Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Критический анализ существующих методов прогнозирования пожарной и промышленной безопасности трубопроводов ТЭК с использованием прочностного анализа 16
1.1. Описание объекта исследования 16
1.2. Обзор методов прогнозирования промышленной и пожарной безопасности с использованием прочностного анализа 19
1.3. Постановка задачи 24
1.4. Математическая формализация постановки задачи 29
1.5. Выводы по Главе 1 51
ГЛАВА 2 Метод построения прочностного симулятора для прогнозирования пожарной и промышленной безопасности трубопроводных сетей промышленных энергообъектов 53
2.1. Выбор инструментария для построения прочностного симулятора 53
2.2. Анализ трубопроводных систем промышленных энергообъектов и создание базы данных расчетной схемы участка 63
2.3. Данные по действующим нагрузкам и характерным дефектам трубопроводов 72
2.4. Построение расчетного ядра прочностного симулятора 77
2.5. Оценка влияния погрешности задания исходных данных
на точность получаемых результатов 122
2.6. Выводы по Главе 2 127
ГЛАВА 3. Метод численного анализа несущей способности холодногнутых трубопроводов с коррозионными дефектами стенок 128
3.1. Постановка задачи 128
3.2. Описание метода 132
3.3. Сравнение результатов численного моделирования процесса холодного гнутья с аналитическим решением 141
3.4. Выводы по Главе 3 147
ГЛАВА 4 Анализ несущей способности трубопроводов при тепловом воздействии пожара с учетом ползучести трубной стали 148
4.1. Предварительные замечания 148
4.2. Кратковременная ползучесть трубных сталей 150
4.3. Анализ НДС трубопровода при тепловом воздействии пожара с учетом ползучести 161
4.4. Выводы по Главе4 186
ГЛАВА 5 Технология прогнозирования безопасности трубопроводов промышленных энергообъектов с использованием прочностных симуляторов 187
5.1. Описание технологии 187
5.2. Выводы по Главе 5 191
ГЛАВА 6 Практическое применение технологии 193
6.1. Построение компьютерного прочностного симулятора участка ЛЧМГ Комсомольского ЛПУ ООО «Тюментрансгаз» 193
6.2. Анализ состояния участка ЛЧМГ Международной газотранспортной компании «SPP» 197
6.3. Анализ причин аварийного разрушения одной нитки ЛЧМГ Международной газотранспортной компании «SPP» 202
6.4. Анализ состояния трубопроводов тепловых сетей ОАО «Мордовэнерго» 205
6.5. Выводы по Главе 6 207
Выводы 208
Список литературы 210
Приложение 1. Справки и акты о внедрении
Результатов диссертации 223
Приложение 2. Пример компьютерной реализации
Первого блока компьютерного прочностного симулятора 228
- Обзор методов прогнозирования промышленной и пожарной безопасности с использованием прочностного анализа
- Анализ трубопроводных систем промышленных энергообъектов и создание базы данных расчетной схемы участка
- Сравнение результатов численного моделирования процесса холодного гнутья с аналитическим решением
- Анализ НДС трубопровода при тепловом воздействии пожара с учетом ползучести
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время топливно-энергетический комплекс (ТЭК) для Российской Федерации (РФ) является одной из главных отраслей экономики. Именно за счет валютной выручки от продажи энергоносителей странам-импортерам производится формирование основной доходной части бюджета страны. Поэтому от надежности функционирования ТЭК зависит уровень жизни каждого гражданина страны.
Одним из важных компонентов ТЭК являются системы магистральных газопроводов (МГ) высокого давления, транспортирующих природный газ от места добычи до потребителя. Единая система газоснабжения РФ (ЕСГ) имеет более 150 тысяч километров МГ и отводов, из них диаметром 1420 мм - около 50 тысяч километров, природный газ по которым транспортируется 251 компрессорной станцией (КС) с 689 компрессорными цехами (КЦ). Протяженность МГ от промыслов северных районов Тюменской области до наиболее удаленных импортеров, таких как Франция и Италия, составляет более 5 тысяч километров [1]. Все это говорит об огромных размерах и сложности системы ЕСГ.
Основной парк МГ имеет срок эксплуатации свыше 30 лет, это является основной причиной участившихся в последнее время аварийных разрушений трубопроводов. Разрывы МГ приводят к массовым выбросам природного газа в атмосферу с последующим образованием легко воспламеняемой метановоздушной смеси. Анализ статистических данных по авариям на российских МГ показывает, что в 80% случаев разрыв МГ сопровождается интенсивным пожаром [2]. При разрыве МГ, находящегося в непосредственной близости от населенного пункта, возможный пожар
угрожает жизни людей, промышленным и жилым зданиям, например, пожар, сопровождавший разрушение МГ «Уренгой-Петровск» ООО «Баштрансгаз» (9 апреля 2003 года), привел к возгоранию трех жилых домов, расположенных в близлежащей деревне [3]. Помимо пожара массовый выброс природного газа при разрыве МГ оказывает удушающее воздействие на людей и окружающую среду. В последнее время вся мировая научная общественность уделяет большое внимание проблеме потерь метана, способствующих образованию парникового эффекта и влияющих на глобальный климат Земли [4].
