Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Постановка задачи на собственные исследования II
1.1. Описание конструкции. Выбор и обоснование расчетной схемы II
1.2. Анализ работ по исследованию напряженно-деформированного состояния и надежности многослойных оболочек 14
1.3. Постановка задачи -на собственные исследования 31
Выводы по главе 32
Глава 2. Напряженно-деформированное состояние многослойного трубопровода при воздействии на него внутреннего давления 34
2.1. Постановка задачи 34
2.2. Решение задачи в упругой постановке 38
2.3. Решение задачи с учетом упругопластических деформаций 48
2.4. Влияние собственного веса конструкции трехслойного трубопровода на его напряженно-деформированное состояние . 53
2.5. Примеры расчета 58
Выводы по главе 66
Глава 3. Расчет многослойного трубопровода на устойчивость и предельные прогибы 67
3.1. Предварительные замечания. Расчетные схемы при определении критической силы 67
3.2. Анализ работ по расчетам устойчивости магистральных трубопроводов как стержневых систем. Энергетический метод определения критической силы 72
3.3. Аналитический метод определения критической силы и предельных прогибов 81
3.4. Расчет приведенных жесткостных характеристик многослойной оболочки 86
3.5. Примеры расчета 92
Выводы по главе 95
Глава 4. Определение параметров механической надежности многослойного трубопровода 96
4.1. Постановка задачи 96
4.2. Рабочие зависимости. Их предварительный статистический анализ 100
4.3. Исходный статистический материал 105
4.4. Сравнительная оценка конструкции по параметррам механической надежности 109
Выводы по главе III
Заключение 112
Литература 115
Приложения 124
- Описание конструкции. Выбор и обоснование расчетной схемы
- Постановка задачи
- Предварительные замечания. Расчетные схемы при определении критической силы
- Рабочие зависимости. Их предварительный статистический анализ
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС предусмотрено интенсивное развитие топливно-энергетического комплекса страны главным образом за счет увеличения добычи нефти и газа в Западной Сибири, на территории которой расположено более 60$ основных освоенных запасов этого важнейшего для экономики страны сырья. Такое перемещение энергетической и сырьевой базы на Восток вызвало необходимость решения задач, связанных с обеспечением передачи значительных объемов нефти и газа на большие расстояния. Огромная роль в осуществлении этих задач принадлежит трубопроводному транспорту, посредством которого уже в настоящее время передается более двух третей жидкого и газообразного топлива.
Советский Союз обладает достаточно развитой сетью магистральных трубопроводов, протяженность которой к концу 1980 г. составила 220 тыс.км. Однако быстрое увеличение добычи нефти и газа требует создания новых, уникальных по протяженности и мощности магистральных трубопроводов большого диаметра (1420 мм), рассчитанных на давления 10-12 МПа, работающих в исключительно сложных условиях Западной Сибири и Крайнего Севера.
Так, для обеспечения транспорта тюменского газа в Европейскую часть страны в XI пятилетке требуется проложить 16,6 тыс.км газопроводов диаметром 1420 мм, что в 1,7 раза больше, чем за период с 1976 по 1980 гг. Всего за период с 1980 по 1985 гг. планируется построить 50 тыс.км магистральных трубопроводов, в том числе 32 тыс.км газопроводов, 11,5 тыс.км нефтепроводов и 6,5 тыс.км нефтепродуктопроводов [3].
Несомненно, что бесперебойная работа вновь построенных магистралей будет иметь большое значение для народного хозяйства, поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к современным трубопроводам, является их надежность.
Под надежностью магистрального трубопровода, в самом общем значении, понимается его способность на протяжение установленного времени обеспечивать стабильную подачу потребителю транспортируемого продукта заданного качества и количества при сохранении эксплуатационных показателей. Таким образом, основная цель, которая достигается с повышением надежности трубопроводов, - это повышение эффективности снабжения. Но эта цель не является единственной, существует еще одна - обеспечение безопасности трубопроводов. Согласно статистике Европейских стран утечки нефти на каждую тысячу километров магистральных нефтепроводов составляют приблизительно 70 тонн в год, в США соответственно 60 тоня. В нашей стране подобной регистрации утечек не ведется, но,сравнивая состояние трубопроводных систем СССР с состоянием подобных систем в ОТА и в Европейских странах, мы в какой-то мере можем ориентироваться на приведенные в [88] цифры и представить, какой непоправимый вред наносят подобные утечки окружающей среде.
