7. Длительные временные нагрузки

К длительным временным нагрузкам относятся следующие:

1. Внутреннее давление, которое устанавливается проектом. Внутреннее давление создаёт в стенках трубопровода кольцевые и продольные напряжения. Кольцевые напряжения определяют по формуле

где n - коэффициент перегрузки по внутреннему давлению (n = 1,1; 1,15); Р - нормативное значение внутреннего давления, МПа; Dвн - внутренний диаметр трубы, м; - толщина стенки трубы, м.

Продольные напряжения в стенке трубы от внутреннего давления определяются по формуле

где - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона). Для сталей , т.е. среднее значение .

2. Вес перекачиваемого продукта на единицу длины трубопровода определяют по формуле

где n - коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1); Dвн - внутренний диаметр трубы, м.

3. Температурные воздействия, которые при невозможности деформаций вызывают в стенках трубопровода продольные напряжения

где - коэффициент линейного расширения ( = 12·106 1/град); Е - модуль упругости, МПа; , здесь t0 - максимально или минимально возможная температура стенок трубы при эксплуатации; tф - наименьшая или наибольшая температура, при которой фиксируется расчётная схема трубопровода (укладка трубы в траншею или на опоры).

8. Кратковременные нагрузки

К кратковременным нагрузкам и воздействиям на трубопровод относят следующие:

1. Снеговая нагрузка, приходящаяся на единицу длины трубопровода

где n - коэффициент надёжности по нагрузке (n = 1,4); - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на трубопровод ( = 0,4); S0 - нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли; Dиз - диаметр изолированного трубопровода, м.

2. Нагрузка от обледенения наземного трубопровода, приходящаяся на единицу длины трубопровода

где n = 1,3; в - толщина слоя гололеда, принимаемая в соответствии со СНиП 2.01.07-85, мм; Dиз - диаметр изолированного трубопровода, см.

3. Ветровая нагрузка на единицу длины трубопровода, перпендикулярная его осевой вертикальной плоскости

где n = 1,2; 0 - нормативное значение ветрового давления, определяемое в соответствии со СНиП 2.01.07-85, Н/м2; k - коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте и тип местности, определяется в соответствии со СНиП 2.01.07-85; с - аэродинамический коэффициент (с = 0,5).

Особыми нагрузками и воздействиями на магистральные трубопроводы принято называть те, которые возникают в результате селевых потоков, деформаций земной поверхности в карстовых районах и районах подземных выработок, а также деформаций грунта, сопровождающихся изменением его структуры. Эти нагрузки должны определяться на основании данных анализа грунтовых условий и их возможного изменения в процессе строительства и эксплуатации трубопровода.

Также напряженно-деформированное состояние изменяется под действием гидродинамических возмущений (гидроудары).

9. Актуальные методы оценки состояния технологических трубопроводов по результатам диагностики

Актуальность проблемы. Оценка состояния трубопроводов, анализ безопасности их эксплуатации и ранжирование участков трубопроводов по срокам ремонта является важной и актуальной задачей для компаний газовой и нефтяной промышленности. Насущность решения данной проблемы на современном этапе, помимо социальных и экологических факторов, обусловлена большой стоимостью замены или ремонта трубопроводов. Тотальное обновление трубопроводной системы практически не реальная задача для любой крупной газовой или нефтяной компании. Ранжирование участков трубопроводов по срокам их замены или ремонта позволяет спланировать затраты компании, делает их сбалансированными и обоснованными.

Организации, создающие и эксплуатирующие трубопроводный транспорт, постоянно совершенствуют методики, позволяющие оценить ресурс и надежность трубопроводов .

Исходные данные для оценки состояния трубопровода определяются в результате: внешней и внутритрубной диагностики; сбора информации о параметрах транспортируемой среды, полученных с помощью интегрированных автоматизированных систем управления (ИАСУ) на уровне нефтеперекачивающей станции, линейной производственно -диспетчерской станции (ЛПДС) или нефтетранспортного предприятия в целом; металлографических исследований; анализа картографического материала и проектно-строительной документации.

Внешняя диагностика трубопроводов, в частности, позволяет оценить смещения труб от проектного расположения в результате естественной подвижки грунтов и тепловых деформаций трубопроводов.

Внутритрубная диагностика осуществляется с помощью специальных магнитных или акустических внутритрубных снарядов-дефектоскопов. Применение современных численных методов позволяет существенно повысить качество внутритрубной диагностики и улучшить конструкцию снарядов-дефектоскопов.

Так, например, магнитная дефектоскопия основана на различии параметров магнитного поля в средах с разными магнитными характеристиками. Оценка параметров магнитного поля, создаваемого в трубе при внутритрубной инспекции (с помощью снаряда-дефектоскопа), позволяет на стадии разработки дефектоскопа качественно спроектировать его магнитную систему. Численный трехмерный анализ изменения параметров магнитного поля в зоне различных по конфигурации и типу дефектов дает возможность построения эффективных алгоритмов идентификации дефектов по магнитограммам.

Рис.9. Распределение индукции магнитного поля В[Тл] в магнитной системе дефектоскопа и трубе

Параметры магнитного поля, создаваемого магнитной системой дефектоскопа, могут быть вычислены в результате решения уравнений Максвелла в трехмерной постановке при соответствующих краевых условиях. Задачу можно решить методом конечных элементов (МКЭ), реализованным в программном комплексе ANSYS. На рис.1 представлено распределение индукции магнитного поля в магнитной системе дефектоскопа и трубе, полученное в результате численного анализа системы с помощью программного комплекса ANSYS.