Руководители Госгортехнадзора РФ в статье [2] констатируют, что только на магистральных трубопроводах в период с 1992 по 2001 год произошло 545 аварий, среднегодовой уровень аварийности составляет 50*60 аварий и не имеет тенденции к снижению. Данный факт подтверждается другими источниками: в период с октября 2001 года по февраль 2002 года на предприятиях ОАО «Газпром» зарегистрировано 5 разрывов газопроводов высокого давления (4 разрыва сопровождались возгоранием); в период с мая 2003 года по июнь 2004 года на предприятиях ОАО «Газпром» произошло 18 аварий, из них 15 аварий сопровождались возгоранием метановоздушной смеси [3, 5-11].
Похожие проблемы характерны для трубопроводов других отраслей ТЭК, транспортирующих токсичные, воспламеняемые, ядовитые, радиоактивные и другие, опасные для человека и окружающей среды, жидкости и газы [4, 12-16]. Как правило, проектные сроки эксплуатации большинства трубопроводных систем в настоящее время либо заканчиваются, либо уже исчерпаны. Например, источник [17] приводит данные о состоянии нефтепроводов Западно-Сибирского региона на июнь 1996 года: из общей протяженности трасс 30 и более лет находится в эксплуатации 4,5%
нефтепроводов, от 10 до 20 лет - 32%, от 20 до 30 лет - 36,5%. Таким образом, уже 9 лет назад более 30% нефтепроводов выработали свой ресурс безопасной работы и нуждались в реконструкции.
Большое количество аварий трубопроводных систем, сопровождающихся пожарами и выбросами вредных веществ, а также интенсивное старение парка трубопроводных конструкций, делает актуальной проблему повышения их пожарной и промышленной безопасности. Решением данной проблемы для предприятий, эксплуатирующих трубопроводы, является своевременное выявление аварийно опасных участков, их ремонт или замена. Естественно, решение о ремонте или замене того или иного трубопроводного участка должно основываться на достоверных методах оценки и прогнозирования технического состояния трубопроводов, позволяющих ранжировать трубопроводные участки по очередности ремонта или замены.
Необходимость ранжирования связана, прежде всего, с высокой стоимостью замены или ремонта всех дефектных трубопроводных участков. Особенно остро проблема ранжирования участков стоит для РФ, где в условиях общего острого дефицита инвестиций в промышленность на современном этапе, имеется один из самых больших в мире парков промышленных трубопроводных систем, большинство из которых находится на грани (или уже за гранью) выработки своего проектного ресурса [18].
Точность ранжирования дефектных участков трубопроводов определяется тем, на сколько адекватно оценивается напряженно-деформированное состояние (НДС) участка. Результаты ранжирования напрямую зависят от корректности и эффективности применения математического аппарата, лежащего в основе используемого метода оценки НДС трубопроводов.
Одной из основных причин разрушения промышленных трубопроводов являются локальные дефекты стенок труб, которые появляются на трубопроводе в процессе эксплуатации и при строительстве [4, 12, 14, 19-20]. В частности, несмотря на непрерывное совершенствование защитных мероприятий против коррозии отказы трубопроводов по этой причине только на МГ составляют около половины всех происходящих разрушений [21].
Современное состояние методов прогнозирования пожарной и промышленной безопасности трубопроводных систем с коррозионными повреждениями стенок труб соответствует ситуации, когда существующие традиционные методы и действующие нормы не могут обеспечить оценку НДС трубопроводных систем с требуемой точностью, а широкое применение на практике разработанных в последнее время методов численного анализа прочности трубопроводов, зачастую, невозможно из-за их трудоемкости и сложности эксплуатации.
Таким образом, для повышения пожарной и промышленной безопасности трубопроводных систем ТЭК актуальной задачей является создание новых и совершенствование имеющихся методик оценки и прогнозирования прочности функционирующих трубопроводов, пригодных для внедрения в производственную практику предприятий, эксплуатирующих трубопроводы.
Современный научный подход к повышению пожарной и промышленной безопасности, экологичности и эффективности трубопроводов промышленных энергетических систем [22-25] заключается в построении и численном анализе гибридных математических моделей, описывающих изменение состояния трубопроводов в зависимости от режимов работы оборудования, природных факторов, вмешательства третьих лиц и т.д. Реализация
данных математических моделей и методов их решения на компьютерной технике приводит к построению так называемых компьютерных прочностных симуляторов (КПС) функционирования трубопроводных сетей [26-28].