Не случайно в постановлениях ХШ съезда КПСС указывается на необходимость совершенствования транспортных средств "с целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду" [ I ].
Надежность трубопровода формируется на всех этапах его создания, начиная с проектирования и кончая вводом его в эксплуатацию, отсюда и все многообразие факторов, влияющих на уровень надежности.
Большая протяженность трубопроводов, проложенных в обводненных и болотистых грунтах, на горных склонах, на участках с большим количеством водных преград и т.п., требует, очевидно, более тщательного подхода к их конструктивным решениям. Естественно, что увеличение надежности только традиционными методами (увеличение толщины стенки трубы, применение высоколегированных сталей, резервирование нитей в случае сооружения переходов через водные препятствия) ведет, как правило, к удорожанию конструкции, увеличению ее металлоемкости и при этом не всегда дает желаемый результат [23, 43]. Проиллюстрируем это на примере подводного перехода. Действительно, резервная нить в какой-то мере гарантирует непрерывную подачу продукта при аварии на основной нити, но следует отметить,что практически и резервная, и основная нить находятся в одинаковых условиях и имеют (каждая в отдельности) равную вероятность разрушения. Кроме того, даже в случае "благоприятного" исхода, то есть при разрушении только одной из нитей, произойдет значительный выброс транспортируемого продукта в окружающую среду.
Таким образом, необходим поиск принципиально новых конструкций трубопроводов.
В настоящее время разрабатываются схемы трубопроводов из бая-дажироваяных труб, трехслойный трубопровод типа "труба в трубе" с заполнением межтрубяого пространства; институтом электросварки им,акад. Е.О.Патона предложены конструкции многослойного и само-компеясирующегося трубопровода.
В трубопроводах из баядажированных труб основная труба усилена за счет навивки на ее поверхность высокопрочной проволоки, которая, обжимая трубу, создает в ней предварительное напряжение сжатия, что позволяет уменьшить растягивающие напряжения от внутреннего давления и решить проблему предотвращения лавинного разрушения. Однако разработка этой конструкции затруднена из-за отсутствия достаточно отработанной технологии, позволяющей создать в проволоке заданный натяг.
Многослойный трубопровод, предложенный институтом Патона, изготовляется из тонкого листа проката путем намотки с заданным натягом в три-пять слоев. Труба, полученная таким образом, позволяет более полно использовать несущую способность металла и исключить хрупкие разрушения большой протяженности. Недостатком описанной конструкции является, например, ее сложность и необходимость решения вопроса продольной устойчивости. Эти же недостатки характерны и для самокомпенсирующегося трубопровода.
Что же касается конструкции типа "труба в трубе", то ее преимущества при строительстве трубопроводов в сложных условиях и на наиболее ответственных участках (при переходах через водные препятствия, на болотах и т.п.) не вызывают сомнения. Во-первых, эта конструкция позволяет достаточно просто решить проблему стабилизации трубопровода и обеспечения его продольной устойчивости, а, во-вторых, она обладает, при прочих равных условиях, несколько большим запасом прочности, что подтвердили проведенные испытания моделей трубопровода [б,24].
Все это предопределило выбор схемы "труба в трубе" с заполнителем в качестве объекта исследования (имеется ввиду, что основное направление работы лежит в области повышения механической надежности несущих элементов линейной части магистральных трубопроводов).
Как всякая новая конструкция, предлагаемая П.П.Бородавкияым конструктивная схема типа "труба в трубе" для полного раскрытия своих возможностей нуждается в серьезном всестороннем исследовании. Здесь и выявление оптимальных геометрических соотношений, и выбор оптимальных соотношений физико-механических свойств металла и наполнителя, и разработка оптимальной технологии изготовления и многое-многое другое (выбор оптимальных длин секций, решение вопросов гидроизоляции и т.п.).
Естественно, что все эти вопросы не могут быть решены в рамках одного исследования, поэтому в предлагаемой работе мы ограничились рассмотрением только тех из них, которые в совокупности дают возможность оптимизировать параметры механической надежности выбранной конструкции как несущего элемента линейной части магистрального трубопровода. Это и предопределило логику построения работы, которая состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений.
В первой главе проведено описание конструкции, выбрана и обоснована схема нагружения и детерминированного прочностного расчета трехслойного трубопровода. На основании анализа работ по исследованию несущей способности многослойных конструкций с заполнителем сформулированы основные задачи собственного исследования.