По данным внутритрубной диагностики участка трубопровода определяется геометрический профиль стенки трубы. Геометрический профиль стенки трубы даёт информацию о расположении дефектов стенок эрозионного, коррозионного, механического, технологического происхождения.

Параметры транспортируемой среды и прилегающих к трубопроводам объектов, помимо оптимального управления транспортом нефти, необходимы для прогнозирования аварийных ситуаций, анализа их причин и последствий. К этим данным относятся давление, температура и/или расход транспортируемой среды, температура прилегающего к трубе грунта или атмосферы и т.д. Эти параметры, например, можно получить с помощью ИАСУ, функционирующей в рамках нефтетранспортного предприятия.

Прочностной анализ производится на основе расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов с помощью МКЭ. Он применим для оценки прочности нефтепроводов, водопроводов и т.д. Прочностной анализ включает в себя основные этапы:

· расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) участков трубопроводов по балочным конечно-элементным моделям с учетом всех силовых факторов, действующих на трубопровод в процессе эксплуатации;

· выявление наиболее нагруженных участков трубопроводной конструкции;

· определение сил и моментов, действующих на границах участков;

· ранжирование опасных участков трубопровода на основе: их НДС; расположения дефектов стенок труб; близости к населенным пунктам и промышленным объектам (с учетом размеров зон поражения при аварии);

· уточненный расчет НДС опасных участков с использованием оболочечных (рис.13) и объёмных (рис.14) конечно-элементных моделей;

Рис. 10. Оболочечная модель трубопровода с эрозионным дефектом

Рис. 11. Эквивалентные напряжения на участке трубопровода с эрозионным дефектом

· анализ несущей способности опасных участков трубопровода на основе критериев теории прочности и разрушения.

При прочностном расчете учитываются следующие нагрузки на трубопровод: избыточное внутреннее давление; термодеформации; распределенные и сосредоточенные силы от воздействия грунта; статические и динамические нагрузки от наземных источников; начальные напряжения при сварке швов трубопровода; остаточные напряжения упруго-изогнутых труб; ветровые нагрузки для надземных трубопроводов; нагрузки от внешнего давления воды для подводных трубопроводов; нагрузки, возникающие при переходах над карстовыми провалами; нагрузки, связанные с рельефом речного или морского дна на подводном переходе, и др.

Рис.12 Модель участка трубы с коррозионной каверной

Рис.13. Эквивалентные напряжения на участке трубы с вмятиной

Расчет НДС трубопроводов проводится МКЭ, реализованном в программном комплексе ANSYS. При расчетах моделируется рост коррозионных и эрозионных дефектов с течением времени. Эрозия моделируется утоншением стенки с течением времени с учетом многофазной гидродинамики течения продуктов и сопутствующих абразивных примесей по трубопроводу. Коррозия имитируется углублением каверны с течением времени по экспериментально-расчетным данным о процессах коррозии, полученным в ИФХ РАН.

Оценка состояния трубопровода с точки зрения прочности производится по следующим критериям: по запасам прочности (согласно нормативной документации); по несущей способности (согласно нормативной документации); по моделям упруго-пластического или хрупкого разрушения (с помощью программного комплекса LS-DYNA3D); по экспериментальным данным полученным на макро- и микрообразцах.

Заключение

Появлению любой трещины, а также ее развитию предше- ствует накопление в материале рассеянной поврежденности. Наибольшая интенсивность накопления рассеянной повреж- денности металла конструкции регистрируется в зоне кон- центрации напряжений. Поврежденность может быть пред- ставлена в виде любого несовершенства строения металла, дефекта, инородного включения или нарушения сплошности в контролируемом объеме. Из концептуальных положений механики разрушения известно, что для страгивания и разви- тия любого дефекта в его вершине должно реализовываться определенное напряженно-деформированное состояние. По- следнее будет контролироваться накоплением поврежденно- сти в этой области. Отсюда в зависимости от того, какие задачи поставлены при изучении разрушения и в каких объ- емах оно рассматривается, его можно рассматривать как на- рушение сплошности в пределах микрообъемов сопостави- мых с элементами структуры, либо как нарушение сплошно- сти тела в механике сплошной среды.

При прогибах трубопровода, соизмеримых с радиусом трубы, действующие на трубопровод нагрузки перераспределяются в зависимости от его деформации, которая сама является неизвестной. Это делает задачу неразрешимой в линейной постановке. Линейная постановка задачи также не позволяет исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода, составленного из прямолинейных труб и кривых вставок, поскольку напряжения от продольных усилий будут непостоянными для отдельных участков такого трубопровода, эксплуатируемого в нестандартных условиях. Если прогибы трубопровода соизмеримы с толщиной стенки трубы, то линейная постановка задачи дает удовлетворительные результаты. При величине прогибов порядка радиуса трубы и в случае, когда квадраты углов поворота продольной оси трубопровода соизмеримы с его деформацией растяжения-сжатия, для получения результатов расчета, адекватно описывающих реальную физическую картину явления, необходимо решить задачу в геометрически нелинейной постановке.

Список литературы

Литвин И.Е., Аликин В.Н. Оценка показателей надежности магистральных трубопроводов. -М.: ООО "Недра-Бизнесценгр", 2003.

Ланчаков Г.А., Зорин Е.Е., Пашков, Ю.И., Степаненко А.И. Работоспособность трубопроводов: в 3-х ч. 2001.

РД 153-39.4-067-04

Стрелецкий Н. С. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям. - М.: Стройиздат, 1971. - 189 с. - Рус.

Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных трубопроводов. - М.: Недра, 1985

Крылов Г.В., Матвеев А.В., Степанов О.А., Яковлев Е.И. Эксплуатация газопроводов Западной Сибири. - Л.: Недра, 1985.

А