Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Актуальность проблемы и научная база для ее решения
1.1. Актуальность проблемы 17
1.2. Обзор методик анализа прочности трубопроводов энергетических систем 33
ГЛАВА 2 Научные основы и концепция технологии высокоточного прочностного анализа трубопроводов
2.1. Постановка и математическая формализация задачи 45
2.2. Метод решения 51
2.3. Математические модели для анализа упруго-пластического поведения трубопроводных систем 54
2.3.1. Упруго-пластическое поведение трубных сталей 55
2.3.2. Метод математического моделирования подземного трубопровода
и окружающего его грунта 57
2.3.2.1. Инженерные модели взаимодействия подземного трубопровода с окружающим грунтом 58
2.3.2.2. Трехмерная упруго-пластическая модель грунта 62
2.4. Технология численного анализа прочности трубопроводных систем 100
2.4.1. Выбор средств моделирования НДС трубопроводов 101
2.4.2. Алгоритмы моделирования НДС конструкций промышленных трубопроводов 102
2.4.2.1. Балочные модели 103
2.4.2.2. Оболочечные модели 123
2.4.2.3. Объемные модели 130
2.4.3. Анализ НДС и оценка прочности трубопроводных систем 138
2.4.4. Определение параметров инженерных моделей взаимодействия трубопровода с грунтом 139
2.5. Автоматизация численного анализа прочности трубопроводных систем 150
2.6. Моделирование аварийного разрушения трубопроводных систем 157
ГЛАВА 3 Анализ прочности трубопроводов при тепловом воздействии пожара 165
3.1. Полевое моделирование факела метановоздушной смеси на открытой местности при аварийном разрушении газопровода
3.2. Анализ прочности тубопровода при воздействии теплового потока от пожара 209
ГЛАВА 4 Анализ безопасности подземных участков трубопроводов, подвергшихся экскавации
4.1. Общие замечания 219
4.2. Анализ прочности трубопровода при экскавации 221
4.3. Анализ прочности трубопровода после экскавации 223
4.3.1. Моделирование засыпки траншеи с трубопроводом грунтом 223
4.3.2. Технология анализа прочности трубопровода после экскавации
и засыпки 229
Выводы 244
Список литературы 246
- Актуальность проблемы
- Математические модели для анализа упруго-пластического поведения трубопроводных систем
- Технология численного анализа прочности трубопроводных систем
- Полевое моделирование факела метановоздушной смеси на открытой местности при аварийном разрушении газопровода
Введение к работе
В настоящее время большинство трубопроводных систем высокого давления российского ТЭК, транспортирующих природный газ и пожароопасные жидкости, находятся в эксплуатации уже свыше 20-30 лет, фактически приближаясь к грани своего эксплутационного ресурса. Старение и изнашивание трубопроводных конструкций ведет к увеличению количества аварий с тяжелыми социальными, экологическими и экономическими последствиями. Часто разрушения трубопроводов сопровождаются возгоранием транспортируемого продукта и последующим интенсивным пожаром. В частности, по статистике промышленных аварий, официально публикуемой Госгортехнадзором РФ, около 80% разрывов магистральных газопроводов сопровождаются пожарами.
Пожары на трубопроводах, особенно на магистральных газо- и нефтепроводах большого диаметра, причиняют значительный материальный ущерб, наносят серьезный урон экологической системе региона, прилегающего к месту . пожара. Помимо причинения существенного материального и экологического ущерба, аварии трубопроводных систем могут привести к гибели людей. Причем, при разрывах трубопроводов, транспортирующих пожароопасные жидкости и газы, именно пожар является наиболее опасной угрозой жизни окружающих людей.
Особо опасными случаями, способными привести к катастрофическим последствиям, являются разрывы газопроводов с воспламенением транспортируемого природного газа, происходящие на энергетических объектах в зонах сосредоточения большого количества трубопроводных систем высокого давления, транспортирующих пожароопасные газы и жидкости, - компрессорных и газораспределительных станциях, узлах пересечений многониточных магистральных газопроводов друг с другом, нефте- и продуктопроводами, газоперерабатывающих заводах и хранилищах природного газа, ТЭС и т.п. В этих случаях интенсивное тепловое воздействие от пожара на аварийном участке может вызвать разрушение соседних трубопроводов и воспламенение транспортируемых по ним продуктов, то есть привести к каскадному развитию аварийной ситуации.
