CC BY
22
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 11 (42) ■ Часть 3 • Декабрь
DOI: 10.18454/IRJ.2015.42.014 Семенов Я.С.1, Скачков Ю.Б.1, Соловьева А.Я.2 1Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН,
2Арктический государственный институт культуры и искусства О ВЛИЯНИИ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА ТРУБОПРОВОДОВ
Аннотация
Проведено сравнение изменений экстремумов температуры воздуха за 1966-2010 гг. в Якутске на основе многолетних рядов годовых экстремальных ее значений. Это позволяет оценить величину циклических нагрузок на трубный транспорт на Северо-востоке России, и это может позволить установить предельные сроки эксплуатации в этом регионе. Однако тренд потепления не будет существенно влиять на амплитуду циклических напряжений из-за не существенных изменений между максимальной и минимальной температурами.
Ключевые слова: экстремумы, температура воздуха, тренд, амплитуда, циклические нагрузки, трубный транспорт, разрушение.
Semenov Ya.S.\ Skachkov Yu.B.1, Soloveva A.Ya.2 1Melnikov Permafrost Institute SB RAS, 2Arctic State Institute Culture and Arts ABOUT INFLUENCE OF THE CHANGES OF AIR TEMPERATURE ON THE SERVICE PROPERTIES OF PIPELINES
Abstract
Comparison of trends in air temperature extremes for 1966-2010 in Yakutsk has been made based on the long-term time series of annual extreme temperature values. There is permitted long time exploitation on tube transport correction.
Keywords: extremes, air temperature, trend, amplitude, cyclic deformation, tube transport, fracture.
Введение. Одним из важных факторов, сильно влияющих на трубный транспорт углеводородного сырья, являются циклические изменения температуры в зонах расположения нефте - газопроводов. Хорошо известно
[1], что чем протяженней нефте - газопровод тем с большей амплитудой деформаций происходят циклические нагружения сварных узлов, угловых соединений, температурных компенсаторов и т.д., вследствие чего происходят усталостные накопления дефектов, переходящие в хрупкие разрушения.
Поэтому долгосрочное (краткосрочное) прогнозирование температурных колебаний является очень важным при стандартизации сроков эксплуатации трубного транспорта, особенно в зонах холодного климата. Это может упредить возможные экономико-экологические последствия. Рассмотрим на примере изменений температуры воздуха в городе Якутске.
Методика оценки колебаний температуры. Межгодовая изменчивость свойственна не только средней годовой температуре воздуха (Т^), но также и средним сезонным температурам воздуха. Поэтому из года в год меняется амплитуда Тев, являющаяся одним из основных показателей континентальности климата.
Амплитуда T,вз определяется нами как разность средних температур теплого (Ттп) и холодного (Тхп) периодов года. Холодный период года включает в себя весь период с отрицательными температурами, а теплый - с положительными температурами.
За счет того, что зимние температуры воздуха в Якутии растут более быстрыми темпами, чем летние [8], разность (Ттп - Тхп) уменьшается, где Ттп, Тхп - температуры теплого и холодного периода. Наиболее существенное и статистически значимое уменьшение амплитуды годовой температуры воздуха происходило в Центральной Якутии. За последние 30-40 лет величина уменьшение амплитуды годовой температуры воздуха доходила до 1,5-2,5оС.
В этой связи представляется интересным проследить изменчивость (Ттп - Тхп) в г. Якутске, где находится самая длиннорядная метеорологическая станция Центральной Якутии и наибольшая плотность газопроводной сети.
На рис.1 представлена многолетняя тенденция изменений (Ттп - Тхп), аппроксимированная полиномом третьей степени.
Tтп - Tхп, °С
Рис. 1 - Изменчивость (Ттп - Тхп) в г. Якутске, оС. Пунктирная линия - полином третьей степени
34
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 11 (42) ■ Часть 3 • Декабрь
Рассмотрим более подробно ежесуточные наблюдения за период с 1966 по 2010 гг. Климатологически этот ряд является более однородным по нескольким причинам. Примерно, с середины 60-х - начала 70-х годов в г. Якутске отмечаются очевидные изменения средней годовой температуры воздуха [8,9].
Выясняется, что зимний минимум температуры воздуха также имеет за последние десятилетия тенденцию к росту, причем тренд проявляется с очень высокой степенью значимости (рис.2). Особенно впечатляют последние 12 лет, когда лишь только в двух зимах температура воздуха в г. Якутске переходила через знаковую черту - минус 50 оС.
т о~ у = 0,1875x - 55,637
Т вз, С п
R2 = 0,4874
см см см
Рис. 2 - Изменчивость ежегодного минимума температуры воздуха в г. Якутске, оС.
Пунктирная линия - линейный тренд.
