо обеспечение коррозионной стойкости, прочности соединений, температурного режима при прокладке трубопроводов, проведение внутритрубной диагностики, ремонтопригодности.
Для оценки надежности полиэтиленовых трубопроводов при непосредственной прокладке их по современным технологиям и дальнейшей эксплуатации необходимо учитывать: воздействие напряжений изгиба и растяжения при прохождении их через криволинейные направляющие используемой техники; изменение формы поперечного сечения труб; перепад рабочего давления при их эксплуатации; влияние прочности соединений; прочностные характеристики полиэтилена и т.д.
Цель диссертационной работы - разработка теоретических основ повышения конструктивной надежности полиэтиленовых трубопроводов при прогрессивных технологиях строительства, ремонта и эксплуатации газораспределительных и сборных сетей.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи: разработка метода оценки конструктивной надежности газораспределительных и сборных трубопроводов из полимерных материалов;
- разработка методов расчета несущей способности длинномерных полиэтиленовых труб при прогрессивных (с использованием криволинейных направляющих) способах прокладки полиэтиленовых трубопроводов;
- экспериментальное моделирование процесса укладки полиэтиленовых трубопроводов с целью оценки их напряженно-деформированного состояния, экспериментальные исследования механических и прочностных характеристик армированных полиэтиленовых труб с учетом условий их эксплуатации;
- разработка алгоритма и компьютерной программы оценки надежности промысловых трубопроводов из армированного полиэтилена для определения конструктивных и технологических параметров используемой техники при проведении строительных и ремонтных работ;
- моделирование напряженно-деформированного состояния гибкой полиэтиленовой трубы в зоне муфтового соединения с целью обеспечения его прочности и разработка рекомендаций по конструктивному выполнению данного соединения;
разработка теоретических основ повышения надежности, обеспечивающих внедрение ресурсосберегающих технологий строительства, ремонта газораспределительных и промысловых трубопроводов из полимерных материалов и их безаварийную эксплуатацию.
Планирование экспериментальных исследований
Целью исследований является экспериментальное определение величины усилий протяжки и деформаций полиэтиленовой трубы при прохождении через направляющий короб плужного трубоукладчика, а также установление эмпирической зависимости изменения формы поперечного сечения трубы от радиуса трубы и радиуса направляющего короба для выполнения аналитических расчетов напряженного состояния полиэтиленовых труб при плужном способе прокладки трубопроводов.
Для выявления влияния каждого фактора на определяемую величину необходимо задавать определенное количество его значений. В рассмотренном исследовании в качестве переменных величин были приняты следующие факторы: R - радиус изгиба направляющего короба; г - радиус полиэтиленовой трубы. Третий фактор - температура (t) фиксировался. Для каждого фактора было установлено 4 уровня. Матрицу плана проведения эксперимента строили на основе взаимно-ортогональных квадратов (табл.3.1) [152].
Необходимое число повторений опытов находилось в зависимости от показателей надежности, точности и коэффициента вариации в следующей последовательности.
Показатель надёжность проведения опытов задавался равным - у і =0,95. По заданной надёжности находился уровень значимости Х\ Д=1-Уі. (3.1)
Найденным уровням значимости Я соответствуют определённые квантили нормального распределения - ga, которые находятся по таблицам [61, 76]. В нашем случае для уровней значимости 0,05 квантиль равен 1,96 и показывает в долях стандарта (среднего квадратичного отклонения) С максимальное отклонение случайной величины от её математического ожидания при заданной доверительной вероятности, равной надёжности.
С целью проверки правильности и достоверности основных положений теоретических исследований, а также исследования поведения полиэтиленовых трубопроводов при изгибе в ЗАО "Сибгазаппарат" (г. Тюмень), где и проводился комплекс экспериментов, спроектирована и изготовлена установка (рис. 3.1).
Установка состоит из следующих элементов: виброопоры (1), кожух (2), направляющие (3), приспособление для испытания полиэтиленовых труб (4), винт (5), подвижная траверса (6), захваты (7), устройство измерения деформации (8), захват (9), стойки (10), траверса неподвижная (11), силоизмеритель (12), арретир (13), тяга (14), графопостроитель (15), ограждение (16), пульт оператора (17), силоизмерительная система (18), микропроцессорный блок (19), каркас (20), силовой блок (21), соединительные элементы (22).
Общий вид установки представлен на рис. 3.2. Измерение силы в процессе испытаний осуществлялось унифицированной силоизмерителыюй системой 1925 ИС-М1, имеющей следующие технические характеристики: - номинальные нагрузки (Р„), измеряемые системой - от 0,05 до 50 кН; - цена деления прибора измерения - 0,001 Н; - управление переключателем диапазонов измерений - ручное и дистанционное; - цифровая индикация измеряемой нагрузки (Н, кН); - предел допускаемого значения погрешности измерения - не более ± 1 % измеряемой нагрузки; - размах показаний системы не превышает 1% измеряемой нагрузки; - разность показаний между прямым и обратным ходом не превышает 1,5 % измеряемой нагрузки; - система выдерживает перегрузку до 1,2 Рн в течение не менее 1 часа.
