Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Актуальность темы диссертационной работы 6
Цель работы 7
Задачи работы 8
Характеристика научной новизны 8
Достоверность результатов 9
Обоснование практической ценности 9
Апробация работы 10
Публикации 10
Объем работы 10
Краткое описание отдельных глав 10
ГЛАВА 1 ПОВРЕЖДЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ
ТРУБОПРОВОДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 13
Определение поврежденного состояния 13
Примеры поврежденных состояний трубопроводных конструкций, находящихся в эксплуатации 15
Арочный выброс (выпучивание трубопровода) 15
Кинетика выпучивания 16
Коррозионное поражение 20
Кинетика коррозионных процессов 20
Стресс-коррозионное растрескивание 25
Кинетика стресс-коррозионных процессов 27
1.3 Конструкционные материалы, используемые при
строительстве и ремонте трубопроводных конструкций 30
Трубные стали 30
Статистические характеристики трубных сталей 31
Изменение свойств трубных сталей со временем 33
Изоляционные материалы 35
Ремонтные полимерные материалы 36
1.4 Грунтовые основания 37
1.4.1 Общие свойства грунтов 37
1.5 Внешние нагрузки и воздействия 38
Классификация внешних нагрузок и воздействий 38
Экспериментальные данные о повреждении и разрушении трубопроводных конструкций в результате внешних нагрузок и воздействий 42
Концепции ремонтного восстановления поврежденных трубопроводных конструкций. Проблема легализации поврежденных состояний трубопровода 45
Выводы по главе 1 48
ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРУБОПРОВОДНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ В ПОВРЕЖДЕННОМ СОСТОЯНИИ 49
2.1 Обзор работ и анализ существующих подходов к
моделированию поведения трубопроводных конструкций в условиях
влияния внешних нагрузок и воздействий 49
Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость 49
Расчет трубопроводов на надежность 60
Комплексное моделирование газотранспортных систем 64
2.2 Модели, используемые при расчете НДС трубопроводных
конструкций в поврежденном состоянии 67
Геометрические модели 67
Модели деформирования трубных сталей 74
Модели синтетических материалов, используемых при бандажировании 82
Моделирование работы грунтового основания 83
Моделирование непроектного состояния грунтовых оснований трубопроводных конструкций 92
2.3 Модели предельного состояния трубопроводных
конструкций 93
Понятие предельного состояния 93
Параметры предельных состояний 94
Наступление предельных состояний 96
Модели влияния отдельных повреждений на несущую способность трубопровода 96
Выводы по главе 2 101
ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ НДС ТРУБОПРОВОДНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ В ПОВРЕЖДЕННОМ СОСТОЯНИИ 102
3.1 Описание поврежденного состояния 102
3.1.1 Обратная задача строительной механики 102
3.2 Моделирование малых деформаций с использованием
стержневой модели 105
Задача косвенного контроля параметров НДС 105
Частная постановка задачи 106
Существующая процедура решения задачи 106
Обоснование предлагаемого подхода 108
Уравнения конструктивного элемента 109
Исходные величины в уравнении конструктивного злементаї 12
Решение задачи исходя из точной функции прогибов 116
Путь решения обратной задачи на основании исходных данных с погрешностью 119
Описание модели трубопровода 123
Результаты расчетов 124
Обсуждение результатов 125
Оценка погрешности методики, обусловленной неучетом поперечной нагрузки 126
3.3 Расчет НДС трубопроводных конструкций при развитых
пластических деформациях 131
Постановка задачи 131
Решение обратной задачи 134
Решение прямой задачи 135
Геометрическая модель конструктивного элемента 137
Проблема стыковки моделей разной размерности 138
Дискретизация геометрической модели 139
Постоянное согласование граничных условий при использовании КЭ моделей разной размерности 155
Экспериментальные исследования деформирования конструктивного элемента 174
Расчет конструктивного элемента 177
3.4 Выводы по главе 3 186
5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 188
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 191
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 204
П1.1 Упругая постановка задачи 204
П1.2 Упруго-пластическая постановка задачи 207
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРИМЕНЕНИЕ МКЭ К РАСЧЕТУ
ТРУБОПРОВОДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 212
П2.1 История вопроса 212
П2.2 Современное состояние 214
П2.3 Оценка влияния погрешностей исходных данных на точность
вычислений 216
П2.4 Вероятностная постановка задачи 219
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ЗАДАЧА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
МЕСТОРАСПОЛОЖЕНИЯ ОПАСНОГО СЕЧЕНИЯ 226
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является важнейшей отраслью промышленности, обеспечивающей энергетическую безопасность и экономическую самостоятельность промышленно развитой страны. В то же время, с точки зрения экологии, ТЭК выступает как один из главных загрязнителей окружающей среды [85]. Поэтому, вопросы повышения безопасности и эффективности объектов ТЭК являются ключевыми для экономического развития государства и снижения вредных воздействий на людей и окружающую среду [92].
