Численная оценка несущей способности трубопроводов с коррозионными дефектами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ »ЕСТНИК М» 1 (в?) 2010

уДк 5393 С. А. КОРНЕЕВ

И. В. КРУПНИКОВ С. Н. ПОЛЯКОВ В. В. ШАЛАЙ

Омский государственный технический университет

ОАО «Сибнефтетранспроект», г. Омск

ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ С КОРРОЗИОННЫМИ ДЕФЕКТАМИ

В статье моделируется разрушение трубопровода с коррозионным дефектом. Для стали 19Г применяется математическая модель упругопластического деформирования металлов, полученная ранее авторами. Даны практические рекомендации.

Ключевые слова: упругопластические материалы, деформирование, разрушение, коррозионный дефект трубопровода.

Введение

Создание прочных и надежных машин и конструкций с высоким ресурсом работы, обладающих минимальным весом, — проблема большой важности. Зн&чимость проблемы прочности постоянно возрастает, что объясняется повышением сложности технических изделий и увеличением уровня нагрузочных факторов. Кроме того, тенденция к снижению материалоемкости создаваемых машин и практическая потребность в оценке несущей способности эксплуатируемых конструкций приводит к тому, что машины и конструкции оптимизируются, исходя из анализа напряжённо-деформированного состояния изделий но более точным определяющим соотношениям, учитывающим характерные изменения внутренней структуры материалов, приводящих к разрушению [1,2].

Из всего многообразия современных конструкций особое место в экономике нашей страны занимают системы трубопроводного транспорта. Трубы нефтегазопроводов испытывают комплексное воздействие, основными сос тавляющими которого являются напряжения от внутреннего давления и коррозионное воздействие внешней среды. Оценка остаточной прочности магистральных трубопроводов после продолжительной эксплуатации представляет собой актуальную задачу, от решения которой зависят изменения режимных параметров работы, оптимальный график замены труб, выработавших свой ресурс, и связанная с этим экологическая безопасность окружающей среды |3|.

1. Постановка задачи

Для оценки несущей способности элемен тов конструкций воспользуемся уравнениями равновесия

V т = о

и дифференциальными зависимостями Коши

е = (Уи + Уи7У2.

(2)

Краевые условия па поверхности £, ограничивающей занимаемую телом область V, в общем случае могут носи ть смешанный характер. На одной части поверхности £' задаётся вектор напряжения внешних поверхностных сил Г а на другой части поверхности I* задаётся вектор перемещений точек тела иг:

Тп|г = Г,

и|Г = Ч-

(3)

Здесь Т — тензор напряжений; е — линейный тензор деформации, и — вектор перемещений, п — орт внешней нормали. Систему уравнения (1) —(3) замыкают определяющие соотношения, описывающие реологические свойства упруго-пластического материала:

Т = К ігєі + 2р(ё - ег) .

. , Е-КЕ* (е-КЕ*):!

ІІЄ-КЄІІ ІІБ-КБІ

•/ф-квЦ—Ер]н[(£-кє'):і],

(4)

У = к +

(є кє"):є"

ІБ~К6*1|ЄІ

сік (б-ке*):с" сіВ,, сЩє'І ЇІє-кбЧ +ф1

(5)

>0, (6)

м =

рос.

. Е =

_еЛп + о(п-0||сі] п(І+аИ)Г»'" ’

х:

У1

Рис. 1. Геометрия дефекта

сяи

#этгяггяя”

ая&ш&я ■ ашш

Рис. 2. Начало разрушения: шаг нагружения 1, давление 5.024 МПа

Рис. 3. Развитие разрушения: шаг нагружения 13, давление 5.568 МПа

Здесь е —девиатор е. е* — тензор необратимой (пластической) деформации, ц, К модуль сдвига и модуль объёмного сжатия, п,п — материальные параметры, ад — предел текучести, е„ = оу/(2р) — деформационный предел текучести, Н(х) — функция Хеви-сайда. Для описания процесса разрушения материала применим энергетический критерий разрушения Новожилова-Кадашепича (4|, который состоит из двух частей — закона накопления повреждений

ао/ьг = ||т;|и

и условия разрушения

*>/*>.=Т.

