CC BY
104
УДК 620.16
П.В. Бурков, С.П. Буркова, В.Ю. Тимофеев, К.Г. Калмыкова
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ОСАДКИ СЛАБОСВЯЗАННЫХ ГРУНТОВ
Все более растущие потребности промышленных регионов в доступных энергетических ресурсах обуславливают развитие магистральных трубопроводных систем транспорта нефти и газа. Удаленность мест добычи ресурсов от конечного потребителя создают предпосылки развития трубопроводного транспорта. Объективными же особенностями газопроводной сети России являются сложные природно-климатические условия эксплуатации, оказывающие негативное воздействие на функционирование газопроводов, что увеличивает риск экологической и технической безопасности.
В процессе эксплуатации газопроводов в результате действия нагрузок, не предусмотренных проектом, могут возникать различные, в том числе и существенные, отклонения напряженно-
деформированного состояния (НДС) от проектного. К существенному изменению НДС может приводить изменение пространственного положения газопровода [1, 2]. Этому способствует осадка грунта, которая возникает за счет заполнения пус-
тот, оставшихся после завершения возведения насыпи: уплотнение за счет оттока излишней влаги; уплотнение - под действием веса самого грунта и вибрации газопровода. Это, в свою очередь, приводит к большему искривлению труб, их перенапряжению и в итоге - к повреждению газопровода в виде разрывов сварных стыков и свищей в стенках трубы, для устранения которых необходимо проведение ремонтных работ с остановкой газопередачи. Кроме того, каждое такое повреждение, в зависимости от его характера, может привести к значительным потерям газа [3]. Отказы по
этой причине наиболее часты на газопроводах, уложенных в так называемых слабых грунтах [4]. Определение НДС подземных магистральных газопроводов от эксплуатационных нагрузок и воздействий неминуемо будет развиваться с использование расчета совместной работы трубы и грунтового основания [5]. Поэтому актуальной является задача исследования НДС участка трубопровода, для определения критических значений его геометрических параметров и прочностных параметров, влияющих на его работоспособность.
Возможность исследования НДС, в данном случае, предоставляют численные методы, и в частности метод конечных элементов (МКЭ). Теоретические основы МКЭ были разработаны советскими учеными в первой половине ХХ века, но метод не получал распространения из-за необходимости оперирования большими объемами числовых данных при решении уравнений. В конце ХХ века с развитием вычислительной техники МКЭ получил широкое применение в науке и технике. МКЭ широко применяется при решении
сложных задач взаимодействия. Суть метода в данном случае заключаться в создании трехмерной модели трубопровода и его разбиении на конечные объемные элементы, приложении нагрузок и ограничений к элементам (рисунок 1), расположенным на границе модели (задание граничных условий), а также в решении систем уравнений, описывающих взаимодействие полученных элементов. Объемные конечные элементы обычно представляют собой тетраэдры с узлами, расположенными в вершинах (рисунок 1 а) или в вершинах и серединах ребер (рисунок 1 б), применя-
а
Рис. 2. Перемещение типа осадки: а - общий вид; б - схема
ются при расчете трехмерных объемных моделей объектов [1].
В настоящее время одной из самых широко распространенных систем конечно-элементного анализа является ANSYS. Данный программный продукт широко в сфере автоматических инженерных расчётов, решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций.
Из механики грунтов известно, что полностью водонасыщенный грунт можно рассматривать как двухфазную систему, уплотняемость которой определяется отфильтровыванием воды из пор скелета грунта под воздействием уплотняющей нагрузки [3]. При этом, если рассматривать участок подземного прямолинейного газопровода уложенного в сухой грунт, то в этом случае вертикальное
перемещение (осадка) происходит в результате уплотнения грунта под трубой. Осадка в этом случае несущественна, так как давление на грунт, определяемое массой трубы, не превышает 0,5 Н/см2, и учитывать ее влияние на изменение положения газопровода по сравнению с первоначальным его положением нет необходимости. Если же поместить газопровод в слабый водонасыщенный грунт или на периодически затапливаемую территорию, то осадка грунта определяется в предположении уплотнения грунта под трубой, уплотняемость которого определяется отфильтро-выванием воды из пор грунта под воздействием нагрузки. Предельная осадка газопровода Snp (рис.
2, показана пунктирной линией) называется стабилизированной.