Объектом исследования в диссертационной работе являлись промышленные трубопроводы в условиях номинального и аварийного функционирования энергетических систем ТЭК.
В качестве предмета исследования рассматривались напряженно-деформированные состояния участков промышленных трубопроводов и их эволюция при эксплуатации трубопроводных сетей.
Целью диссертационной работы являлась разработка методов построения компьютерных прочностных симуляторов участков трубопроводных систем для прогнозирования несущей способности участков газотранспортных сетей ТЭК, возможности их разрушения и предотвращения аварий с последующим возможным возгоранием транспортируемых горючих газов.
Задачи исследования:
обеспечение текущего мониторинга и прогнозирования прочности трубопроводов ТЭК в условиях изменяющихся технологических режимов и внешних воздействий, включая тепловое воздействие пожара;
разработка метода построения прочностных симуляторов участков промышленных трубопроводных сетей, позволяющих проводить численный анализ нелинейного напряженно-деформированного состояния для оперативной и прогнозной оценок несущей способности участков;
разработка технологии применения прочностных симуляторов для прогнозирования безопасности трубопроводов энергообъектов и предотвращения аварий;
получение новых данных о причинах возникновения аварий и пожаров на объектах трубопроводного транспорта ТЭК.
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 Гольденблата И.И., Кочанова Л.М., Малинина Н.Н., Работнова Ю.Н., Седова Л.И. и других; в области численных методов механики сплошных сред - это работы Белоцерковского О.М., Галлагера Р., Зенкевича О.С., Марчука Г.И., Пономарева Н.Н., Рубцова Н.А. и других; в области моделирования трубопроводных систем и анализа их прочности - это работы Айнбиндера А.Б., Алешина В.В., Антикайна П.А., Бородавкина П.П., Дерцакяна А.К., Камерштейна А.Г., Селезнева В.Е., Харионовского В.В. и других; в области моделирования пожара и анализа огнестойкости конструкций - это работы Баратова А.Н., Брушлинского Н.Н., Есина В.М., Кошмарова Ю.А., Молчадского И.С, Рыжова A.M., Пузача СВ., Страхова В.Л. и других.
Основными методами исследования являлись методы нелинейного численного анализа прочности промышленных трубопроводных систем, в том числе при тепловом воздействии пожара. В качестве основного инструмента исследования в диссертации использовался метод конечных элементов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые предложен и научно обоснован метод построения
прочностного симулятора промышленных трубопроводных сетей, позволяющего оперативно прогнозировать пожарную и промышленную безопасность трубопроводных сетей на основе численного анализа их напряженно-деформированного состояния при изменении технологических режимов работы сетей и/или внешних многофакторных воздействий, включая тепловые нагрузки от пожаров на соседних трубопроводах.
Разработан и реализован для применения в прочностном симуляторе новый метод численного анализа несущей способности холодногнутых трубопроводов с коррозионными дефектами стенок.
Разработан новый способ численного анализа сложного нелинейного напряженно-деформированного состояния трубопроводов при тепловом воздействии пожара с учетом кратковременной ползучести трубной стали.
Разработана новая технология прогнозирования пожарной и промышленной безопасности трубопроводных сетей промышленных объектов ТЭК с использованием прочностных симуляторов.
С использованием разработанных методов получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о состоянии систем промышленных трубопроводов энергообъектов ТЭК в условиях эксплуатации и аварийных ситуациях.
К таким результатам относятся: построенные и функционирующие КПС трубопроводных участков газотранспортных и энергетических предприятий; полученные с использованием построенных КПС
расчетные оценки фактической прочности участков трубопроводов; расчетные значения величин разрушающих нагрузок для каждого участка; рекомендации по параметрам безопасной эксплуатации трубопроводов; ранжирование участков трубопроводов по очередности их замены и ремонта; критерий и расчетные значения параметров огнестойкости трубопроводов при воздействии тепловой нагрузки от пожара.
Изложенные при описании научной новизны методы, способ, технология и результаты исследований выносятся на защиту в качестве основных научных положений диссертации, принадлежащих лично автору.
Практическая значимость работы. Выносимые на защиту методы, технология и способ были реализованы в виде компьютерных прочностных симуляторов в составе вычислительной технологии «PipEst», применяемых для прогнозирования промышленной и пожарной безопасности функционирования трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса, как в России, так и за рубежом [29-44].
Вычислительная технология «PipEst» успешно применялась при решении производственных задач ОАО «ГАЗПРОМ», Госгортехнадзора РФ, Росатома, Международной газотранспортной компании «SPP», ГУП «Мосгаз», ОАО «Мордовэнерго», Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия) и др. (см., например, [24, 29-30]). Примеры справок и актов о промышленном внедрении выносимых на защиту методов и технологий представлены в Приложении 1.
Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается:
обоснованием адекватности применяемых математических моделей моделируемым реальным техническим объектам и физическим процессам;
использованием современных методов вычислительной механики для решения задач прогнозирования пожарной и промышленной безопасности трубо-проводных сетей ТЭК;
соответствием результатов численного анализа данным натурных экспериментов;
многолетней практикой успешного применения методов, рассматриваемых в диссертационной работе, при анализе реальных номинальных и аварийных режимов работы различных объектов ТЭК.
Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, заместителю начальника отделения ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», кандидату технических наук Алешину Владимиру Васильевичу за научные консультации, поддержку, научное руководство и практическую помощь при определении направлений научных исследований, положенных в основу диссертации.
Автор диссертации выражает признательность заместителю главного конструктора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - начальнику отделения, доктору технических наук, старшему научному сотруднику Селезневу Вадиму Евгеньевичу за постоянное внимание к работам автора диссертации, поддержку его научных исследований и разработок и научные консультации.
Автор диссертации благодарит начальника научно-исследовательской лаборатории кандидата технических наук Фотина Сергея Валентиновича за поддержку его научных исследований и
разработок, а также своих иностранных коллег из Математического
института Словацкой Академии Наук, Братиславского
государственного университета им. Комениуса и Международной газотранспортной компании «SPP» за научные дискуссии и беспристрастное обсуждение результатов исследований по теме диссертации.
Автор выражает признательность и благодарность ученым и ведущим специалистам Академии ГПС МЧС России и ФГУ ВНИИПО МЧС России за плодотворные дискуссии по теме диссертации.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своим коллегам: кандидату технических наук Боиченко Александру Леонидовичу, кандидату технических наук Прялову Сергею Николаевичу, кандидату технических наук Киселеву Владимиру Владимировичу, Дикареву Константину Игоревичу, Черномазу Павлу Викторовичу за сотрудничество и поддержку.
Обзор методов прогнозирования промышленной и пожарной безопасности с использованием прочностного анализа
Существующие в настоящее время методы прогнозирования промышленной и пожарной безопасности с использованием прочностного анализа поврежденных коррозией трубопроводов можно условно разделить на две группы: традиционные методы, которые базируются на методах сопротивления материалов и строительной механики; новые, разработанные в последние годы, методы, базирующиеся на методах механики деформируемого твердого тела (МДТТ), активно использующие последние достижения в областях численных методов и вычислительной техники.
Методы первой группы (например, [66]), как правило, представляют собой многочисленные модификации и интерпретации руководства Американского Общества Инженеров Механиков (ASME) [67]. Все эти методы являются расчетно-экспериментальными. Суть их сводится к расчетной оценке величины разрушающего давления дефектного участка трубопровода по формулам, полученным из простейших линейных соотношений теории сопротивления материалов путем введения в них эмпирических коэффициентов. Основным недостатком данных методов является их излишний консерватизм, то есть в большинстве случаев решения, полученные с применением данных методов, приводят к перебраковке дефектных труб и к соответствующим нецелесообразным расходам на их ремонт или замену [24, 68]. Кроме этого, данные методы слишком грубо оценивают нелинейное НДС в области дефекта, пытаясь описать его линейными соотношениями сопротивления материалов, и не учитывают многофакторный характер нагружения трубопровода; сложную геометрию коррозионного повреждения; взаимное влияние близко расположенных дефектов; пространственное расположение коррозионных дефектов и т.д. [24]. Отдельно следует отметить явную зависимость данных методов от человеческого фактора, то есть результаты, полученные с их использованием, напрямую зависят от субъективных соображений специалиста, проводящего анализ [18].
Развитие современных численных методов расчета НДС в элементах конструкций, таких как метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ), создание программных средств, их реализующих («ANSYS», «NASTRAN», «MARC», «COSMOS»), и рост производительности вычислительной техники привели к созданию современных методов, позволяющих по другому посмотреть на проблему анализа НДС трубопроводных систем с коррозионными повреждениями [18].
Реализация методов второго типа предполагает применение для анализа НДС и оценки прочности трубопроводов универсальных или специализированных МКЭ-программ, построенных на базе соотношений МДТТ. Примерами специализированных отечественных МКЭ-программ, предназначенных для анализа НДС трубопроводных участков, могут служить программные комплексы «CANPIPE» (разработка ИЦП МАЭ) [69] и «PROGRESS» (разработка РНЦ «Курчатовский институт») [70]. К сожалению, автору диссертационной работы лично не приходилось использовать данные программные продукты на практике, поэтому о функциональных возможностях этих программ можно судить только по опубликованным материалам.