Во второй главе осуществлена постановка задачи исследования напряженно-деформированного состояния трубопровода типа "труба в трубе" при воздействии на него внутреннего давления; разработаны методики прочностного расчета линейной части магистрального трубопровода с учетом как упругих, так и упруго-пластических деформаций. На основании расчетов, проведенных по разработанным методикам, сделан анализ влияния физико-механических характеристик заполнителя и геометрических параметров оболочек на напряженно-деформированное состояние трубопровода при воздействии на него внутреннего давления. Установлено влияние собственного веса конструкции на ее начальное напряженное состояние.
В третьей главе на основании обобщения известных методик по определению величины критической силы и предельных прогибов магистральных трубопроводов разработаны методики для трехслойного трубопровода, с учетом переменности осевой силы вдоль рассматриваемого участка линейной части трубопровода и билинейной модели грунта. Здесь же определены приведенные жесткостные характеристики многослойных оболочек для всех основных расчетных случаев, в том числе и для случая, когда металлические оболочки работают за пределами упругости.
В четвертой главе определены параметры механической надежности многослойного трубопровода, на базе которых сформулированы общие рекомендации по оптимизации конструктивных решений.
В приложениях даны программы по расчету напряженно-деформированного состояния трехслойного трубопровода, определения его изгибной жесткости, а также программа поиска адекватных законов распределения; приведены таблицы с результатами экспериментальных исследований физико-механических свойств заполнителя.
Основные положения исследования опубликованы в 4 работах, доложены на 4 Всесоюзных и специализированных конференциях и яашли свою реализацию в НИР 133/30 - 79 "Разработка теории прочности и надежности магистральных трубопроводов в Северном исполнении".
Описание конструкции. Выбор и обоснование расчетной схемы
Как уже было отмечено во введении, магистральный трубопровод -это сложная герметичная конструкция большой протяженности, работающая под высоким давлением при меняющихся температурных режимах в районах с разнообразными природно-климатическими условиями. Последнее обуславливает то большое число всевозможных воздействий, которым подвергается трубопровод в процессе строительства и эксплуатации. Ими являются: внутреннее давление, температурный перепад, деформации грунта, обледенение трубы, а при укладке трубопровода на болоте или через водные препятствия - выталкивающая сила воды, скорость ее течения и т.п. Поэтому, несмотря на то, что за основную расчетную нагрузку при проектировании трубопровода принимается внутреннее давление перекачиваемого продукта (величина которого в основном и определяет напряженно-деформированное состояние трубопровода), конструктивное решение заданной строительной схемы прокладки магистралей, как правило, выбирается с учетом всех возможных воздействий на трубопровод в данных условиях.
Именно характер воздействий на трубопровод при прокладке его в слабых грунтах, через водные препятствия и т.п., а также требования, предъявляемые к трубопроводам при эксплуатации в этих условиях (в первую очередь, это обеспечение продольной устойчивости), и послужило толчком к созданию конструкции "труба в трубе" для участков, требующих от магистральных трубопроводов повышенной надежности.
Трубопровод "труба в трубе" представляет собой две концентрически (одна внутри другой) расположенные трубы (рис.1.1), центрируемые с помощью специальных устройств, одно из которых описано Рис. I.I. Схема трехслойного трубопровода типа "труба в трубе".
Давление цементно-песчаной смеси на связи в зависимости от времени твердения раствора РТЦ МИНХ и ГП. Начальное давление PQ = 0,1 МПа, [ 29]
ІЗ в работе [25 ] и состоит из двух полухомутов, одетых на внутреннюю трубу, с приваренными к ним направляющими пластинами. Несомненный интерес представляет конструкция центрирующего устройства, предложенного СФ ВНИИСТа [58]; там же разработана технология сооружения трехслойного трубопровода с заполнением межтрубяого пространства цементным раствором непосредственно во время монтажа трубопровода на трассе [59].
