CC BY
177
МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНОГО РАЗРЫВА ГАЗОПРОВОДА НА ПОДВОДНОМ ПЕРЕХОДЕ
С.В. Ганага, С.А. Ковалев (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)
С целью определения уровней механических воздействующих факторов на объекты, расположенные в непосредственной близости от места аварии, с разрывом подводного магистрального трубопровода проводилось численное моделирование последствий этого разрыва. Общий вид моделей среды и трубопроводов, разработанных в пакете прикладных программ ANSYS/LS-DYNA, представлен на рис. 1.
Подводный переход моделировался в двухниточном исполнении (основная и резервная нитки), расстояние между трубами - 2 м. Трубы имели внутренний диаметр 1 м, материал - сталь 17ГС, толщину стенки - 20 мм. Снаружи трубы изолировались бетонной рубашкой толщиной 100 мм. Трубопроводы располагались на глубине 25 м. Давление газа в трубе - 7,5 МПа.
Разрушение трубы моделировалось двумя способами - мгновенного разрыва длиной 20 м, а также с учетом реальной скорости роста трещины 150 м/с при аналогичной длине разрушения. Раскрытие трещины рассчитывалось по модели упругопластической деформации металла трубы с учетом бетонной рубашки.
На рис. 2 в качестве примера представлены интенсивности напряжений (а) и пластические деформации (б) для трубопроводов на момент времени 0,05 с после начала аварии для разрыва с учетом конечной скорости развития трещины.
Как показывают расчеты, в начальные моменты начинает надуваться газовый пузырь (рис. 3), давление в котором уменьшается со временем. Форма и размеры пузыря существенно зависят от модели разрыва трубы. Начало координат расчетной сетки здесь и далее расположено на пересечении центра аварийной трубы и плоскости симметрии сетки. Расчеты проводились для различных вариантов расположения трещины - с обоих боков, сверху и снизу. При этом рассчитывалось воздействие на соседнюю трубу и проверялись возможности возникновения каскадной аварии.
Э!
та
Рис. 1. Модель двухниточного подводного трубопровода
а
SEA.PIPES 041
Time = 0,045999 Contours of Effective Plastic Strain max ipt. value min=0. at elem? 36883 max=0.321526. at elem# 35969
б
Рис. 2. Интенсивности напряжений (а) и пластические деформации (б) для трубопроводов на момент времени 0,05 с
б
Рис. 3. Поле течения газа из разрыва трубы при расчете по модели мгновенного разрыва участка 20 м (а) и модели роста трещины со средней скоростью 150 м/с на момент времени 0,02 с (б)
Общая физическая картина течения газа и поле давления в различные моменты времени показаны на рис. 4-6. Для примера приведен расчет по модели трещины, растущей вдоль боковой образующей от второй трубы со скоростью 150 м/с. Видно, что газовый пузырь быстро раздувается, и уже к моменту времени 0,07 с давление в нем падает практически до давления воды на глубине прокладки трубопровода.
Рис. 4. Поле давлений для модели роста трещины на момент 0,02 с
Рис. 5. Поле давлений для модели роста трещины на момент 0,03 с
Рис 6. Поле давлений для модели роста трещины на момент 0,06 с
На рис. 6-9 приведены графики изменения давления в воде для точек пространства, расположенных в поперечном к трубопроводу сечении трубы в месте разрыва трубопровода во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей х и у (расположение осей см. на рис. 1). Из графиков видно, что максимальное давление в волне сжатия, которая распространяется в воде после аварии, быстро спадает с удалением от места разрыва.
p, МПа
2,5
1,5
0,5
-
- / \
- / \
- 1 с
- 1 Э
1 о ГО - . \Х ■ . о ^^ \Е^У Р Р В ч ': ^1
1 | р 1 1
0,02
0,04
0,06
t, °С
3
2
1
0
0
Рис. 6. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси х в горизонтальной плоскости (у = 0) при моделировании роста трещины со скоростью 150 м/с: А - х = 2,3 м; В - х = 1,3 м; С - х = -1,6 м; й - х = -2,8 м; Е - х = -4,1 м; ^ - х = -5,5 м
р, МПа
2,5
1,5
0,5
А /\
/ \ / \ / / \ В
- / / \ /\ \ \
- / / \ 1 / \ X /Ч 0
" /в / / \ \ у' V
1 1 1 1
0,02
0,04
0,06
Г, °С
Рис. 7. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси у в вертикальной плоскости (х = 0) при моделировании роста трещины со скоростью 150 м/с: А - у = 0,9 м; В - у = 1,8 м; С - у = 2,6 м; й - у = 3,4 м
р, МПа
0,02
0,04
0,06
0,08
Г, °С
2
1
0
0
0
Рис. 8. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси х в горизонтальной плоскости (у = 0) при мгновенном разрыве трубы: А - х = 2,3 м; В - х = 1,3 м; С - х = -1,6 м; й - х = -2,8 м; Е - х = -4,1 м; Р - х = -5,5 м
р, МПа
2,5
1,5
0,5
А
- в
1 А - (\ \ \ \ V \
Х\ V \
| 1 // / V? /А \У\ \
1 _ 11 \ \
1 V | 1 1 1
0,02
0,04
0,06
0,08
Г, °С
Рис. 9. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси у в вертикальной плоскости (х = 0) при мгновенном разрыве трубы:
А - у = 0,9 м; В - у = 1,8 м; С - у = 2,6 м; й - у = 3,4 м
3
2
0
0
а
б
Рис. 10. Поле скоростей для трубопроводов на момент времени 0,06 с от начала разрыва для модели мгновенного (а)
и плавного (б) разрывов
Производился расчет максимальной скорости движения трубы, разогнанной за счет газового пузыря, в направлении второй трубы. В качестве примера на рис. 10 представлено поле скоростей для трубопроводов на момент времени 0,06 с от начала разрыва для модели мгновенного (а) и плавного (б) бокового разрывов трубы аварийного газопровода.
Выводы
В результате численного моделирования распространения волны сжатия в водной среде определялись параметры движения газового пузыря и кинематические характеристики газопроводов до момента установления квазистационарного истечения газа из аварийного отверстия.
Установлено, что в результате волны сжатия, распространяющейся в воде от места разрыва газопровода и порожденной расширением газового пузыря, сечение соседней трубы, минимально удаленное от места разрыва, получает максимальную скорость (около 4 м/с) через 0,07 с. Максимальная скорость движения границы газового пузыря достигает 50 м/с и замедляется со временем. При этом сближения и соударения труб при движении под действием реактивной силы расширяющегося газового пузыря не происходит.
В зоне расположения соседней трубы максимальное давление достигает величины 3,5 МПа. Профиль давления носит плавно нарастающий неударный характер. Для областей, расположенных далее 5 м от места разрыва, для заданных начальных условий амплитуда волны сжатия не превышает 1 МПа. Максимальные напряжения и деформации соседней трубы в результате воздействия аварии не превышают уровней начала пластических изменений.