Программа «CANPIPE» предназначена для анализа трубопроводных систем в балочной постановке (включая учет взаимодействия «труба-грунт»), и уточненного анализа отдельных конструктивных элементов (гибов, тройников и т.д.), выполняемого в оболочечной постановке. Возможность оценки коррозионных и других дефектов в программе «CANPIPE» авторами не упоминается. Исходя из этого, можно сделать вывод, что программа «CANPIPE» может быть использована только при проектировании трубопроводных систем или при оценке общей и местной прочности действующих трубопроводов без дефектов.
Вторая программа «PROGRESS» предназначена для оценки НДС элементов трубопроводных конструкций с выявленными коррозионно-эрозионными повреждениями. Анализ НДС трубопровода выполняется в трехмерной постановке, а наличие коррозионного дефекта учитывается упрощенно, путем снижения толщины конечных элементов (КЭ), расположенных в области коррозионного дефекта. В работе [70] не указывается, какие типы КЭ используются при построении моделей и каким образом формируются граничные условия (ГУ). Также не описывается, каким способом можно учитывать взаимодействие трубопровода с окружающим грунтом, в случае оценки прочности подземного участка трубопровода. Тем не менее, данная программа, по-видимому, пригодна для оценки сверху количественных характеристик НДС некоторых надземных участков трубопроводных систем.
Другие новые методы оценки промышленной и пожарной безопасности трубопроводных систем предполагают использовать для анализа НДС . трубопроводных конструкций существующие универсальные программные продукты, реализующие МКЭ («ANSYS», «ABAQUS» и т.д.). Примером данного подхода может служить вычислительная технология оценки НДС трубопроводных систем ТЭК, предложенная В.В. Алешиным [18]. Суть этой технологии заключается в следующем. Численный анализ сложного НДС трубопроводов проводится поэтапно, с последовательным применением более сложных моделей на последующем этапе и использованием результатов предыдущего этапа моделирования для формирования ГУ. Для трубопроводов подземной прокладки на различных этапах анализа их НДС применяются разработанные отечественными учеными инженерные методы и разработанные автором технологии математические модели взаимодействия системы «труба-грунт». В современных условиях данная технология позволяет выполнить наиболее адекватную оценку прочности дефектных участков промышленных трубопроводных систем, так как при анализе НДС учитывается многофакторное нагружение трубопровода и все данные технической диагностики, включая трехмерную геометрию коррозионных, эрозионных и других дефектов стенок труб.
Основным недостатком методов второго типа является трудоемкость их практического применения. Выполнение анализа НДС с использованием данных методов сопряжено с построением сложных КЭ-моделей трубопроводов «вручную» и требует привлечения квалифицированных специалистов в области математического моделирования, которыми, как правило, не располагают эксплуатирующие трубопроводы предприятия. Следует также отметить заметное влияние человеческого фактора на точность и оперативность результатов моделирования, так как построение сложных КЭ-моделей (расчетных схем) «вручную» требует существенных временных затрат и, как правило, сопровождается внесением (и последующим исправлением) ошибок даже у квалифицированных специалистов в области математического моделирования.
Анализ трубопроводных систем промышленных энергообъектов и создание базы данных расчетной схемы участка
Как уже было отмечено в Главе 1, для адекватного анализа НДС трубопроводной конструкции, КПС должен базироваться на вычислительных технологиях и методах, позволяющих оценивать НДС трубопроводов с учетом многофакторного нагружения и данных технической диагностики. Перечисленным требованиям удовлетворяет вычислительная технология для оценки прочности промышленных трубопроводных систем, рассмотренная в Главе 1. Алгоритмы данной вычислительной технологии были положены автором диссертационной работы в основу метода построения КПС.