Для решения этой задачи требуется своевременная реконструкция и модернизация эксплуатирующихся трубопроводных систем. Одной из основных задач, возникающих при проведении реконструкции и модернизации трубопроводных систем, является адекватная оценка технического состояния трубопроводов, анализ безопасности их эксплуатации и ранжирование участков трубопроводов по срокам ремонта или замены.
Насущность решения данной задачи на современном этапе, помимо социальных и экологических факторов, обусловлена большой стоимостью замены или ремонта участков трубопроводов. Поэтому, точное ранжирование участков трубопроводов по очередности и срокам их своевременного ремонта, помимо основной задачи - повышения безопасности эксплуатации трубопроводной системы, позволяет также эффективно спланировать затраты компании на реконструкцию, делает их экономически выгодными и обоснованными.
Точность ранжирования участков любой сложной системы промышленных трубопроводов зависит, прежде всего, от адекватности оценки реальной прочности каждого ее участка. В свою очередь, адекватность оценок определяется степенью точности расчетного математического аппарата, применяемого при анализе напряженно-деформированного состояния трубопроводной системы (как всей трубопроводной конструкции в целом, так и каждого из составляющих ее элементов) при действии всех эксплутационных нагрузок.
За последние годы, непрерывно развивающиеся методы и средства технической диагностики достигли уровня, позволяющего получить объективную информацию, как по фактическому пространственному положению трубопровода, так и по геометрии и расположению имеющихся дефектов стенок труб. Причем, эти средства продолжают интенсивно совершенствоваться.
Вместе с тем, традиционные методики расчетной оценки прочности трубопроводных конструкций, базирующиеся на упрощенных методах сопротивления материалов и строительной механики, не позволяют провести адекватный анализ прочности промышленных трубопроводных систем с требуемой на сегодняшний день точностью.
С другой стороны, современный уровень развития численных методов механики сплошных сред и вычислительных мощностей компьютерной техники дают возможность выработки новых подходов к анализу состояния трубопроводных конструкций трубопроводов, позволяющих разработать высокоточные вычислительные технологии оценки прочности данных конструкций с учетом их многофакторного нагружения в номинальных и аварийных режимах и данных технической диагностики. Причем, эти технологии способны принести реальный эффект в области повышения пожарной и промышленной безопасности трубопроводов только в результате их массового внедрения в производственный процесс.
Целью работы являлась разработка теоретических основ, методов и технологии высокоточного численного прочностного анализа протяженных разветвленных трубопроводных сетей энергетических систем для повышения их пожарной и промышленной безопасности, проводимого в сжатые сроки при минимизации влияния человеческого фактора на достоверность получаемых результатов.
Объектом исследования в диссертационной работе является математическое моделирование трубопроводных конструкций в номинальных и аварийных режимах функционирования.
Предметом исследования являются теоретические основы и методы высокоточного численного прочностного анализа протяженных разветвленных трубопроводных сетей энергетических систем при многофакторном нагружении (включая тепловые воздействия от пожара на открытой местности) для повышения их пожарной и промышленной безопасности.
Задачи исследования: создание и обоснование теоретических, методических и технологических основ повышения промышленной и пожарной безопасности трубопроводов энергетических систем с использованием методов высокоточного численного анализа прочности трубопроводных конструкций, находящихся в условиях многофакторного нагружения при номинальных и аварийных режимах их функционирования, включая тепловые воздействия пожаров; разработка подходов к сокращению временных затрат на проведение прочностного анализа трубопроводных сетей и снижению влияния человеческого фактора на достоверность получаемых оценок прочности участков трубопроводов при исследовании пожарной и промышленной безопасности энергетических систем; разработка вычислительной технологии высокоточного прочностного анализа трубопроводных сетей, построенной на базе современных достижений в области вычислительной механики для повышения пожарной и промышленной безопасности трубопроводов, транспортирующих пожароопасные продукты и имеющих широкий диапазон условий прокладки; создание методов численного анализа несущей способности трубопроводных конструкций в аварийных условиях, включая тепловые воздействия от пожара; разработка методов численного моделирования для анализа пожарной и промышленной безопасности участков трубопроводов, транспортирующих пожароопасные газы и жидкости, при проведении на них ремонтно-восстановительных работ без прекращения функционирования трубопроводной сети.
