авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Моделирование технического состояния магистральных нефтегазопроводов с учётом эффектов неоднородности

-- [ Страница 2 ] --

Показано, что общая задача о напряженно-деформированном состоянии трубопровода, находящегося в нестабильном грунте, может быть разложена на три условно независимые частные задачи в соответствии с осями координат (рисунок 2). Особенность этих задач в том, что действующие силы q(z) и их распределение по трубопроводу заранее не известны; известны только некоторые экспериментальные данные о свойствах грунтов, которые позволяют строить приближенные зависимости q от относительных смещений трубы и грунта. Это обстоятельство делает невозможным применение аналитических и прямых методов решения, эффективным – численных методов (конечных элементов и конечных разностей) в сочетании с методами итераций и последовательных приближений. Эти методы позволяют по ходу решения уточнять силы q.

  Обозначения смещений (u, v, w) и внешних сил (qx, qy, qz) в системе координат (x, y, z)-5

Рисунок 2 – Обозначения смещений (u, v, w) и внешних сил (qx, qy, qz) в системе координат (x, y, z)

Метод конечных разностей основан на уравнениях продольно-поперечного изгиба и продольного сдвига:

; , (1)

где Е – модуль упругости металла трубы; Jx – момент поперечного сечения трубы относительно оси х; F – площадь поперечного сечения трубы; qy и qz – поперечная и продольная внешние силы, действующие на трубопровод (в том числе реакция грунта или потока воды); N – внутренняя осевая сила.

Метод конечных элементов основан на принципе минимума потенциальной энергии системы, что математически выражается формулами:

; ; , (2)

где Э – энергия деформаций системы конечных элементов (рисунок 3);

A – работа внешних сил; L – вариация функции Лагранжа.

  Конечно-элементное представление участка трубопровода Для энергии-11

Рисунок 3 – Конечно-элементное представление участка трубопровода

Для энергии конечного элемента, находящегося под действием растягивающей силы N и изгибающего момента Mx, получена формула кривизны:

, (3)

где Ky – кривизна элемента; v – поперечное смещение в сечении z.

Реакция грунта растёт с увеличением смещений, но не может расти бесконечно. Простейшая модель зависимости «смещение реакция» показана на рисунке 3 и выражается формулой:

; ; ; (4)

где Сv и Сw – соответственно коэффициент постели и коэффициент сцепления грунта;

и –предельные реакции грунта при смещениях соответственно в поперечном и продольном направлениях.

Используемые методы и алгоритмы позволяют учитывать более сложные зависимости реакции грунта, если таковые известны.

На прямолинейных участках методы конечных разностей и конечных элементов приводят к одним и тем же системам алгебраических уравнений, выражающих взаимосвязь смещений узлов:

; ; (5)

. (6)

Если участок трубопровода содержит исходную кривизну Ky(z), то коэффициент Cv следует определять по формуле:

. (7)

Данная формула отражает тот факт, что на кривых участках осевая сила N вызывает появление поперечной реакции грунта.

Для трубопровода представляют опасность механические напряжения как сжатия (может произойти потеря устойчивости), так и растяжения (произойдёт разрыв). Причем в одном и том же сечении трубопровода могут возникать одновременно напряжения растяжения и сжатия (изгиб). В неоднородном трубопроводе с переходом от одного сечения к другому все компоненты напряжений меняются. Поэтому целесообразно рассматривать различные сочетания слагаемых напряжений и по результатам решения определять следующие расчетные напряжения, которые в комплексе характеризуют уровень опасности напряжений на участке:

S1 наибольшее кольцевое напряжение на участке;

S2 наименьшее продольное напряжение на участке с учетом знака (наибольшее сжимающее продольное напряжение);

S3 наибольшее продольное напряжение растяжения;

S4 наибольшее эквивалентное напряжение на участке.

В зависимости от соотношения расчётных напряжений и предела текучести металла труб определяются опасные места, вероятные механизмы разрушения и запас прочности участка трубопровода в целом.

В третьей главе разработаны алгоритмы и расчётные программы на основе вышеизложенного математического аппарата, которые позволяют решать задачи о напряженно-деформированном состоянии однородных и неоднородных трубопроводов в стабильных и активных грунтах разных видов. Они позволяют определять общее напряженно-деформированное состояние трубопровода и расчётные напряжения S1, S2, S3, S4 в зонах просадки, карстообразования, пучения, сдвига, оползня грунта. Рассмотрен ряд примеров.

Исследованы два случая взаимодействия трубопровода с грунтом в зоне оползня: в поперечном и продольном направлениях (рисунки 4, 5).
Установлены закономерности распределения напряжений в стенке трубопровода в пределах зоны оползня и за её пределами. В случае поперечного сдвига грунта наиболее опасные зоны находятся в полосе по границе скольжения грунта шириной около 20 м. Затухание напряжений вне зоны скольжения происходит в области до 50 м при поперечном сдвиге и до
500 м при продольном сдвиге. Размеры зон затухания напряжений тем больше, чем больше диаметр трубопровода и чем мягче грунт.

u горизонтальный сдвиг; qх горизонтальная реакция

грунта; нормальные и экв эквивалентные напряжения

Рисунок 4 – Схема трубопровода 5308 мм, находящегося

под рабочим давлением 5,0 МПа, при горизонтальном

поперечном сдвиге на участке 160…360 м

Рассмотрены четыре вида смещения грунта в вертикальном направлении: просадка, пучение, разлом, карстовый провал. Во всех случаях получены полные картины распределения всех компонент смещений, деформаций и напряжений в каждом сечении трубопровода вдоль всего участка. Изучены два крайних случая взаимодействия грунта с трубопроводом: когда под трубой образуется полость, а также когда грунт переходит в пластическое состояние. Во всех случаях потенциально опасными зонами являются середина карста или пучения, а также границы зоны сдвига грунта.

