CC BY
136
___________________________________ © П.В. Бурков, О.В. Клюс,
С.П. Буркова, 2011
УДК 622.692.4
П.В. Бурков, О.В. Клюс, С.П. Буркова
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРОЛОЖЕННЫХ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
Рассмотрено возникновение напряженно-деформированного состояния в трубопроводе, проложенного в мерзлом грунте; произведена оценка напряженно-деформированного состояния и определены наиболее напряженные участки трубопровода с учетом нагрузок, действующих при эксплуатации.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние; трубопровод; зона вечной мерзлоты; надежность; авария; эксплуатация; постоянные нагрузки, мерзлый грунт.
У^азвитие нефтегазового комплекса нашей страны во многом
-яГ определяется созданием системы транспорта углеводородов, основным видом которого является трубопроводный транспорт. В настоящее время в Российской Федерации функционируют магистральные нефтепроводы общей протяженностью около 50 тыс.км. Несмотря на то, что проблема надежности магистральных трубопроводов постоянно находится в центре внимания, на трубопроводах России ежегодно происходит более 40 тысяч отказов и аварий, при этом потери составляют более 3 % от полного объема добычи нефти и газа. Значительная часть аварий обусловлена воздействием на трубопроводы непроектных нагрузок. В связи с этим при определении технического состояния трубопроводов необходимо контролировать изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) в процессе эксплуатации. Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную надежность подземных нефтепроводов, является их взаимодействие с окружающими грунтами.
Воздействие со стороны грунта может быть осуществлено силовым, тепловым, влажностным, химическим, коррозионным, биологическим и другими способами. В свою очередь, нефтепровод влияет на окружающий грунт как через постоянные нагрузки (вес трубы, её давление на грунт и т.д.), так и временные длительные,
обусловленные изменением температуры и давления перекачиваемого продукта по длине трассы [1-3].
Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов проложенных в условиях вечной мерзлоты.
Дополнительные нагрузки, действующие в период эксплуатации, приводят к быстрейшей выработке ресурса трубопроводов, и наиболее распространенными и опасными являются так называемые непроектные нагрузки со стороны опорной системы и нагрузки, возникающие от внешних источников (оползни, сезонные подвижки грунта), учесть которые при проектировании невозможно. Выявлять действие непроектных нагрузок возможно на стадии строительства и в период эксплуатации путем измерения и расчета напряженно-деформиро-ванного состояния трубопроводов.
Известно, что основные отечественные месторождения нефти расположены в районах Западной Сибири и Крайнего Севера, поэтому трассы магистральных нефтепроводов на своем пути к потребителю неизбежно должны пересечь зоны вечной мерзлоты. Обычно строительство трубопроводов на мерзлых грунтах осуществляется в период, когда грунт находится в мерзлом состоянии, так как при сезонном оттаивании проезд строительной техники вдоль трассы становится практически невозможным. Таким образом, начальное состояние подземного трубопровода определяется положением уложенной в мерзлый грунт трубы, и напряженно-деформированное состояние трубопровода на данный момент должно рассчитываться с учетом физико-механических свойств мерзлого грунта [3].
С вводом трубопровода в эксплуатацию при температуре транспортируемого продукта выше 0 °С происходит оттаивание мерзлого грунта под трубопроводом, причем вследствие изменения физико-механических свойств грунта вдоль трубопровода размер зоны оттаивания при различных сечениях будет разный. Это приводит к изгибам, провисанию отдельных участков, большим пространственным перемещениям (чаще всего с потерей продольной устойчивости), и при определенных условиях трубопровод может разрушиться. Выполнение прочностных расчетов с учетом действительных условий работы трубопровода является одним из основных элементов, обеспечивающих поддержание его высоконадежной работы. В этом случае основной задачей расчета трубопро-
водов на прочность является определение напряженно-деформирован-ного состояния, обусловленного нагрузками, возникающими от внешних источников [4-6].Расчет НДС участка подземного трубопровода проводился методом конечных элементов, реализованным в программном комплексе ANSYS. Участок трубопровода проходит по территории с наиболее холодной пятидневкой от - 46 до - 49 °С, поэтому используются трубы в северном исполнении:
• класс прочности - К56;
• диаметр - 820 мм;
• толщина стенки - 14 мм;
• внутреннее давление - 9,2 МПа;
• длина трубопровода - 12 м;
• марка стали - 09Г2ФБ.