С целью имитации изгиба трубы внутри короба рабочего органа плужного бестраншейного трубоукладчика разработано и изготовлено приспособление (рис. 3.3). Приспособление представляет собой жесткий каркас (1) в виде пространственной конструкции из швеллеров. На каркас устанавливались кронштейны (2) при помощи болтовых соединений (3). Фиксирование трубы осуществлялось передвижной опорой (4), которая крепится к каркасу с помощью струбцин (5). Изогнутая поверхность кронштейнов выполнялась с радиусами, величина которых находится в исследуемом диапазоне возможного использования в реальных конструкциях плужного бестраншейного трубоукладчика (рис. 3.4).
Выбор радиусов изгиба кронштейнов обосновывался следующим образом. Исходя из требований обеспечения заданных физико-механических характеристик при транспортировке и хранении полиэтиленовые трубы должны наматываться на бухты с диаметром не менее 20 диаметров самой трубы (Dr) vlw 20dTpy6u). Учитывая тот факт, что тяга, передающая усилие от траверсы на исследуемые образцы труб, могла выдержать ограниченную нагрузку, эксперименты могли проводиться с трубами диаметром до 40 мм.
Методика и экспериментальные исследования механических и прочностных характеристик армированных полиэтиленовых труб на растяжение и сжатие
Цель исследований - экспериментальное определение механических и прочностных характеристик армированных полиэтиленовых труб, которые необходимы для расчета напряженного состояния трубопроводов при их прокладке и эксплуатации; определение величины разрушающего внутреннего давления для труб различного диаметра, количество циклов перепада давления, а также влияния изменения температур на прочностные характеристики армированного полиэтилена для оценки эксплуатационной надежности армированных полиэтиленовых трубопроводов.
Поскольку такого рода исследования представляют собой достаточно сложную комплексную проблему в порядке реализации и обработки результатов, то было принято решение разделить проведение исследований на несколько этапов.
Каждый из проводимых экспериментов имеет свои особенности. Для определения механических и прочностных характеристик армированных полиэтиленовых труб необходимо использование разрывной машины и определенных внешних условий проведения эксперимента. Для определения величины разрушающего давления необходимо использование другого оборудования и условий его проведения. При выявлении влияния температур на прочностные характеристики армированного полиэтилена необходимо специальное оборудование, которое позволило бы выполнять замеры изменения параметров при различных температурах.
Совместно с сотрудниками предприятия «Сибгазаппарат» и отраслевого института «Омскгазтехнология» по разработанной автором методике на имеющемся и вновь созданном оборудовании, прошедшем аттестационную проверку международного уровня, были проведены вышеперечисленные исследования.
Так как результаты экспериментов имеют случайный характер и зависят от условий проведения опытов, точности измерительных приборов, идентичности испытываемых образцов, квалификации персонала и ряда других факторов, то при планировании экспериментов были использованы вероятностные подходы.
Планирование необходимого числа опытов проводилось в зависимости от показателей надежности, точности и коэффициента вариации (разд.3.1). Для каждого вида эксперимента были спланированы конкретные условия его проведения, приближенные к условиям сооружения и эксплуатации нефтегазораспределительных и промысловых трубопроводов.
В рассматриваемом разделе выполнен анализ проведенных экспериментальных исследований по определению механических, прочностмых и деформационных характеристик материала армированных труб, выпускаемых предприятием «Сибгазаппарат», с целью определения возможности использования их на нефтепромысле в качестве сборных и распределительных сетей.
На базе отраслевого института «Омскгазтехнология» (г. Омск) были проведены испытания на стойкость к осевой нагрузке трубы (испытывалось 25 образцов), изготовленной из полиэтилена ПЭ 80, с армирующим материалом -арамидной нитью (армирование двухслойное) по следующей методике.
Для испытания использовалась разрывная машина МИРс -500К, № аттестата поверки 8808. Условия испытания: - температура испытания - 20 С ; - скорость перемещения захвата - 25 мм/мин; - температура кондиционирования - 20 С; - время кондиционирования - 120 мин. Параметры и характеристики испытываемых образцов: - длина образца -615 мм; - диаметр наружный - 138 мм; - диаметр внутренний - 107 мм; - площадь поперечного сечения трубы - 6023 мм2.
Продольные образцы были изготовлены в виде отрезков трубы полого сечения, вырезанные вдоль конца трубы без изменения структуры и механических свойств материала. Наружный диаметр образцов измерялся в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в трех местах: у краев и посередине рабочей части. Наименьшее среднее арифметическое значение трех пар измерений заносилось в протокол испытаний. Погрешность измерений - до 0,1 мм (4 измерения). Начальная расчетная длина образца была установлена с точностью до 1 % от его величины с обеспечением необходимой точности и без разрушения по разметочным линиям.
Толщину стенки измеряли на расстоянии 10 мм от торца в 4-х точках в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью до 0,01 мм (4 измерения).
Для возможности пересчета относительного удлинения с отнесением места разрыва к середине разметку образцов проводили по всей длине рабочей части. Метки наносились краской.
Результаты испытаний: - осевая нагрузка на первой стадии текучести - 129 кН; - максимальная осевая нагрузка при растяжении -240 кН; - предел текучести (cjj) - 21,4 МПа; - предел прочности ((Твр) - 39,8 МПа; - относительное удлинение - 13,1 %.