Методологические и теоретические основы исследования составили научные труды широкого круга отечественных и зарубежных ученых. К таким научным трудам в области механики сплошных сред следует отнести работы Махутова H.A., Морозова Е.М., Работнова Ю.Н., Седова Л.И., Соколовского В.В., Цитовича H.A. и других, в области численных методов механики сплошных сред работы Галлагера Р., Зенкевича О.С, Патанкара С., Победри Б.Е. и других, в области моделирования трубопроводных систем и анализа их прочности работы Айнбиндера А.Б., Антикайна П.А., Бородавкина П.П., Дитяшева Б.Д., Кифнера Д., Лисанова М.В., Одишария Г.Э., Селезнева В.Е., Софонова B.C., Харионовского В.В., Швыряева A.A., в области моделирования пожара и огнестойкости конструкций - Баратова А.Н., Брушлинского H.H., Есина В.М., Кошмарова Ю.А., Махвиладзе Г.М., Милованова А.Ф., Романенкова В.Н., Рыжова A.M., Пузача C.B., Страхова В.Л. и других.
Основными методами исследования являются методы математического моделирования сложных технических систем и численные методы механики сплошных сред. При этом в качестве основного инструмента исследования в диссертации использовались метод конечных элементов (при анализе прочности) и метод контрольных объемов (при анализе действующих нагрузок на трубопровод, включая моделирование тепловых воздействий от пожара на открытой местности).
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые предложены и научно обоснованы теоретические и технологические основы высокоточного численного анализа прочности протяженных трубопроводов энергетических систем для повышения их пожарной и промышленной безопасности, выполняемого с минимальными упрощениями в описании геометрии пространственных конструкций дефектных участков трубопроводных сетей и заданием многофакторных нагрузок на трубопроводы по результатам численного моделирования номинальных и аварийных режимов функционирования энергетических систем, включая тепловые воздействия от пожаров.
Впервые предложена и обоснована научная концепция сокращения временных затрат на проведение высокоточного прочностного анализа трубопроводных сетей и снижения влияния человеческого фактора на достоверность получаемых расчетных оценок прочности участков трубопроводов при исследовании пожарной и промышленной безопасности энергетических систем.
На базе предложенных теоретических и технологических основ, руководствуясь научной концепцией сокращения временных затрат на проведение высокоточного прочностного анализа трубопроводных сетей и снижения влияния человеческого фактора на достоверность получаемых оценок прочности участков трубопроводов, разработана новая комплексная технология высокоточного численного прочностного анализа подземных, наземных, надземных и подводных трубопроводов энергетических систем, предназначенная для выявления и своевременного ремонта или замены аварийно опасных участков трубопроводов.
Предложен и научно обоснован метод численного анализа несущей способности расположенных на открытой местности многониточных газопроводов промышленных энергетических объектов при аварийном возгорании транспортируемого природного газа.
Впервые предложен метод численного анализа промышленной безопасности подземных участков трубопроводных систем, подвергшихся экскавации без снижения рабочего давления транспортирования пожароопасных газов и жидкостей в процессе ремонтно-восстановительных работ.
С помощью разработанных подхода, методов и технологий получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о пожарной и промышленной безопасности трубопроводов энергетических систем в условиях эксплуатации и аварийных ситуациях: расчетные оценки несущей способности дефектных и других критических участков трубопроводов с учетом их многофакторного нагружения и данных технической диагностики; обоснованное назначение безопасных параметров эксплуатации трубопроводов с учетом их фактического технического состояния, требуемой производительности и необходимых нормативных запасов прочности; формирование графиков проведения технической диагностики трубопроводных систем; ранжирование участков трубопроводов по степени их опасности и разработка экономически эффективных планов их замены и ремонта; научно обоснованные процедура и регламент безопасной экскавации подземных участков трубопроводов без снижения рабочего давления; построение расчетных сценариев аварий при их расследовании на промышленных энергообъектах и экспертизе Декларации безопасности опасных промышленных объектов ТЭК.
Изложенные при описании научной новизны подход, методы, алгоритмы, технологии и результаты исследований выносятся на защиту в качестве основных научных положений диссертации, принадлежащих лично автору диссертации.