Одним из основных компонентов ТЭК являются системы магистральных газо- и нефтепроводов. Помимо газовой промышленности, газопроводы широко применяются на предприятиях тепловой сети (ПТС), на нефтехимических производствах, в химической промышленности и т. д.
В последнее время в мире отмечается снижение надежности работы трубопроводов ТЭК и увеличение вредной нагрузки на окружающую среду при их работе [6, 7]. Например, по данным Госгортехнадзора России [60], в период с 1991 по 1994 годы на объектах трубопроводного транспорта ТЭК страны произошло 138 крупных аварий. С октября 2001 года по февраль 2002 года на предприятиях ОАО «Газпром» зарегистрировано 5 разрывов газопроводов высокого давления [71, 72]. Из них 4 аварии сопровождались возгоранием транспортируемого природного газа (по статистике аварий на российских магистральных газопроводах (МГ), свыше 50 % разрывов МГ сопровождаются интенсивными пожарами [71, 72]).
Сходные проблемы возникают и у зарубежных компаний, эксплуатирующих трубопроводные системы. Так, например, в США за короткий период (с июня 1999 по август 2000 годов) произошли две крупнейшие аварии на МГ компании «Olympic Pipe Line Со» и МГ компании «El Paso Natural Gas Со», вызвавшие серьезную обеспокоенность состоянием американского трубопроводного транспорта в широких общественных кругах. Обе аварии, помимо потерь большого количества транспортируемого продукта и затрат на восстановление трубопроводов, сопровождались сильными пожарами, приведшими к гибели 18 человек.
Одной из основных причин аварий на трубопроводах ТЭК является их старение. Основной парк газопроводов высокого давления составляют трубопроводы, имеющие срок эксплуатации свыше 20 лет [89].
Статистика по системе нефтепроводов АК "Транснефть" [48] показывает, что протяженность трубопроводов со сроком эксплуатации более 30 лет составляет 21 512 км, из них в Верхневолжских — 12 %, Черноморских - 19 %, ОАО "Дружба" - 8 %, Транссибирских — 19%, Центральной Сибири — 4 %, ОАО " Сибнефтепровод" - 9%, Урало-Сибирских - 22 %, Северо-Западных -12 %, Приволжских — 8 %.
К 2006 г. доля нефтепроводов с возрастом труб более 39 лет составила 40 %. Значительный возраст нефтепроводов объективно связан с увеличением риска аварий и отказов при эксплуатации. Эксплуатация таких нефтепроводов связана с большими затратами на поддержание оборудования в рабочем состоянии, включая дорогостоящие работы по диагностике и ремонту трубопроводов. К этим затратам необходимо добавить затраты, связанные с ликви-дациями последствий аварий, с локализацией, сбором и удалением нефти и нефтепродуктов при потере герметичности трубопроводов. Отмечается необходимость решения задачи по продлению лицензионных сроков эксплуатации с уменьшением затрат на ремонт. Актуальной представляется проблема прогнозирования технического ресурса магистральных трубопроводов по результатам диагностирования их технического состояния [48].