Межтрубяое пространство трехслойного трубопровода заполняется наполнителем, в качестве которого, как уже отмечалось, может быть применена цементяо-песчаяая смесь. При затвердевании цемент обеспечивает жесткую связь между обеими металлическими оболочками, образуя монолитную конструкцию, в которой не один, а все три слоя воспринимают усилия от внутреннего давления, температурного перепада и прочих нагрузок и воздействий. Роль заполнителя не ограничивается выполнением только этой функции; одновременно он является теллоизолятором, уменьшая тепловое воздействие трубопровода на окружающую среду. Последнее особенно важно в условиях "вечной мерзлоты", где оттаивание грунта может привести к потере устойчивости трубопровода. Отметим также, что повышенная жесткость на изгиб трехслойного трубопровода будет способствовать увеличению значения критической силы.
Постановка задачи
В сформулированной в предыдущей главе общей постановке задачи на собственные исследования мы среди ряда вопросов, связанных с прочностью магистральных трехслойных трубопроводов, как один из основных, выделили вопрос об определении напряженно-деформированного состояния трехслойного трубопровода при воздействии на него внутреннего давления.
Дело в том, что внутреннее давление является основной эксплуатационной нагрузкой, определяющей напряженно-деформированное состояние трубопровода, поддерживаемой на определенном уровне в течение всего периода эксплуатации. Конечно, величина внутреннего давления может меняться как во времени, так и по длине трубопровода. Первое, например, может быть связано с аварийными ситуациями, возникающими на трассе или насосных (компрессорных) станциях и т.д., второе же характерно и для нормального функционирования системы и связано с потерей энергии потока перекачиваемого продукта на преодоление сил трения при прохождении его как по самой трубе, так и через запорную арматуру и т.п.
Трудности с решением поставленной задачи - определения напряженно-деформированного состояния трехслойного трубопровода при воздействии на него внутреннего давления - связаны, в основном, со сложностью задания физико-механических свойств заполнителя, которые не только резко отличаются от физико-механических свойств металлических оболочек, но и по-разному проявляются в зависимости от характера нагружения конструкции. Так, например, бетон при растяжении и сжатии может иметь существенно отличающиеся друг от друга упругие и прочностные характеристики, которые, в свою очередь, зависят от уровня нагружения трубопровода.
Как уже отмечалось выше, модуль упругости бетона при сжатии значительно изменяется при увеличении воспринимаемой заполнителем сжимающей нагрузки, что обусловлено появлением в бетоне уже при незначительных напряжениях сжатия пластических деформаций. Коме того, для бетона характерны такие явления, как усадка и ползучесть при длительном воздействии нагрузки.
Следует также отметить, что физико-механические характеристики заполнителя, например того же бетона, изменяются во времени, а на характер их изменения сказываются условия, при которых происходит "старение" заполнителя.
Большую роль при решении поставленной задачи приобретает начальное состояние конструкции, в том числе и напряженно-деформированное состояние трубопровода, вызванное нагрузками, воздействующими на него при транспортировке и укладке трубопровода в траншею. На начальное напряженно-деформированное состояние трубопровода может сказаться и собственный вес конструкции, который увеличивается по сравнению с весом обычного трубопровода в несколько раз, что обусловлено, например, необходимостью обеспечения отрицательной плавучести трубопровода при создании переходов через водные препятствия. При этом известно, что с увеличением диаметра потребность в дополнительной лригрузке увеличивается и при диаметрах больших 400 мм, при малых толщинах труб, вес дополнительной при-грузки может превышать собственный вес трубопровода (начиная с диаметра 820 мм, все трубы, предусмотренные ГОСТом, обладают положительной плавучестью, а для труб диаметром 1420 мм при толщине стенки 12 мм величина необходимой пригрузки превосходит вес самого трубопровода почти в три раза). Кроме этого, на начальное напряженно-деформированное состояние конструкции будет оказывать влияние характер заполнения меж-трубяого пространства и наличие плотного контакта между тремя слоями по всему их периметру. Е(удем считать, что в нашем случае этот контакт обеспечен, поскольку иначе мы будем иметь конструкцию, находящуюся в условиях неосесимметричного нагружения, что не только бы значительно усложнило расчет, но и ухудшило сами условия работы трубопровода.
Предварительные замечания. Расчетные схемы при определении критической силы
Проведенный во второй главе прочностной анализ многослойной конструкции линейной части магистрального трубопровода показал, что выбранная для рассмотрения конструктивная схема обладает определенными преимуществами по сравнению с существующими конструкциями. Однако следует сразу же оговорить, что в случае применения в качестве заполнителя бетонов с реальными свойствами основные достоинства многослойного трубопровода проявляются не при рассмотрении его первого предельного состояния (исчерпание несущей способности) , а при реализации двух других обычно вводимых в расчет предельных состояний: потери устойчивости и достижения предельных прогибов.