В отличие от минимума температуры воздуха рост ежегодного максимума идет достаточно слабо и не является статистически значимым (рис.3).
Твз, 0С
у = 0,0188x + 32,959 R2 = 0,023
Рис. 3 - Изменчивость ежегодного максимума температуры воздуха в г. Якутске, оС. Пунктирная линия - линейный тренд.
За последнее время обозначенные пределы минимальной и максимальной температуры зима - лето, как -50 °С и
38,3 °С.
Кроме того следует рассмотреть суточные, недельные, месячные, квартальные и сезонные изменения температуры.
Следует учесть, что в местах расположения трубопроводов размах максимальной и минимальной температуры превышал 100оС.
35
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 11 (42) ■ Часть 3 ■ Декабрь
Рис. 4 - Текущие минимальная, средняя, максимальные температуры воздуха январь 2014г. представлены на графике сплошными линиями соответственно синего, зеленого и красного цветов. Нормальные значения показаны сплошными линиями. Абсолютные максимумы и минимумы точками соответственно красного и синего цвета
Оценим значения и частоту этих циклических напряжений (см.[10]). Хорошо известно, что изменение длины трубопровода подчиняется следующему закону
l = l0 (1 ±aAT),
где I - начальная длина трубопровода, a - коэффициент температурного расширения материала трубопровода,
AT = T — T, T - температура укладки трубопровода, T - текущая температура, l - текущая длина трубопровода.
Величина возникающих напряжений будет равна
а = ±sE,
где s = (l — l) /10 = Al/10 =aAT, а - возникающее напряжение, E - модуль упругости материала трубы.
Приведем максимальные разности температур - годовые, полугодовые, квартальные, месячные, недельные и суточные. Кроме того мы знаем, что часть труб лежит на грунте, часть в грунте и большинстве своем в зоне влияния температуры воздуха.
Рассмотрим максимальные размахи температур: годовые - 88,3 оС; полугодовые - 87 оС - первое полугодие, - 98 оС -второе полугодие; квартальные - 60 оС - первый, 37 оС - второй, 37 оС - третий, 60 оС - четвертый; месячные - 40 оС -январь, 25 оС - февраль, 40 оС - март, 20 оС - апрель, 20 оС -май, 10 оС - июнь, 10 оС - июль, 15 оС - август, 20 оС -сентябрь, 20 оС - октябрь, 30 оС - ноябрь, 40 оС декабрь; недельные в среднем 25 оС; суточные - в среднем 20 оС. Оценочные циклические частоты для 39 летней продолжительности работы трубопровода:
- годовые 30 Гц (30 лет); - полугодовые - 60 Гц; - квартальные - 240 Гц;
- месячные - 720 Гц; - недельные - 2880 Гц; - суточные - 20160 Гц.
Зная эти температуры, оценим величины напряжений в трубопроводе, которые циклически будут нагружать узлы трубопровода. Например, для трубной стали широко применяемой в Якутии - 09Г2С, где коэффициент термического расширения равен а = 11,4 • 10—6 К-1, а модуль упругости E = 210ГПа.
Максимальные напряжения по годовым изменениям температуры равны -a = sE = 1,00662 • 10 3 • 210ГПа = 211,3902МПа
Максимальные напряжения по полугодовым изменениям температуры равны -a = sE = 9,918• 10 4 • 210ГПа = 208,278МПа
Максимальные напряжения по квартальным изменениям температуры равны -a = sE = 6,84 • 10 4 • 210ГПа = 143,64МПа
Максимальные напряжения по месячным изменениям температуры равны -a = sE = 6,84 • 10 4 • 210ГПа = 143,64МПа
Максимальные напряжения по недельным изменениям температуры равны -a = sE = 2,85 • 10 4 • 210ГПа = 59,85МПа
Максимальные напряжения по суточным изменениям температуры равны -а = sE = 2,28 10 4 • 210ГПа = 47,88МПа
Частота этих напряжений связана с частотой изменений температуры как суточного, месячного, полугодового, годового, и долголетнего.
Вследствие циклических нагружений наблюдаются расслоения металла трубы (см. рис. 5) из-за образования микрогофр смятия, возникших при удлинении трубы при тепловом расширении. Что при дальнейшем циклическом нагружении ведет к хрупкому росту трещины и разрушению.
36
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 11 (42) ■ Часть 3 ■ Декабрь
Рис. 5 - Видны трещины расслоения на границах зерен из-за циклических нагружений,
предшествующие разрушению
Заключение. Таким образом, эти оценочные величины циклических напряжений высокочастотных (суточные) и низкочастотных (годовые) возможно будут полезны для разработки регламентирующих документов.
Однако тренд на потепление не влияет существенно на циклические нагружения трубопровода т.к. размах между максимальной и минимальной температурой изменяется мало для всех частотных перепадов температуры.