Структура и элементы КПС были описаны в Главе 1, поэтому здесь перейдем к рассмотрению подхода к построению ПМК, входящего в КПС. Создать расчетное ядро КПС на основе алгоритмов принятой вычислительной технологии можно двумя способами: в первом случае - это написание специализированной компьютерной программы, реализующей МКЭ и обладающей всеми необходимыми составляющими: препроцессором для построения геометрических и КЭ-моделей, решателем, и постпроцессором для обработки и вывода результатов; во втором случае - это использование в качестве инструментария для создания ПМК одного из существующих универсальных программных продуктов, реализующих МКЭ, обладающих всеми необходимыми составляющими и открытой архитектурой для настройки данного продукта на прочностной анализ трубопроводной сети требуемого типа. Создание нового программного продукта, соответствующего всем представленным выше требованиям, является практически невыполнимой силами одного человека задачей, поскольку требует решения большого круга вопросов, выходящих за рамки диссертационной работы. Поэтому в данной диссертационной работе рассматривается второй вариант создания расчетного ядра КПС -выбор в качестве инструментария для создания ПМК одного из существующих универсальных программных продуктов. Множество коммерческих и некоммерческих программ структурного нелинейного анализа используют численные алгоритмы на основе МКЭ. В частности, все наиболее распространенные в мире коммерческие универсальные МКЭ-программы («ANSYS», «ABAQUS», «LS-DYNA», «MSC/NASTRAN», «MARC», «ALGOR», «COSMOS/M» и др.) обладают необходимыми функциональными возможностями для выполнения анализа НДС трубопроводных конструкций в КПС и могут быть успешно использованы в качестве «решателей». Следует отметить, что специализированные программы, такие как «CEASAR II», «TriFlex» и т.п., в данном случае не подходят, так как предназначены, в основном, для проектировочных расчетов, и их возможности ограничиваются анализом трубопроводных систем в балочном приближении. Эффективность практического использования систем прочностного анализа трубопроводных сетей, созданных на базе универсальных МКЭ-программ, определяется индивидуальными особенностями базовой программы: возможностями и удобством препроцессора; набором реализованных моделей материалов и типов конечных элементов (КЭ); скоростью выполнения структурного нелинейного анализа и т.д. Для выбора инструментария для построения ПМК КПС проанализируем функциональные возможности двух распространенных универсальных программных продуктов «ANSYS» (ANSYS, Inc., США) [88] и «ABAQUS» (Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc., США) [90]. Универсальная программа «ANSYS» была выбрана специалистами ЦВТМ основным средством численного моделирования НДС трубопроводных конструкций в 1997 году при начале разработки комплексной вычислительной технологии «PipEst», частью которой является вычислительная технология оценки прочности трубопроводов промышленных сетей (см. Главу 1). Выбор «ANSYS» во многом объяснялся тем, что наряду с другими достоинствами - удобным интерфейсом, широким набором типов конечных элементов, моделей материалов, итерационных «решателей» и т.д., «ANSYS» в 1997 году был единственной в мире универсальной МКЭ-программой, имеющей международный сертификат качества ISO9001. С целью максимального повышения эффективности вычислительной технологии «PipEst» и для расширения круга ее потенциальных пользователей в ЦВТМ, проводились работы по адаптации алгоритмов вычислительной технологии для других универсальных МКЭ-программ. Например, автором диссертационной работы была реализована процедура численного анализа сложного нелинейного НДС подземных участков трубопроводов с коррозионными дефектами в среде программы «ABAQUS» [32]. Выбор «ABAQUS» в качестве второй базовой программы для реализации технологии «PipEst» был обусловлен тем, что данная программа входит в тройку (после «ANSYS» и «MSC/NASTRAN») наиболее продаваемых в мире лицензионных МКЭ-программ и широко используется в нефтегазовой отрасли США, Канады и других западных стран. Такое положение объясняется изначальной ориентацией разработчиков «ABAQUS» на нефтегазовою промышленность, как на один из наиболее важных секторов продаж своей программы. Следует отметить, что в библиотеке КЭ «ABAQUS» имеются четыре элемента балочного типа (PSI24, PSI26, PSI34, PSI36), предназначенные для моделирования подземных трубопроводов с учетом их взаимодействия с окружающим грунтом (pipe-soil interaction), чего нет в других известных автору диссертационной работы универсальных МКЭ-программах. Для сравнения функциональных возможностей МКЭ-программ «ANSYS» и «ABAQUS» рассмотрим пример решения типичной для газотранспортных предприятий производственной задачи по анализу НДС эксплуатирующегося участка подземного магистрального газопровода (МГ) с коррозионными дефектами стенок. В качестве модельного трубопроводного участка взят участок МГ длиной около 300 м, имеющий изгиб в средней части (см. рис. 2.1). В качестве исходных данных использовались обычные для подземных участков МГ параметры: глубина засыпки на всей протяженности участка -1м; тип грунта - суглинок (угол внутреннего трения 27, удельный вес 1$,5кН/м3; удельное сцепление 22кПа; модуль деформации грунта в МПа; коэффициент Пуассона 0,35); наружный диаметр труб 1,22м\ толщина стенки 13,5лш; материал труб - низколегированная сталь (модуль Юнга 206 ГПа, коэффициент Пуассона 0,3, предел текучести 492 МПа, условный предел прочности 607 МПа, коэффициент линейного теплового расширения 1,2-10"5 град 1); нагрузки - внутреннее давление 7,35МПа, температурный перепад 40С. Предполагалось, что на середине рассматриваемого трубопроводного участка имеется дефект в виде группы коррозионных каверн, геометрические характеристики каверн были взяты из результатов технической диагностики реального участка МГ.