w продольный сдвиг трубопровода; qw продольная реакция

грунта; нормальные напряжения от сдвига грунта

Рисунок 5 – Характер деформирования трубопровода 102016 мм

в зоне продольного сдвига грунта (на участке АВ = 100 м

грунт сдвинулся на 1 м)

На рисунке 6 показана схема нефтепровода 102012 мм, находящегося под рабочим давлением 5,5 МПа. Глубина укладки трубопровода по верхней образующей составляет 1,0 м; температуры укладки и эксплуатации соответственно + 10 °С и + 5 °С. На участке АВ протяженностью происходит просадка грунта. Результаты замеров высотного положения грунта по траектории трубопровода приведены в таблице 1.

Решение показывает, что в данном случае под трубой образуется полость на участке . Кольцевое напряжение составляет
228,2 МПа; максимальное напряжение изгиба 267,0 МПа; осевое напряжение 57,14 МПа; максимальное продольное напряжение в стенке трубопровода 324,2 МПа.

Таблица 1 – Результаты измерений в зоне разлома грунта

Координата z, м Сдвиг грунта H, м Координата z, м Сдвиг грунта H, м
100…200 0 212 0,98
200 (точка А) 0 214 1,19
202 0,04 216 1,36
204 0,14 218 1,46
206 0,31 220 (точка В) 1,50
208 0,52 320 1,50
210 0,72 350 1,50

  Схема трубопровода в зоне разлома грунта (верх, низ  продольные (по-35

  Схема трубопровода в зоне разлома грунта (верх, низ  продольные (по-36

Рисунок 6 – Схема трубопровода в зоне разлома грунта (верх, низ

продольные (по оси z) напряжения на верхней и нижней

образующих, которые вдали от зоны изгиба становятся

одинаковыми и равными осевому напряжению о)

Данный пример показывает, что на участках с локальными грунтовыми процессами продольные напряжения становятся значительно больше кольцевых напряжений, вызванных только рабочим давлением. Это ещё раз подтверждает, что неоднородность грунта является важным фактором при оценке безопасности трубопровода.

Рассмотренные примеры показывают, что разработанная модель взаимодействия трубопровода с грунтом, а также алгоритм и расчётная программа «Грунт», основанные на данной модели, являются эффективными средствами исследования напряженно-деформированного состояния неоднородных трубопроводов, находящихся в условиях разнообразных грунтовых изменений.

В четвёртой главе сформулированы общие положения и исходные предпосылки физико-математической модели распределения потенциалов и токов системы электрохимической защиты по трубопроводу с изношенным неоднородным изоляционным покрытием. Основными исходными параметрами модели являются размеры трубопровода D, удельная электропроводность металла труб, переходное сопротивление изоляционного покрытия , удельное сопротивление грунта . Неоднородность трубопровода в данной модели в основном вызывается величинами и , которые
не одинаковы вдоль трубопровода и не постоянны во времени. Основной выходной информацией модели является распределение потенциала «труба земля» по участку трубопровода, вспомогательной информацией – распределение токов в трубопроводе и токов утечки через изоляционное покрытие в грунт (или обратно). Граничные условия определяются расположением (координатами) и режимами работы станций катодной защиты.

Модель основана на законе Ома для проводника (трубопровода), пленки (изоляционного покрытия) и сплошной среды (грунта). Проблема только в том, что сопротивления трубопровода, грунта и покрытия не постоянны ни в пространстве, ни во времени. Кроме того, их значения могут быть определены только в отдельных точках. Анализ результатов измерений показывает, что переходное сопротивление покрытия и электропроводность грунта являются случайными величинами. Поэтому вводят специальные величины – интегральные (относящиеся к определенной длине) переходные сопротивления изоляционного покрытия и грунта.

Измерение этих величин вдоль трассы трубопровода представляет непростую задачу, которую пытаются решать, обрабатывая результаты
электрометрических измерений. Однако при этом встречается несколько трудностей, связанных с большой протяженностью трубопроводов (невозможно обеспечить постоянство точки отсчёта потенциалов), невозможностью исключить систематические погрешности (влияние других «участников» на потенциальное поле: параллельных трубопроводов, падения потенциала на глубине трубопровода, блуждающих токов), с недостатками нормативной базы. Поэтому предлагается определять переходное сопротивление покрытия на основе измерений параметров магнитного поля вокруг трубы, непосредственно связанного с протекающими в нём электрическими токами. Для этого предлагается воспользоваться приборами типа «Орион».

Выполнен анализ действующих в отрасли методов определения переходного потенциала изоляции (ВРД 39-1.10-026-2001 и др.) и установлено, что они основаны на двух положениях, которые на изношенных трубопроводах не соблюдаются:

1) в данном документе предполагается, что действует всего один источник (или сток) сигналов. Фактически источников и стоков может быть много;

2) используемые формулы справедливы только для случая, когда
участок трубопровода и грунт однородны по всем параметрам. Фактически они неоднородны и непостоянны;

3) в документе взаимосвязь параметра затухания сигнала с переходным сопротивлением выражена неточно. В ней не участвуют толщина стенки трубопровода и удельное сопротивление грунта гр. Фактически затухание сигнала зависит от этих параметров.

Нами получено дифференциальное уравнение для описания распределения потенциала U в общем случае, когда все величины переменные:

; . (8)

Для однородного участка трубопровода решение имеет вид

; . (9)


Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.