Если бы слабый грунт равномерно распределялся по всей длине газопровода, то и осадка была
Рис. 3. Расчетная схема газопровода
бы по всей длине одинакова. Однако на практике наиболее характерно чередование слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несущей способностью. На последних, как уже отмечалось, осадка практически равна нулю. В середине участка слабого грунта осадка могла бы достичь предельного значения Snp. Газопровод на участке I изгибается, как показано на рисунке 2 а. Поскольку удлинение труб возможно только вследствие их растяжения на участке I и прилегающих к нему участках и 12, то в трубах появ-
ляется растягивающая продольная сила Р (рисунок 2 б) и участок I начинает работать как жесткая нить. Реакции в жесткой заделке Qo и возникающие от них опрокидывающие моменты Mo взаимно компенсируются. Действительная осадка S оказывается существенно меньше Snp [3]. В трубах появляются напряжения от продольной силы, изгиба под действием давления вышележащего грунта, веса самой трубы с изоляцией и перекачиваемого продукта, действующего внутреннего давления и температурного перепада стенок тру-
A: Static Structural (ANSYS)
Equivalent Stress
Type: Equivalent (von-Mises) Stress Unit: Pa Time: 1
09,11.2011 16:48
xfNms
0,750
2,250
Рис. 4. Эпюра эквивалентных напряжений, возникающих в газопроводе при осадке
обводненного грунта
A: Static Structural (ANSYS)
Total Deformation Type: Total Deformation Unit: m Time: 1
ANSYS
'I r
09.11,2011 16:58
— 0,20299 Мах
— 0,18043
— 0,15788
— 0,13532
0,11277
0,090217
0,067662
0,045108
0,022554
0 Min
1,750 5,250
Рис. 5. Деформации, возникающие в газопроводе при осадке обводненного грунта
бы.
Для исследования НДС и получения эпюр и установления диапазона изменения численных характеристик процессов, влияющих на деформацию, проводится расчет напряжений (на прочность), возникающих при осадке газопровода, с помощью программного продукта ANSYS, была создана трехмерная объемная модель участка газопровода (трубы) со следующими параметрами:
- наружный диаметр - 530 мм;
- толщина стенки трубы - 11 мм;
- длина - 12 м;
- рабочее давление - 9,0 МПа.
Газопровод изготовлен из стали 17Г1С со следующими механическими характеристиками:
- предел кратковременной прочности св - 490 МПа;
- предел текучести для остаточной деформации ст - 350 МПа [2].
На газопровод, кроме рабочего давления, действуют следующие нагрузки:
- распределенная нагрузка от веса самой трубы с изоляцией, перекачиваемого газа и давления вышележащего грунта - qобщ (масса трубы 3,1 т);
- распределенная нагрузка от давление грунта снизу на газопровод - qгр.
Расчет нагрузок, действующих на газопровод, рассчитываются согласно [4]. Расчетная схема представлена на рис. 3.
Принимаемые допущения соответствуют наиболее простому из возможных вариантов взаимодействию трубы и контактирующего с ней грунта:
- жесткая заделка по краям введена в схему для предотвращения перемещений по оси Х в начале и конце участка трубы, с системе ANSYS это реализовано в виде приложения граничных условий к торцам трубы;
- давление грунта на трубу снизу принято 20% от действующей нагрузки сверху [5];
- не учитывается изменение геометрии трубы вследствие изменения температуры.
Полученная эпюра эквивалентных напряжений Мизеса представлена на рис. 4.
Из эпюр видно, что максимальные эквивалентные напряжения возникают на середине участка трубопровода и достигают 320 МПа. Также высоконагруженными являются концевые участки газопровода в местах приложения граничных условий по торцу трубы.
На рис. 5 представлены эпюра деформации участка газопровода при осадке обводненного грунта.
Из эпюры видно что максимальная деформация при данных нагрузках будет иметь место на среднем участке газопровода и будет достигать значения в 203 мм.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
- максимальные значения эквивалентных напряжений по Мизесу, возникающих при осадке газопровода, может достигать величин, близких к предел текучести для остаточной деформации материала газопровода, что совершенно неприемлемо с точки зрения возможности эксплуатации газопровода приданных условиях и нагрузках;
- величина эквивалентных напряжений по Мизесу переменна по длине газопровода. Участки газопровода, расположенные в зоне перехода слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несущей способностью не несут существенных нагрузок;
- полученные результаты не дают полную картину для принятия проектного решения, в связи с ем необходимо детальные исследования напряженно-деформированного состояния газопровода с учетом физико-механических свойств грунта и их взаимодействия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бегляков В.Ю., Аксенов В.В. Поверхность забоя при проходке горной выработки геоходом: монография / В.Ю. Бегляков, В.В. Аксенов // Издательство: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Heinrich-Böcking-Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Germany. 2012. - 139 с.
2. Марочник стали и сплавов URL: http://www.splav.kharkov.com (дата обращения 5.08.2012).
3. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство). -М.: Недра, 1982, 384 с.
4. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. - М: ГУП ЦПП, 1997.
5. Димов Л.А. Деформационная способность грунтов и расчет подземных МГ // Газовая промышленность - 2008 №2 - С.82-85.
□ Авторы статьи
Бурков Петр Владимирович. докт.техн.наук, проф. . каф. общей электротехники и автоматики (Томский гос. архитектурно-строительный университет). Email: [email protected]
Буркова Светлана Петровна, доцент каф. начертательной геометрии и графики (Национальный исследовательский Томский политехнический университет). Email: [email protected].
Тимофеев Вадим Юрьевич, доцент каф. горно-шахтного оборудования (Юргинский технологический институт (филиал) НИ ТПУ, Email: [email protected]
Калмыкова Ксения Георгиевна, магистрант. Национального исследовательского Томского политехнического университета. Email: [email protected].