18)

(9)

Здесь [)> о —функция накопления повреждений, имеющая в естественном состоянии материала нулевое значение, Тр =2Мер девиатор упругих (доба-почШ)1х) напряжений,

ОпР=о,-у(ат + о )

(Ю)

—приведённое нормальное напряжение, о >а. >а, — главные напряжения, V — коэффициент Пуассона. Условие (9) имеет смысл, если а*,, > а|ф > 0. Поэтому при а, - \'(с7, +а,)<0 (например, при всестороннем сжатии, когда а, =а} =а; =-р, где р — гидростатическое давление) в (9) следует полагать аМ(, = 0. В последнем случае = оо (невозможность разрушения). Благодаря этому энергетический критерий разрушения Новожилова-Кадашепича, позволяет описывать экспериментальные факты, которые не поддаются оценке в рамках существующих теорий прочности.

Макромеханические соотношения (4) — (7) получены в [7| на основании двухуровневой математической модели процессов унругопластического деформирования, учитывающей поликристаллическсю строение материалов [5,6). В (7) модуль упрочнения М и деформационный предел пластичности Е определён в [7]. Согласно (4,7], в условии разрушения (9) применительно к (4) — (7) можно взять следующие значения материальных параметров:

* (1-2 у)Е 1

а* = ------—. т = - •

вр 44 2

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТМИК N* 1 <|7) 2010

— Я

ЩЁ44)-си

(На)

где а,, , е" = е, - о,/(2ц) — напряжение, полная и

необратимая деформация в момент разрушения образца при испытаниях на од ноосное растяжение, Е— модуль Юнга.

Vs

2це. а(п +1)

аМ'-а(л-1)И-п

П+---;--- ---

(12а)

— скрытая энергия деформации. Методом компьютерного моделирования показано |7|, что соотношения (4) - (7), относящиеся к теории пластическою течения, дают более точные результаты, чем аналогичные соотношения деформационной теории пластичности, которые применялись ранее одним и:» авторов для оценки роста поверхностной трещины в трубах нефтепроводов. Другое отличие состоит в том, что в процесс разрушения описывался на основе деформационного и силового кри териев разрушения: соответственно, если интенсивность пластических деформации достигает своею предельного значения, то происходит разрушение срезом, если же пластические деформации затруднены, то материал разрушается отрывом по достижении нормальным напряжением величины сопротивления разрушению отрывом. При формулировке (9) использовалось предположение [4], что хрупкую прочность определяет максимальное положительное упругое удлинение

Еим* = [а. у(а. +° )1/£ —критерий разрушения Ма-риотта.

количество элементов по толщине трубы — 8; количество элементов но окружности — 80, мина дефекта вдоль трубы — 1.0 м. ширина дефекта — 0.42 м, глубина дефекта — 0.005 м.

На каждом шаїчї расчета для всех элементов по формуле (9) проверяется условие разрушения элемента. В том случае, если конечный элемент разрушен. корректируется его матрица жесткости. Для этого исходная матрица жесткости элемента заменяется матрицей «разрушенною» элемента, у которой все значения уменьшены в 1000. Такой подход дает возможность продолжать счет, не изменяя размеры матрицы жесткости задачи. Результаты расчетов представлены на рис. 2 — 3. На рисунках (снимках с экрана ПЭВМ) слева показано продольное сечение грубы в районе дефекта, а справа — поперечное сечепие трубы. На рис. 2 видно начало разрушения трубы (давление в трубе с дефектом 5.024Ма) — разрушенный элемент закрашен. На рис. 3 представлено развитие процесса разрушения (давление в трубе 5.568 МПа).