В работе [50] указывается, что прогнозирование остаточного ресурса на основании проведенных расчетов зачастую сильно отличается от реальных показателей. Констатируется необходимость введения в расчеты динамики изменения во времени характеристик материала конструкции.
Авторами [52] отмечается современность и актуальность научно-технической проблемы исследования конструкций трубопроводного транспорта и процессов в них с целью обеспечения требуемой работоспособности с учетом наличия разного рода дефектов.
Цель работы
Целью работы является разработка подхода, предполагающего применение методов строительной механики для оценки параметров НДС трубопроводных конструкций, находящихся в эксплуатации и имеющих эксплуатацией-
8 ные повреждения, основываясь на результатах внешних замеров либо на информации, полученной в результате использования внутритрубных средств диагностики.
Для достижения указанной цели необходима разработка моделей трубопроводной конструкций, пригодных для описания ее напряженно-деформированного состояния с учетом изменений, имеющих место в процессе эксплуатации. В качестве таковых изменений рассматриваются эксплуатационные повреждения трубопровода, при которых, эксплуатация нормами проектирования не предусматривается, однако для которых, тем не менее, известны многочисленные случаи длительной безаварийной работы.
Задачи работы
разработка методики оценки параметров НДС на основании неточно заданных величин перемещений применительно к трубопроводным конструкциям в непроектном положении при наличии малых деформаций (начальная стадия арочного выброса) (обратная задача строительной механики);
разработка методики оценки параметров НДС на основании заданных величин характерных перемещений применительно к трубопроводным конструкциям в поврежденном состоянии при наличии развитых пластических деформаций, включая местное гофрообразование (обратная задача строительной механики);
разработка комбинированной оболочечно-твердотельной модели конструктивного элемента, представляющего собой участок трубопроводной конструкции, находящейся в поврежденном состоянии;
верификация построенных моделей посредством сопоставления результатов расчета методами строительной механики параметров напряженно-деформированного состояния трубопроводной конструкции на стадии эксплуатации при различных схемах нагружения с экспериментальными данными и сведениями, опубликованными в литературных источниках.
Характеристика научной новизны
Научная новизна заключается в следующем:
9 Научная новизна заключается в следующем:
выполнен анализ работ, в которых излагаются современные подходы к расчету НДС поврежденного участка конструкции магистрального трубопровода, находящегося в непроектном положении;
разработана методика оценки параметров НДС участка конструкции магистрального трубопровода, находящегося в непроектном положении, с использованием как результатов внешнего обследования, так и данных внут-ритрубной дефектоскопии;
построена модель, описывающая НДС поврежденного участка конструкции магистрального трубопровода, находящегося в непроектном положении, с учетом нелинейных упруго-пластических механических свойств материала.
Достоверность результатов
Достоверность результатов работы базируется на использовании апробированных в литературе исходных положений и соотношений нелинейной строительной механики, качественном и количественном анализе всех последовательных этапов решения.
Достоверность результатов работы подтверждается:
сопоставлением результатов расчета по предложенным математическим моделям с ранее полученными решениями [58, 59]; сопоставлением результатов расчета по предложенным математическим моделям с результатами натурных экспериментов(в т.ч. поставленных автором) решением ряда тестовых задач [83].
Обоснование практической ценности
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные модели, и методики могут быть применены при диагностике и прогнозировании напряженно-деформированного состояния поврежденных участков конструкции магистрального трубопровода, находящегося в непроектном положении. Результаты исследований приняты к использованию на предприятии «Сара-
10 тов-оргдиагностика» (филиал ДО АО «Оргэнергогаз»), а также используются в учебном процессе при изложении вопросов расчета конструкций с учетом реальных условий эксплуатации.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на всероссийской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, май 2004 г.), на XXI международной конференции по теории пластин и оболочек (г. Саратов, ноябрь 2005), на научных семинарах кафедры «Мосты и транспортные сооружения» СГТУ, на объединенном научном семинаре кафедр «Строительная механика» и «Мосты и сооружения на дорогах» ВолГАСУ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 работ. Одна работа опубликована в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК.