Как уже отмечалось выше, применение конструкции "труба в трубе" в основном связано с участками трубопроводов, для которых высокая надежность является одним из основных требований, а вероятность реализации потери устойчивости исключительно высока (болота, вечная мерзлота и т.п.).
Поскольку в современном проектировании толщина стенки трубопровода выбирается исходя из первого предельного состояния (а в условиях действия больших температурных перепадов и осевой силы всегда возникает вопрос об обеспечении работоспособности трубопровода с учетом второго и третьего предельных состояний), постольку конструктор вынужден предусматривать применение или анкерных устройств, или осуществлять лригрузку трубопровода. Последнее осложняется тем, что существующие виды дригрузок не гарантируют нормальное функционирование трубопровода за время всего срока его эксплуатации. Конструкция же "труба в трубе", свободная от многих основных недостатков существующих схем трубопроводов с пригрузкой, в этом смысле является оптимальным решением задачи обеспечения надежной устойчивости трубопровода, особенно на наиболее опасных его участках.
Естественно, что подтвердить это утверждение можно лишь соответствующими сравнительными расчетами, в частности расчетами на устойчивость.
Как известно, существует множество возможных форм потери устойчивости магистральных трубопроводов при различных вариантах прокладки [З»23,89]. Поскольку мы рассматриваем второе и третье предельные состояния лишь в качестве основы для анализа различных конструктивных схем, постольку нет необходимости рассматривать все возможные случаи потери устойчивости со всем многообразием граничных условий; достаточно ограничиться рассмотрением только наиболее характерных из них.
Чаще всего форму трубопровода как стержневой системы, потерявшей устойчивость, можно описать кривой, приведенной на рис.3.1.
Известно, что реальный трубопровод, как правило, всегда имеет некоторый начальный прогиб (причиной тому может служить, например, неровность дна траншеи и т.п.), поэтому в дальнейших расчетах будем учитывать возможность начального искривления трубопровода.
Решение поставленной задачи при любых граничных условиях не может быть найдено без задания модели грунта, поскольку именно свойства и поведение грунта под нагрузкой во многом определяют величину критической сжимающей силы.
Рабочие зависимости. Их предварительный статистический анализ
В третьей главе нами были исследованы вопросы продольной устойчивости линейной части магистрального трубопровода с учетом билинейной модели грунта. В результате мы получили соотношения, позволяющие определить критические значения сжимающего усилия.
Эти соотношения, очевидно, необходимы не только для сравнительной оценки механической надежности конструкции трубопровода, но также и при решении задач оптимизации параметров механической надежности и коэффициентов запаса несущих элементов линейной части.
Поскольку уровень механической надежности участка трубопровода будет нами оцениваться только с позиций предельного состояния по потере устойчивости, ниже будет рассматриваться только параметр состояния И& , определяемый выражением: где Ри.кр. - нижнее значение критического усилия; величина эквивалентной продольной сжимающей нагрузки (см.ниже). Тогда очевидно, что вероятность недостижения предельного состояния при потере устойчивости определится зависимостью:
Аппарат теории вероятностей и математической статистики обладает обширным классом методов, позволяющих определить вид функции плотности распределения исследуемой случайной величины (это и метод максимального правдоподобия, метод моментов, метод наименьших квадратов и т.п.).Особое место среди них занимает метод статистического моделирования (метод Монте-Карло), отличающийся одновременно как своей простотой, так и универсальностью. Поэтому ниже закон плотности распределения случайного параметра U& будем искать с помощью метода Монте-Карло ( 27].
Не умаляя общности рассуждений, в дальнейшем будем считать, что исследуется участок трубопровода с прямолинейной осью, уложенный в жестко-пластическую грунтовую среду. Очевидно, что в этом случае процесс статистического моделирования будет менее трудоемким по сравнению с тем вариантом, когда исследуется трубопровод с начальными искривлениями и с учетом билинейной модели грунта.
Для расчетного случая нагружеяия нижнее значение критического усилия Ркр-н. определяется по формуле (3,6), в которой значения момента инерции и модуля упругости равны значениям приведенного момента инерции Зпр и приведенного модуля упругости Епр , определенным в зависимости от типа наполнителя по формулам (3.45), (3.50), (3.56), (3.57).