Анализ расчётов показывает, что локальное раз рушение трубы в зоне минимальной толщины поперечного сечения сопровождается развитием разрушения вдоль оси трубы. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными.

Численным моделированием можно определять критическое внутреннее давление в трубе, при котором начинается разрушение. Получаемые таким образом результаты могут бы ть полезны при назначении практических рекомендаций но рабочим режимам перекачки продукта в трубопроводе.

Библиографически Л список

2. Результаты численного решения

Из-за сильной нелинейности задачи (1) —(12) её решение можно получить в настоящее время только численными методами. С этой целью был разработан численный алгоритм, основанный на методе конечных элементов (МКЭ). Первым этапом решения задач методом конечных элементов является построение сетки конечных элементов. Диагностика показывает, что большое число дефек тов имеют форму, близкую к эллипсоиду вращения. Потому для определения напряженно-деформированною состояния труб и оценки давления, при котором трубопровод разрушается, можно взять геометрию дефекта представленную на рис. 1. Построение расчетной сетки осуществляется вдва этапа. 11а первом шаге построения сетки конечных элементов строится расчетная сетка восьмиузловых элементов для трубы идеальной формы. В зоне дефекта полученная расчетная сетка деформируется. Для этого плоскость эллипсоида XIУ1 искривляется но внешнему диаметру трубы, причем ось ОУ1 располагается параллельно оси Ог трубы, а ось ОУ1 — но окружности трубы. После этого объем деформированного эллипсоида «вычитается» из объема трубы. Далее проводится корректировка расчетной сетки конечных элементов в поперечном и продольном сечениях трубы. Для определения напряженно-деформированною состояния трубопровода с дефектом были заданы следующие параметры: материал трубы — сталь 19Г, наружный диаметр трубы равен 0.8 м, толщина стенки трубы — 0.01 м, половина длины трубы — 0.5 м. Для построения расчетной сетки конечных элементов были взяты следующие значения: количество элементов по длине трубы 100:

1. Аликнн, В.Н. Критерии прочности и расчёт механической надёжности конструкций / В.Н. Аликин, П В. Аиохии, ГА Колмогоров, НЕ. Литвин. — Пермь: ПГТУ, 1999. - 158 с.

2. Тушинский, Л-И. Структурная теория конструктивной прочности материалов/Л.И. Тушинский. — Новосибирск: Изд-во НГТУ.2004. - 400 с.

3. Селезнёв, B.C. Основы численного моделирования магистральных трубопроводе и / B.C. Селезнёв. В.В. Алёшин. С.Н. Пря лов. — М.: КомКиига, 2005. — 496 с.

4. Новожилов. В.В. Микронапряжеиия в конструкционных материалах / В.В. Новожилов, Ю.И. Кадашевич. — Л.: Машиностроение, 1990. — 223 с.

5. Корнеев, С.А., Крупников. И.В. Построение макромеха-нических определяющих соотношений унругопластического тела на основе термодинамического анализа трёхмерной мезо механической модели // Международный научный симпозиум по проблемам механики деформируемых тел. посвящённый 95-летию со дня рождения АА. Ильюшина; Москва. 19 -20 января 2006 года : тез. докл. - М.: МГУ, 2006. - С. 24-25.

6. Корнеев. С.Л. Двухуровневая математическая модель процессов деформирования уттругопластичееких материалов / С.Л. Корнеев, И.В. Крупников // Омский научный вестник. — 2006. - №3(36). - С. 65-71.

7. Корнеев, С.А. Расчётно-экспериментальный метод определения материальных параметров упругопластических материалов на траекториях активного деформирования малой кривизны/ С.А. Корнеев. И.В. Крупников, С.Н. Поляков. В.В. Шалай // Омский научный вестник. — 2006. — Выи. 4 (38). — С. 86 — 90.

КОРНЕЕВ Сергей Александрович, доктор технических наук, заведующий кафедрой сопротивления материалов Омскою государственною технического университета (ОмГТУ).