Практическая ценность работы. Описанные выше подход, технологии и методы были реализованы автором диссертации в виде автоматизированных расчетных блоков вычислительной технологии «Р1рЕзЬ> для комплексной оценки состояния сложных трубопроводных систем. Данная вычислительная технология активно используется для решения практических задач специалистами предприятий ТЭК как в России, так и за рубежом. С ее помощью: получены достоверные оценки состояния десятков критических участков газопроводов, находящихся в условиях многофакторных воздействий; установлены причины и механизмы развития более десяти аварий, произошедших в России и Западной Европе; проводились экспертизы Деклараций безопасности объектов газовой промышленности и т.д. Рассматриваемые вычислительные технологии успешно применялись при решении задач повышения безопасности трубопроводных систем в ОАО «ГАЗПРОМ», АК «Транснефть», ГУП «Мосгаз», ОАО «Мордовэнерго», ВНИИГАЗ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ООО «НПО ВНИИЭФ- ВОЛГОГАЗ», ЗАО «Ай-Теко», Госгортехнадзора РФ, компании «PIPETRONIX» (Германия), Сандийских Национальных Лабораторий (США), Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия), Математического института Словацкой Академии Наук, Американского агентства по защите окружающей среды (ЕРА) и др. На базе вычислительной технологии «PipEst» под научным руководством и при непосредственном участии автора диссертации, разработана подсистема автоматизированного прочностного анализа газопроводов, входящая в комплексную компьютерную аналитическую систему «AMADEUS». В декабре 2002 года она сдана в производственную эксплуатацию в международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия) в качестве основного производственного инструмента для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологичности. Также данная технология внедрена в промышленную эксплуатацию на ряде российских предприятий (см. Приложение 6).
Достоверность изложенных в диссертации основных положений обеспечивается: научным обоснованием адекватности разработанных математических моделей моделируемым реальным объектам и процессам; обоснованием применимости и эффективности методов численного анализа разработанных моделей; многочисленными результатами натурных и численных экспериментов; многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации подхода, технологий и методов при анализе реальных номинальных и аварийных режимов работы различных объектов ТЭК как в России, так и за рубежом.
Благодарности. Особую благодарность автор диссертации выражает научному консультанту заместителю главного конструктора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», начальнику отделения, доктору технических наук Селезневу Вадиму Евгеньевичу за постоянное внимание к его работе, поддержку и научные консультации при определении направлений научных исследований, положенных в основу диссертации, и работе над диссертацией.
Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность главному конструктору ФГУП «РФЯЦ- ВНИИЭФ», директору ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ» Клишину Геннадию Семеновичу и академику РАН, академику РАРАН, директору ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», доктору физико-математических наук Илькаеву Радию Ивановичу за внимание к его работе и ценные критические замечания, которые позволили автору быстро и эффективно выполнить работы по теме диссертации.
Автор благодарит академика РАН, научного руководителя РФЯЦ- ВНИИЭФ доктора физико-математических наук Михайлова Виктора Никитовича за внимание к его работам, связанным с темой диссертации.
Автор благодарит ученых и ведущих специалистов Академии государственной противопожарной службы МЧС России за внимание к его работе и научные дискуссии по теме диссертации.
Автор благодарит за сотрудничество и практическую помощь при проведении работ член-корреспондента РАН, советника Председателя ОАО «ГАЗПРОМ», доктора технических наук профессора Гриценко Александра Ивановича и доктора технических наук профессора Харионовского Владимира Васильевича.
Автор благодарит за сотрудничество и поддержку разработок директора ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», доктора технических наук Сидорова Вячеслава Ивановича и заведующего отделом ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», доктора технических наук Лисанова Михаила Вячеславовича.