В качестве независимых параметров упругих характеристик материала использовали модуль Юнга и коэффициент Пуассона. При определении напряженного состояния участка трубопровода учитываются кольцевые напряжения от внутреннего давления и продольные осевые напряжения от всех нагрузок, возникающих от внешних источников. В результате расчетов получены трехмерные картины распределения характеристик НДС наиболее напряженных участков трубопроводной системы с учетом всех действующих на данную конструкцию нагрузок.
Прогиб в месте закрепления отсутствует. График нормального прогиба представлен на рис. 3:
Максимальное значение прогиба соответствует удалению от края сопряжения на 5 м.
Наибольшее значение продольных напряжений соответствует в точках закрепления, то есть величина продольного напряжения у внутренней стенки нефтепровода в этих точках превышают предел текучести материала. Несущая способность трубопровода в точках закрепления будет исчерпана, когда давление в нефтепроводе превысит предельное значение, при котором все поперечное сечение будет охвачено пластической деформацией.
189629 .210Е+08 .418Е+08 .627Е+08 .835Е+08
.106Е+08 .314Е+08 .523Е+08 .731Е+08 .939Е+08
Рис. 1. Напряжение по Мизесу участка подземного трубопровода, проложенного в зоне вечной мерзлоты
Рис. 2. Деформация участка подземного трубопровода по Мизесу
Информация, полученная в результате оценки НДС линейной части магистральных нефтепроводов, позволяет определить участки с предаварийной ситуацией (в том числе до появления дефектов) и предпринять все необходимые меры для их устранения, повышая тем самым надежность трубопроводной системы.
Расчеты показывают, что при выпучивании или просадке отдельных участков трубопровода приводят к появлению недопустимых напряжений. При больших просадках участков трубопровода возникают пластические деформации.
Рис. 3. Нормальный прогиб: х - длина трубопровода, м; W(x) - величина нормального прогиба, м
X м
Рис. 4. Распределение продольных и кольцевых напряжений: х - длина трубопровода, м; о1 - продольные напряжения, МПа;о2 - кольцевые напряжения, МПа
Поэтому оценка НДС и определение наиболее нагруженных участков трубопроводов с учетом (статических и динамических) нагрузок, действующих при эксплуатации, является важным фактором в определении условий безопасной эксплуатации трубопровода.
С целью повышения эксплуатационной надежности трубопроводов, а также для оценки технического состояния и прогнозирования долговечности необходимо своевременно проводить техническую диагностику и анализировать НДС, используя метод конечных элементов.
Статья выполнена в рамках ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» НА 2009-2013 гг. ГК № П1404 от 03.09.2009 г. проект «Исследование физико-механичес-ких процессов взаимодействия породоразрушающего инструмента с обрабатываемой средой при бестраншейной прокладке трубопроводов методом наклонно-направленного бурения».
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хасанов Р.Р. Расчет напряженно-деформированного состояния тройников штампованных (ТШС)/Нефтегазовое дело — 2010. (http:www/ogbus.ru)
2. Курочкин В.В., Малюшин Н.А., Степанов О.А. Эксплуатационная долговечность нефтепроводов. - М: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. - 231 с.
3. СНиП 2.05.06-85*
4. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общ.ред. Д.Г. Красковско-го. - М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 с.: ил.
5. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории
упругости и пластичности к решению инженерных задач. М.: Высшая школа, 1974. - 204 с.
6. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ. пособие. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с. тгд=1
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------
Бурков П.В. - доктор технических наук, профессор,
Буркова С.П. - кандидат технических наук, доцент,
Клюс О.В. - магистрант,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, e-mail: burkovpv@mail.ru