КРУПНИКОВ Иван Владимирович, кандидат технических наук, главный инженер ОЛО «Сибпефте* транспроект», г. Омск.

ПОЛЯКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доценткафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» ОмГТУ._

ШЛЛАЙ Виктор Владимирович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Транспорт и хранение

нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор ОмГТУ.

Адрес для переписки: 644050, т. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила и редакцию 30.06.2009 г. © С. А. Корнеев, И. В. Крупинко»,

С. Н. Поляков, В. В. Шалай

УДК *2-82:622.4 М. И. ЧИГРИН

В. Е. ЩЕРБА

Омский государственный технический университет

ОАО «Сибнефтетранспроект», г. Омск

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ПЕСЧАНОЙ ПУЛЬПЫ В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

В статье рассматривается движение песчаной пульпы по напорному трубопроводу. Исследуется процесс осаждения песка в нижнюю часть трубопровода при различных режимах течения жидкости и в зависимости от состава песчаной смеси. Показано, что по сравнению с расчетом в реальных условиях из-за соударения частиц песка и их формы фактическая скорость оседания ниже, чем расчетная. Увеличение турбулентности потока также уменьшает скорость опускания частиц песка.

Ключевые слова: гидронамыв песка, осаждение песка, скорость опускания.

Ведущее место в добыче полезных ископаемых принадлежит открытым способам разработки, как наиболее экономичным и безопасным.

Одним из направлений повышения эффективности открытых разработок месторождений является применение технологий с использованием средств гидромеханизации. Гидромеханизированным способом разрабатываются вскрышные породы на угольных карьерах, на карьерах химического сырья и строи тельных торных пород добываются эти породы, торф, золотоносные и алмазные пески, осуществляется сооружение котлованов, канав и углубление рек и водоемов, возводятся дамбы и плотины, строительные площадки и дорожные насыпи.

Гидромеханизация способствует снижению стоимости строительства объектов, сокращению трудовых затрат и внедрению природоохранных и ресурсосберегающих технологий.

Ав тор [ I) перечисляет существенные преимущества гидротранспорта:

— сокращение ввода карьера в эксплуатацию;

— транспортирование массы из карьера практически под любым углом (сокращение транспортных коммуникаций по сравнению с железнодорож-нымв 16 раз, автомобильным вбраз, конвейерным — в 3 раза;

— возможность монтажа трубопровода на неровной поверхности;

— сравнительно малый оГл>ем капитальных затрат,

— создание условий для поточной технологии, автоматизации и дистанционного управления;

— создание благоприятных условий труда и снижение производственного травматизма;

— устранение пылеобразования, относительно благоприятные санитарно-гигиенические условия работы на объекте.

В настоящее время при добыче и транспортировке песка от источника (донные слои водоемов) на карту намыва (карьер, насыпь и т.д.) песок смешивается с водой и насосом по трубопроводу подается к месту назначения. При этом на привод насоса затрачивается энергия как на перемещение собственно песка, так и на перемещение несущей его воды, причем количественное соотношение воды и песка, а также скорость перемещения их смеси (пульпы) выбирается таким образом, чтобы песок не слишком сильно осаждался на нижней части трубопровода (пульпопровода) и не образовывал в его нонеречном сечении сплошные пробки [2].

Использование такой технологии имеет негативные последствия как экономического, так и экологического характера, особенно в условиях севера Западной Сибири, в водоемах которых донные пески содержат большое количество илистых фракций и пылеватых частиц. Это обстоятельство приводит к тому, что. во-первых, на карту намыва подается песчаная смесь низкого качества, что приводит к снижению параметров используемого в строительстве песка (основание дорожной насыпи, кустовые площадки и др.), во-вторых, растекающаяся смесь образует протяженные «пляжные о ткосы», значительная часть которых недоступна дли последующего использо-