Автор благодарит за сотрудничество и поддержку разработок своих иностранных коллег директора Математического института Словацкой Академии Наук, доктора физико-математических наук профессора Анатолия Двуреченского, ученого секретаря Математического института Словацкой Академии Наук, доктора Карола Немогу, профессора физико-математического факультета Братиславского университета им. Комениуса Рудольфа Хайоши, директора газотранспортной компании ЭРР-ОЭТО (Словакия) инженера Иозефа Титку, начальника отделения эксплуатации и пожарной безопасности газотранспортной компании ЭРР-ОЭТО (Словакия) инженера Тибора Кршака, директора Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия), профессора Михаэля Кренинга, заместителя директора Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия), доктора Герда Добмана, ведущего эксперта в области численного анализа прочности Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия), профессора Драгоша Чоклова, главного специалиста по моделированию компании ЭРР-ОЭТО инженера Яна Марко, главного специалиста по экологии Сандийских Национальных Лабораторий (США) доктора Филиппа Пола.
Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам кандидату технических наук Прялову Сергею Николаевичу, кандидату технических наук Киселеву Владимиру Владимировичу, Фотину Сергею Валентиновичу, Кобякову Вячеславу Владимировичу, Дикареву Константину Игоревичу за сотрудничество и поддержку.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
СОКРАЩЕНИЙ
АЭС - атомная электростанция;
ГПА - газоперекачивающий агрегат на КС;
ГРС - газораспределительная станция;
КС - компрессорная газоперекачивающая станция;
КЭ-модель - конечно-элементная модель;
КЭ-сетка - конечно-элементная сетка;
ЛПУ МГ- линейное производственное управление магистральными газопроводами; ЛЧМГ-линейная часть магистральных газопроводов; МГ - магистральный газопровод; МДТТ - механика деформируемого твердого тела; МКЭ - метод конечных элементов; НДС - напряженно-деформированное состояние; ТЭК - топливно-энергетический комплекс.
Символьные обозначения, применяемые в формулах, оговариваются особо в каждой Главе диссертации.
Актуальность проблемы
Транспортировка пожароопасных жидкостей и газов по трубопроводам высокого давления широко применяется во многих стратегических отраслях промышленности, определяющих уровень экономического развития и энергетическую безопасность индустриально-развитых стран. В частности, в российском топливно- энергетическом комплексе (ТЭК) основным средством доставки главных энергоносителей (природный, нефтяной и искусственный углеводородные газы, нефть и нефтепродукты, конденсат нефтяного газа и др.) из районов их добычи (производства) до мест потребления являются системы магистральных трубопроводов. В настоящее время на территории Российской Федерации эксплуатируется свыше 230 тыс. километров магистральных и около 350 тыс. километров внутрипромысловых трубопроводов большого диаметра. В состав магистральных трубопроводов, транспортирующих природный газ и опасные жидкости, входят [49]: свыше 157 тыс. км. газопроводов; 49,7 тыс. км. нефтепроводов; 19,5 тыс. км. нефтепродукте- и конденсатопроводов; 1320 км. аммиакопроводов и др.
Под магистральными трубопроводами в данном случае подразумеваются трубопроводы с условным диаметром (ДУ) до 1400лш включительно, рабочим давлением транспортируемой среды свыше ,2MПa и до 10МПа [4]. Для увеличения производительности трубопроводов и повышения надежности транспортировки магистральные трубопроводы часто сооружают в виде нескольких параллельных труб (ниток), проложенных в одном техническом коридоре на небольшом расстоянии друг от друга. Параллельные трубы связываются между собой с помощью перемычек, выполненных в виде участков труб, снабженных запорно-вентильной арматурой. Такие трубопроводы называют многониточными магистральными трубопроводами.
Помимо магистральной транспортировки энергоносителей, трубопроводные системы высокого давления также широко применяются на предприятиях тепловых сетей (ПТС), химических и нефтехимических производствах, в городском топливно- энергетическом хозяйстве и других отраслях. Как правило, конструкции промышленных трубопроводных систем имеют топологически сложную разветвленную структуру и находятся при эксплуатации в условиях многофакторного нагружения.
Транспортные трубопроводные системы России сложились, в основном, в период с 1960 по 1980 гг. прошлого века в результате бурного развития добычи газа и нефти за счет освоения месторождений Западной Сибири [3,5]. Таким образом, подавляющее большинство из них находятся в эксплуатации уже свыше 20-30 лет. Уже в 1997 году [1] из всех трубопроводов общей сети Единой системы газоснабжения около 30% достигли условного нормативного предела - 33 лет, почти 20% газопроводов работало на пониженных давлениях. В современных условиях дефицита инвестиций в ТЭК строительство новых трубопроводных систем ограничено. Поэтому, для обеспечения необходимого наращивания объемов потребляемых развитыми промышленными странами энергоресурсов развитие трубопроводного транспорта осуществляется, главным образом, в следующих направлениях [1,5]: достройка, расширение пропускной способности действующих магистральных трубопроводов и их оснащение необходимым оборудованием; загрузка имеющихся трубопроводных систем до их максимальной проектной производительности; первоочередная реконструкция наиболее критических участков трубопроводных сетей.