Сравнение результатов численного моделирования процесса холодного гнутья с аналитическим решением
В этом случае, геометрия дефекта может быть описана при помощи матрицы остаточных толщин. Матрица остаточных толщин определяется следующим образом. Поверхность дефектного участка трубопровода ограничивается условным прямоугольником, две стороны которого ориентированы вдоль оси трубы и две - по окружному направлению. Затем с определенным шагом по длине трубы и по окружности трубы необходимо двигаться по поверхности дефекта и измерять остаточную толщину металла стенки трубы. Таким образом, после измерений получается прямоугольная матрица остаточных толщин дефекта с известными расстояниями между столбцами и строками матрицы, эти расстояния определяются размерами выбранных шагов по оси и по окружности трубы.
Первоначально данный подход предназначался для получения информации о трехмерной геометрии поверхности дефектных участков при непосредственном наружном измерении дефекта ультразвуковым толщиномером на поверхности трубы при экскавации трубопровода. Позже матрицу остаточных толщин стало возможным получать и по результатам внутритрубной дефектоскопии, используя возможности упомянутых программ-визуализаторов. В ЦВТМ автором диссертационной работы на базе универсального комплекса «ANSYS» была разработана программная процедура, которая при помощи сплайн-интерполяции матрицы остаточных толщин производит построение геометрических объемных моделей коррозионных участков с максимально-возможным приближением к реальной геометрии дефекта (группы дефектов) [38] (рис. 2.6). Данная программная процедура вошла в состав ПМК КПС.
При построении ПМК, в зависимости от применяемого на выбранном предприятии способа дефектоскопии, необходимо предусматривать, как возможность ввода параметров дефекта -габаритных размеров, так и ввод матрицы остаточных толщин.
Габаритные размеры дефекта удобнее вводить в диалоговом режиме, а матрицу остаточных толщин - в виде текстового файла, для формирования которого также можно использовать программу «Microsoft Excel». При вводе матрицы остаточных толщин необходимо вводить значение шага снятия значений толщины в осевом направлении трубы и значения шага снятия значений толщины в окружном направлении (фактически, расстояний между строками и столбцами матрицы).
В обоих случаях для дефекта необходимы также координаты для позиционирования дефекта на поверхности трубопровода. В случае описания дефекта габаритными размерами вводятся координаты для иковой глубины дефекта (точки с минимальной остаточной толщиной стенки). В случае с матрицей остаточных толщин вводятся координаты верхнего левого угла габаритного прямоугольника матрицы (координаты первого значения матрицы остаточных толщин). В качестве координат обычно используются: пикетажная отметка по длине трубопровода (понятие пикетажа было определено выше) и координата по окружности трубопровода. Окружность трубопровода представляется как двенадцатичасовой циферблат (если смотреть по оси трубопровода), отметка верхней точки трубопровода определяется как двенадцать часов и координата по окружности вводится в часах и минутах.
Рассмотрим метод создания ПМК КПС. ПМК состоит из нескольких блоков (модулей), реализующих как базовые этапы технологии В.В. Алешина (см. Главу 1), так и блоки, расширяющие возможности базовой технологии и позволяющие учесть специфику конкретной трубопроводной сети.
На первом этапе анализ НДС трубопроводной конструкции проводится в балочном приближении с использованием балочных моделей трубопровода и нелинейных связей, моделирующих сопротивление окружающего трубопровод грунта. Этап анализа общего НДС трубопроводного участка является базовым, на этом этапе строится геометрическая модель оси трубопровода участка, являющаяся основой для всех последующих построений. Пример текста модуля ПМК КПС, построенного на базе «ANSYS», реализующего этап анализа общего НДС приведен в Приложении 2.
Общий алгоритм работы программной процедуры первого этапа для удобства представления можно описать последовательностью нескольких шагов:
В начале работы ПМК организуется диалог с пользователем для ввода необходимых параметров. Диалог с пользователем осуществляется при помощи последовательно появляющихся диалоговых и мультидиалоговых окон (рис. 2.7).
У пользователя запрашиваются следующие параметры: название данной работы (это имя носят все файлы, создаваемые «ANSYS» во время работы); имя файла ( .csv) с базой данных; количество строк в базе данных; общие для труб участка параметры сечения трубы и характеристики свойств материала: наружный диаметр, плотность, модуль упругости (модуль Юнга), коэффициент Пуассона, коэффициент линейного теплового расширения; значения нагрузок: ускорения свободного падения, внутреннего избыточного давления, температурного перепада.
ПМК по введенным значениям количества строк в базе данных создает внутренний массив необходимой размерности и считывает в него текстовый файл базы данных. Кроме этого все введённые значения по параметрам свойств материала и нагрузкам сохраняются в виде внутренних параметров расчетного ядра.