Объем работы
Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, 4 приложений, содержит 69 рисунков, 14 таблиц. Основное содержание диссертации изложено на 194 страницах текста (всего 232 страницы текста, включая приложения).
Кратное описание отдельных глав
В первой главе приводится анализ поврежденных состояний трубопроводных конструкций.
Как показывает практика, поврежденное состояние является распространенным явлением для трубопроводных конструкций. Главной причиной этого являются сложные инженерно-геологические условия в районах прокладки магистральных трубопроводов.
С одной стороны, определенную трудность представляют собой изыскания в районе строительства и последующее производство работ. С другой, стороны, природные условия эксплуатации трубопровода характеризуются высокой степенью изменчивости. Кроме того, масштабная практика строительства
магистральных трубопроводов в 70-80 годы и последующая их эксплуатация выявила определенную склонность к изменению свойств материалов со временем под влиянием внешних нагрузок и воздействий, характерных для магистральных трубопроводных конструкций.
Указанные выше обстоятельства являются причиной того, что во многих случаях состояние магистрального трубопровода на стадии эксплуатации отличается от проектного. При этом изменение положения трубопровода в пространстве чаще всего является следствием изменившихся внешних условий. Поэтому в настоящей работе рассматривается именно понятие поврежденного состояния, включающее в себя непроектное положение трубопровода, изменившиеся по сравнению с проектом внешние нагрузки и воздействия, а также изменившиеся свойства материалов, использованных при изготовлении трубопроводной конструкции.
Кроме того, в первой главе приводится обзор материалов, используемых при изготовлении и ремонте трубопроводных конструкций, а также теории грунтового основания и воздействия внешних факторов. Изменение свойств материалов и свойств грунтового основания по сравнению с проектными служат причиной поврежденного состояния трубопроводной конструкции.
Для оценки развития поврежденного состояния трубопроводной конструкции во времени приводятся некоторые экспериментальные данные относительно кинетики процессов деградации трубопроводных конструкций, а также результаты испытаний поврежденных участков трубопровода и участков трубопровода после ремонта.
Вторая глава посвящена проблеме моделирования трубопроводных конструкций, находящихся в поврежденном состоянии. Приводится обзор работ и анализ существующих подходов к моделированию поведения трубопроводных конструкций в условиях влияния внешних нагрузок и воздействий.
Как правило, для описания трубопроводных конструкций, находящихся в поврежденном состоянии, необходимо применение намного более детализированной модели, учитывающей большое количество нюансов в поведении конструкции. Так, например, вместо линейно-упругой модели материала возникает потребность в нелинейной модели для расчета в стадии пластических деформаций. Непроектное положение трубопровода требует использования
геометрически нелинейных моделей. Коррозионное и стресс-коррозионное поражение требует применения моделей с переменной толщиной материала и переменными его механическими свойствами в пределах конструктивного элемента.
Для эффективного анализа поврежденного состояния трубопроводных конструкций необходимо рассмотрение иерархии моделей от трубопроводной конструкции в целом до отдельных ее составляющих, таких как форма, материал и воздействия. Это позволяет проследить влияние отдельных факторов поврежденного состояния на всю конструкцию.
В третьей главе рассматриваются решения ряда задач по расчету трубопроводных конструкций, находящихся в поврежденном положении.
Решается задача косвенного контроля напряжений посредством интерпретации натурных измерений с использованием в качестве априорной информации гипотез о характере деформирования трубопроводной конструкции.
Решается задача расчета НДС фрагмента трубопроводной конструкции, находящейся в поврежденном состоянии методом дискретизации непрерывной среды. В качестве поврежденного состояния рассматривается искривленное вследствие потери продольной устойчивости положение продольной оси трубопровода и образование вследствие этого гофр на наружной поверхности участка трубопровода.
В Приложении содержится материал, который, являясь неотъемлемой частью настоящей диссертационной работы, не нашел места в основном тексте, но, вместе с тем, необходим для полноценного изложения рассматриваемых проблем.
Похожие диссертации на Оценка напряженно-деформированного состояния трубопроводных конструкций с эксплуатационными повреждениями