Литература
1. Сварка и проблемы вязкохрупкого перехода // под ред. Ларионов В.П. Новосибирск, изд-во СО РАН. 1998. -374 с.
2. Виноградова Г.М., Завалишин Н.П., Кузин В.И. Внутривековые изменения климата Восточной Сибири // Оптика атмосферы и океана. — 2002. — № 5—6. — С. 408-411.
3. Разуваев В.Н. Погода и климат в России в XX веке // Россия в окружающем мире: 2001 (Аналитический ежегодник). Отв. ред. Н.Н. Марфенин / Под общ. ред.: В.И. Данилова - Данильяна, С.А. Степанова. М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. — 332 с.
4. Кусков А.И., Катаев С.Г. Структура и динамика приземного температурного поля над азиатской территорией России. — Томск: Изд-во Том. пед. ун-та, 2006. — 176 с.
5. Ревякин В.С., Харламова Н.Ф. Региональные изменения климата и природной среды Центральной Азии // Мировой океан, водоемы суши и климат: Труды XII съезда РГО. — СПб, 2005. — Т. 5. — С. 369-377.
6. Кочугова Е.А., Кошкин Д.А. Тенденции изменения годовых экстремумов приземной температуры воздуха на территории Иркутской области // География и природные ресурсы. Новосибирск: Наука, 2010, №2, с. 63-69.
7. http://meteo.ru/climate_var/sp.php.id_page=2 // Сайт ГУ «ВНИИГМИ — МЦД» (ГУ «Всероссийский научноисследовательский институт гидрометеорологической информации — Мировой центр данных»).
8. Скачков Ю.Б. Современные изменения климата Центральной Якутии // В кн.: Климат и мерзлота: комплексные исследования в Якутии. - Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН. 2000 г. С. 55-63.
9. Скачков Ю.Б. Современная изменчивость основных элементов климата г. Якутска // Восьмое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу: Материалы российской. конф. / Под ред. М.В. Кабанова. -Томск: Аграф-Пресс, 2009.- С. 83-84.
10. Сварка и проблемы вязкохрупкого перехода // Ларионов В.П. и др. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998 - 593 с.
References
1. Svarka i problemy vjazkohrupkogo perehoda // pod red. Larionov V.P. Novosibirsk, izd-vo SO RAN. 1998. - 374 p.
2. Vinogradova G.M., Zavalishin N.P., Kuzin V.I. Vnutrivekovye izmenenija klimata Vostochnoj Sibiri // Optika atmosfery i okeana. — 2002. — № 5—6. — P. 408-411.
3. Razuvaev V.N. Pogoda i klimat v Rossii v XX veke // Rossija v okruzhajushhem mire: 2001 (Analiticheskij ezhegodnik). Otv. red. N.N. Marfenin / Pod obshh. red.: V.I. Danilova - Danil'jana, S.A. Stepanova. M.: Izd-vo MNJePU,
2001. — 332 p.
4. Kuskov A.I., Kataev S.G. Struktura i dinamika prizemnogo temperaturnogo polja nad aziatskoj territo-riej Rossii. — Tomsk: Izd-vo Tom. ped. un-ta, 2006. — 176 p.
5. Revjakin V.S., Harlamova N.F. Regional'nye izmenenija klimata i prirodnoj sredy Central'noj Azii // Mirovoj okean, vodoemy sushi i klimat: Trudy XII s#ezda RGO. — SPb, 2005. — V. 5. — P. 369-377.
6. Kochugova E.A., Koshkin D.A. Tendencii izmenenija godovyh jekstremumov prizemnoj temperatury vozduha na territorii Irkutskoj oblasti // Geografja i prirodnye resursy. Novosibirsk: Nauka, 2010, №2, p. 63-69.
7. http://meteo.ru/dimate_var/sp.php.id_page=2 // Site GU «VNIIGMI — MCD» (GU «Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij institut gidrometeorologicheskoj informacii — Mirovoj centr dannyh»).
8. Skachkov Ju.B. Sovremennye izmenenija klimata Central'noj Jakutii // Klimat i merzlota: kompleksnye issledovanija v Jakutii. - Jakutsk: Izd-vo IMZ SO RAN. 2000 g. P. 55-63.
9. Skachkov Ju.B. Sovremennaja izmenchivost' osnovnyh jelementov klimata g. Jakutska // Vos'moe sibirskoe soveshhanie po klimato-jekologicheskomu monitoringu: Materialy rossijskoj. / Pod red. M.V. Kabanova. - Tomsk: Agraf-Press, 2009. - P. 83-84.
10. Svarka i problemy vjazkohrupkogo perehoda // Larionov V.P. i dr. - Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 1998 - 593 p.
37