В то же время происходит интенсивное старение элементов конструкции действующих трубопроводных систем, ухудшаются технические характеристики трубопроводов и оборудования [1]. В частности, снижаются защитные свойства изоляционного покрытия, что приводит к резкому увеличению интенсивности коррозионного повреждения стенок труб. Старение трубопроводов ведет к снижению надежности поставок газа и нефти, увеличению количества аварий с тяжелыми экологическими, экономическими и социальными последствиями. По данным Госгортехнадзора России [6] в период с 1992 по 2001гг. на объектах трубопроводного транспорта произошло 545 крупных аварий (т.е. разрушения трубопроводов, повлекшие серьезные последствия).
Особую опасность при участившихся авариях на магистральных трубопроводах представляют широкомасштабные выбросы транспортируемых продуктов в окружающую среду - разливы нефти и нефтепродуктов, утечки большого количества метана в атмосферу и т.п. Во многих случаях аварийные разрывы ниток магистральных трубопроводов сопровождаются возгоранием истекаемых продуктов и последующими интенсивными пожарами. Например, по статистике аварий [7,8 и др.], свыше 80% разрывов магистральных газопроводов (МГ) сопровождаются пожарами.
Математические модели для анализа упруго-пластического поведения трубопроводных систем
Как отмечалось выше, адекватную оценку несущей способности трубопроводов энергосистем можно выполнить только на основании анализа их упруго-пластического поведения при эксплутационных и аварийных нагрузках. При решении данной задачи можно использовать различные (иногда альтернативные) гипотезы теории пластичности [54], строя соответствующие математические модели нелинейного поведения материала трубопроводов за пределами упругого деформирования. В данном случае наиболее подходящей является теория пластического течения [54]. Основные гипотезы теории течения нашли достаточно убедительное экспериментальное подтверждение практически для всех металлических материалов, особенно для пластичных сталей, которые и применяются для изготовления промышленных трубопроводных систем, транспортирующих опасные жидкости и газы. Эта теория позволяет получить достаточно точные результаты в случае многофакторного, непропорционального нагружения трехмерных конструкций. Вторым немаловажным преимуществом теории течения служит то, что требуемые для ее реализации характеристики упруго-пластических свойств материалов и их зависимости от температуры, в частности для трубных сталей, являются нормативными и содержатся в справочной литературе. Уточнение этих характеристик для конкретного материала реального трубопровода требует лишь проведения простейших стандартных испытаний образцов на одноосное растяжение, в то же время существенно повышает точность полученных результатов моделирования НДС конструкции.
Кроме того, и этот факт тоже является весьма важным в данном случае, только с помощью теории пластического течения можно построить достаточно простые и, вместе с тем, эффективные математические модели нелинейного поведения окружающего подземные участки трубопроводов грунта, предназначенные для практического высокоточного анализа НДС подземных участков промышленных трубопроводных систем.
Оценка прочности конструкционных материалов и изделий из них - одна из самых основных глобальных задач МДТТ. Ввиду многообразия и сложности механизмов, участвующих в процессе разрушения, решение данной задачи связано с огромными и пока еще не преодолимыми трудностями [62]. Поэтому в инженерной практике пользуются упрощенными подходами, в частности критериальными теориями прочности, основанными на трактовке разрушения как порогового явления.
Чтобы оценить уровень нагрузок, воздействие которых приведет к пластическому деформированию и разрушению рассматриваемой трубопроводной конструкции, необходимо выбрать соответствующие критерии пластичности и прочности. В настоящее время одним из наиболее распространенных в практических расчетах классических критериев является гипотеза об энергии формоизменения Губера- Мизеса [63]:
Пластическое состояние (или разрушение) наступает тогда, когда удельная энергия формоизменения достигает некоторого предельного значения.