Анализ НДС трубопровода при тепловом воздействии пожара с учетом ползучести
При выборе ввода габаритных размеров коррозионного дефекта у пользователя запрашиваются длина (размер дефекта в направлении вдоль оси трубопровода), ширина (размер дефекта в направлении по окружности трубы) и максимальная глубина дефекта (обычно, задается в процентах от номинальной толщины стенки). Кроме размеров коррозионного дефекта, необходимо задать его месторасположение на трубопроводе, поэтому у пользователя запрашиваются координаты дефекта в системе пикетажных координат: пикетажная отметка точки с максимальной глубиной коррозионного повреждения (эта координата вводилась в начале второго этапа) и координата этой же точки в направлении по окружности трубопровода, измеряемая в часах. При необходимости ввода минут для координаты по окружности трубопровода, они должны быть представлены как десятичная дробь.
Далее по введенным габаритным размерам коррозионного дефекта ПМК рассчитывает матрицу остаточных толщин дефекта и ее параметры (количество значений вдоль оси трубы и в окружном направлении и величину шагов между значениями в осевом и в окружном направлении относительно трубы) и формирует соответствующий внутренний файл значений остаточных толщин. При этом коррозионный дефект представляется как «след» эллипсоида с заданными габаритными размерами.
При выборе ввода матрицы остаточных толщин у пользователя запрашивается имя файла специального формата, содержащего матрицу остаточных толщин и параметры матрицы: количество строк - значений, снятых в направлении по окружности трубы; количество столбцов - значений, снятых в направлении вдоль оси трубы), и величины шагов снятия в осевом и в окружном направлениях.
Формат файла матрицы остаточных толщин может быть как в виде чисел единого формата (в ПМК на базе «ANSYS» для ввода используется оператор VREAD и оператор описания формата вводимых данных), так и в виде упорядоченных значений остаточных толщин записанных в произвольном формате (в ПМК на базе «ANSYS» для ввода используется оператор TREAD, не требующий описания формата вводимых данных). Как уже было показано выше, для формирования файла матрицы остаточных толщин удобно использовать программу Microsoft Excel.
Также в диалоговом режиме организуется запрос у пользователя координат базового угла (верхний левый угол) матрицы остаточных толщин: пикетажной координаты и координаты в часах в направлении по окружности трубопровода. После ввода параметров коррозионного дефекта следуют запросы о параметрах построения КЭ-модели: размерах дополнительных объемов и размерности сетки КЭ в зоне коррозионного дефекта.
Дополнительные объемы позволяют сместить внешние границы модели, на которые прикладываются ГУ, от центральной зоны и исключить влияние ГУ на распределение НДС в центральной зоне. Кроме этого, на стадии разбиения модели КЭ-сеткой дополнительные объемы служат для увеличения размеров КЭ в направлении от центральной зоны к границам модели. В качестве величин, характеризующих размер дополнительных областей, вводятся коэффициент размера по направлению вдоль оси трубы и коэффициент размера в направлении по окружности трубопровода. Размер дополнительных областей на каждую сторону рассчитывается путем умножения соответствующего размера области дефекта на соответствующий коэффициент. Рекомендуемое значение коэффициентов: 0,6-7-1,5. ПМК оценивает величину введенных коэффициентов и по необходимости уменьшает коэффициент для размера в направлении по окружности трубы для избежания замыкания модели в направлении по окружности.
Размерность КЭ-сетки в области коррозионного дефекта определяет точность дискретизации расчетной области и влияет на точность получаемых расчетных оценок характеристик НДС. В то же время большое количество КЭ увеличивает время численного анализа модели, особенно при анализе НДС в упруго-пластической постановке. В предложенном методе построения ПМК размерность КЭ-сетки в области коррозионного дефекта назначается пользователем вводом количества КЭ в направлении вдоль оси трубопровода, в окружном направлении и по толщине стенки. На основании собственного опыта для коррозионных дефектов трубопроводов ЛЧМГ Ду1200-1400 рекомендуется выбирать такое количество КЭ, чтобы их габаритные размеры составляли около 10-7-12лш.
Далее ПМК загружает файл модели оболочечного этапа и удаляет всю модель второго этапа за исключением внутренних параметров и массивов и линий оси трубопровода. ПМК рассчитывает по введенным пользователем параметрам дефекта длину модели коррозионного дефекта и длину приращений в продольном направлении и в направлении по окружности. По координатам базового угла матрицы остаточных толщин или точки с максимальной глубиной коррозионного повреждения ПМК определяет сегменты осевой линии, на которые попадает твердотельная модель. Затем программа определяет точку начала модели дефекта на сегменте линии оси трубопровода и устанавливает в ней локальную цилиндрическую систему координат, ось z которой сонаправлена с осевой линией трубопровода. В этой локальной системе координат по массиву матрицы остаточных толщин строятся точки наружной поверхности дефекта (рис. 2.23).