Соответствующая расчетная формула для определения эквивалентных напряжений имеет вид [63]: = + (р 2 - Гз)2+ ( з - У , (2.9) где (т1, 72,(у3- главные значения тензора напряжений.
Согласно критерию Губера-Мизеса, при сложном НДС достижение эквивалентными напряжениями предела текучести при соответствующей температуре { тэ=ат) приводит к переходу материала в пластическое состояние, а предела прочности при соответствующей температуре - к разрушению конструкции. Поверхность нагружения (2.4в) в данном случае в пространстве главных напряжений представляет собой круговой цилиндр, ось которого равнонаклонена к главным осям, а начальный
На протяжении последних десятков лет данный критерий получил удовлетворительное экспериментальное подтверждение (и как критерий пластичности, и как критерий прочности) для многих конструкционных материалов, в том числе и в опытах на осевое растяжение с внутренним давлением стальных цилиндрических образцов [64].
Таким образом, данная модель пластичности может быть успешно использована в качестве критерия предельных состояний и разрушения конструкций трубопроводных систем.
Технология численного анализа прочности трубопроводных систем
В период с 1997 по 2003 год в ЦВТМ была разработана вычислительная технология анализа состояния промышленных трубопроводных систем Р1рЕз1, базирующаяся на применении трехмерных нелинейных математических моделей механики сплошных сред, численных методов и современных средств вычислительной техники. В течение последних нескольких лет технология Р1рЕэ1 широко применялась для анализа безопасности, оценки состояния и моделирования аварийных ситуаций большого количества сложных трубопроводных систем (как российских, так и зарубежных), показав требуемую на сегодняшний день точность результатов. Основные методы и алгоритмы технологии Р Еб а также результаты ее применения, представлены в монографиях [53, 143,145], публикациях и материалах российских и международных научных конференций [87-122, 125-141,210-217].
Одной из составных частей технологии Р1рЕБ1 является разработанная и реализованная для практического использования под научным руководством и непосредственном участии автора диссертации вычислительная технология численного анализа сложного нелинейного НДС и оценки прочности трубопроводных систем, находящихся в условиях многофакторного нагружения, с учетом всех данных технической диагностики. Данная вычислительная технология разработана на основе применения описанных выше математических моделей и численных методов МДТТ.
Следует отметить, что вычислительная технология прочностного анализа, как и вся технология Р1рЕз1, разрабатывалась для использования ее специалистами производственных и научно- исследовательских организаций, связанных с эксплуатацией и техническим контролем состояния и безопасности трубопроводов энергетических систем. Рассмотрим основные положения, алгоритмы, процедуры и возможности вычислительной технологии Р1рЕв1 в области прочностного анализа трубопроводных систем.
Выше было показано, что наиболее эффективным методом численного анализа сложного нелинейного НДС трубопроводных систем является МКЭ. В настоящее время на рынке программных средств имеется достаточно много коммерческих универсальных программ, реализующих МКЭ для прочностного анализа конструкций (ведущие указаны в Разделе 2.2)
Из множества коммерческих (и «некоммерческих») программ, реализующих МКЭ, в качестве средства моделирования НДС трубопроводов при разработке вычислительной технологии Р1рЕз1, были выбраны комплексы АЫЭУБ и ЬБ-РУМА [83,123]. Выбор во многом объяснялся тем, что наряду с другими достоинствами - широким набором типов конечных элементов, моделей материалов, итерационных «решателей» и т.д., программа ДЫБУБ впервые в мире среди программ МКЭ была удостоена международного сертификата качества 1809001, а программа ЬБ-РУМА является мировым лидером в области решения высоконелинейных задач МДТТ и моделирования разрушения и также имеет этот сертификат. Таким образом, все результаты, иллюстрирующие далее технологию численного нелинейного анализа прочности промышленных трубопроводов, получены с использованием, в основном, программ АЫЭУБ и 1_3-ОУМА.
Необходимо заметить, что представленная ниже технология может быть применена для практических расчетов с использованием в качестве средства моделирования НДС трубопроводов любой другой универсальной программы нелинейного прочностного анализа, обладающей требуемым набором функциональных возможностей, либо открытой архитектурой для дополнения необходимых модулей. В частности, все указанные выше коммерческие программные продукты обладают данными возможностями и могут быть успешно использованы в качестве «решателей». Поэтому, для максимального повышения эффективности вычислительной технологии Р1рЕз1, а также расширения круга ее потенциальных пользователей, в ЦВТМ проводятся работы по адаптации алгоритмов технологии Р1рЕэ1 для других универсальных МКЭ-программ. В настоящее время специалистами ЦВТМ под научным руководством автора диссертации выполнена реализация процедуры численного анализа сложного нелинейного НДС подземных участков трубопроводов с дефектами стенок в среде программы АВАОиЭ.
Согласно алгоритмам, разработанным автором диссертации в технологии Р1рЕз1, задача анализа НДС сложной трубопроводной системы решается поэтапно, с соответствующим применением более сложных математических моделей на последующем этапе и учетом результатов расчетов, полученных на предыдущих этапах.
Полевое моделирование факела метановоздушной смеси на открытой местности при аварийном разрушении газопровода
Согласно разработанным методам и алгоритмам, численный анализ сложного нелинейного НДС подземных участков трубопроводов проводится в несколько этапов, с последовательным использованием балочных, оболочечных и объемных моделей труб. На первом этапе для моделирования нелинейного взаимодействия трубопровода с окружающим его грунтом используются инженерные расчетные модели грунтов, полученные на основании статистической обработки результатов экспериментальных исследований.
Безусловно, проведение таких экспериментов было необходимо для выявления качественных закономерностей сопротивления грунтов смещениям магистральных трубопроводов и выбора соответствующих математических моделей для описания поведения грунтов. Например, полученные экспериментальные данные позволили обосновать применимость в данном случае модели упруго-идеальнопластического материала Прандтля. В то же время, следует отметить, что проведение полномасштабных экспериментов с подземными трубами большого диаметра всегда сопряжено с большими техническими трудностями, следовательно, количество их достаточно ограничено. Кроме того, получаемые в ходе экспериментов количественные характеристики сопротивления грунта содержат погрешности измерений. Поэтому, полученные по результатам экспериментов параметры для полуэмпирических моделей являются оценочными средними значениями для конкретных типов грунтов, с которыми были проведены эксперименты. Это отмечают и сами авторы, разработавшие данные модели [25].
Приведенные в [25,26,65] средние значения характеристик взаимодействия трубопроводов с грунтами вполне удовлетворяют требованиям при проектировании новых трубопроводов, так как нормативные коэффициенты запаса прочности конструкции позволяют исключить влияние возможных неточностей.
В то же время, при анализе состояния критических участков эксплуатирующихся трубопроводов необходимы как можно более точные значения данных параметров для конкретного типа грунта в районе прокладки подземного участка.
Разработанный автором диссертации способ [53], позволяет уточнить значения параметров инженерных моделей грунтов по результатам численного анализа трехмерных модельных задач о смещении трубы в грунте.
Физико-механическими характеристиками (материальными параметрами), определяющими упруго-пластические свойства грунта и влияющими на величину сил сопротивления, возникающих при смещении подземного трубопровода, являются: Е - модуль деформации, о - коэффициент Пуассона, р - объемная плотность, р - угол внутреннего трения, с - удельное сцепление. Эти параметры могут быть определены только в результате экспериментов с образцами грунтов. Наличия точных значений данных параметров по конкретному участку трубопровода достаточно для описания сложного нелинейного НДС грунта и моделирования его взаимодействия с трубопроводом.
Основными параметрами полуэмпирических моделей взаимодействия трубопровода с грунтом являются обобщенные коэффициенты касательного и нормального сопротивлений сх0, су0, предельное сопротивление сдвигу тпр, предельное нормальное сопротивление дпр (Приложение 3). Данные параметры зависят от физико-механических характеристик грунта и в традиционной практике расчетов на прочность подземных трубопроводов также определяются из экспериментов, как в России [25,26,65], так и за рубежом [142].
В частности, в работе [25], на основании результатов экспериментов получены и рекомендованы для практического использования аппроксимирующие зависимости от материальных параметров грунтов всех параметров полуэмпирических моделей, за исключением одного из самых важных - сх0. Для данного параметра в [25] приведены таблицы значений в зависимости от показателей состава и строения (тип, консистенция и коэффициент пористости) грунта.
