CC BY
28
© Д.Ю. Чернявский, П.В. Бурков, С.П. Буркова, 2012
Д.Ю. Чернявский, П.В. Бурков, С.П. Буркова
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА НА ПРИМЕРЕ УЧАСТКА АЛЕКСАНДРОВСКОЕ — АНЖЕРО-СУДЖЕНСК
Проведено исследование напряженно-деформированного состояния участка магистрального нефтепровода «Александровское-Анжеро-Судженск» с использованием программного коплекса Ansys.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, нефтепровод, подводный переход, напряжения.
Развитие нефтегазовой промышленности на основе мощных трубопроводов и эксплуатация их в районах со сложными природными условиями поставили на повестку дня вопросы контроля и оценки прочности и работоспособности этих конструкций. При этом теоретические расчеты прочности магистральных нефтепроводов, закладываемые в проекты, являются ориентировочными, т.к. в принципе не могут учесть всех эксплуатационных факторов.
В России основной объем нефти добывается на северных месторождениях Западной Сибири, Ямало — Ненецкого автономного округа, Республики Коми, обширные территории которых заболочены. Магистральные нефтепроводы, поставляя нефть в центральные районы страны и на экспорт, пересекают водные преграды различной протяженности. Пересечение водных преград чаще всего решается путем строительства подводных переходов.
Подводные переходы магистральных нефтепроводов, несмотря на их сравнительно небольшой удельный вес в общем объеме строительства, относится к наиболее ответственным участкам этих сооружений. Поэтому к надежности подводных переходов предъявляются высокие требования, так как даже незначительные повреждения переходов с потерей герметичности приводят к тяжелым экологическим по-следствиям.[1]
Повышение надежности трубопроводов становится актуальной проблемой на всех этапах: проектирования, сооружения и эксплуатации трубопроводных систем. Весьма важно установить адекватность поведения сооруженного трубопровода под действием эксплуатационных и внешних воздействий расчетной схеме, принятой в нормах и правилах.
Магистральный нефтепровод «Александровское — Анжеро-Судженск» на своем протяжении пересекает 98 водных преград. Участок представляет собой незастроенную, заросшую смешанным лесом территорию вдоль трассы нефтепровода, расположенный на 208 км нефтепровода «Александровское — Анжеро-Судженск». Пойма реки широкая, ровная, заболоченная, представляет собой вытянутые чередующиеся между собой невысокие гривы и болота, покрытые кустарником багульника-тальника и березой средней густоты, вдоль русла отмечаются кустарниково-осоковый комплекс. Заболоченность составляет русла реки составляет 20 %, залесенность 90 %. Русло реки на участке подводного перехода извилистое, одно-рукавное, песчаное. Ширина русла в межень 10—15 м, глубина 1,5—2 м.
Целью данной работы является исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) подводного перехода заболоченного участка нефтепровода.
Расчет НДС трубопроводных конструкций, базирующийся на методах сопротивления материалов и строительной механики не позволяет провести адекватный анализ прочности трубопроводов топливно-энергетического комплекса с требуемой точностью, а в некоторых случаях может дать неверную качественную картину НДС конструкции. В настоящее время интенсивное развитие получают численные методы, позволяющие значительно расширить класс и постановку решаемых задач за счет более полного учета реальных условий нагружения и свойств используемых материалов. Среди этих методов наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). К достоинствам МКЭ следует отнести и минимум требований к исходной информации, и оптимальную форму результатов. Учет температурного влияния и работы конструкции не вносит в реализацию метода принципиальных затруднений.
Анализ конструкций с использованием МКЭ является в настоящее время фактически мировым стандартом для прочностных и других видов расчетов конструкций. Основой этого служит универсальность МКЭ, позволяющая единым способом рассчитывать различные конструкции с разными свойствами материалов. Информация, полученная в результате оценки НДС трубопроводов, 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. [2—3]
Диаметр исследуемого нефтепровода 1220 мм, рабочее давление 3,7 МПа. Нефтепровод проходит через заболоченный участок. Характеристика материала трубы: сталь 13ГС со следующими механическими характеристиками ст вр = 510МПа ,
стт = 335МПа .[4—5] На нефтепровод, кроме рабочего давления, действуют следующие нагрузки: распределенная нагрузка от веса самой трубы с изоляцией и перекачиваемой нефти — я, выталкивающая сила воды — яв, гидростатическое давление — ягид. В расчетах приняты допущения об отсутствии нагрузок, действующих в зимний период и температурного влияния на нефтепровод.
Расчетная схема представлена на рис. 1 и представляет собой место перехода нефтепровода из грунта в воду.
Результаты расчета представлены на рис. 2 и 3.
Рассчитав исследуемый участок нефтепровода, проверим соответствие расчета модели в Ашуэ общепринятым. Для этого используем созданную модель участка нефтепровода. Приложим только расчетное давление и произведем расчет по кольцевым напряжениям.
Рис. 1. Расчетная схема нефтепровода
Рис. 2. Расчетные напряжения по Мизесу на исследуемом участке
Рис. 3. Суммарные перемещения
Результаты расчета приведены на рис. 4. Максимальные кольцевые напряжения участка нефтепровода под действием расчетного давления по методу конечных элементов ст_ = 191МПа.
Рис. 4. Кольцевые напряжения в нефтепроводе
Кольцевые напряжения по расчету ст рас = 180 МПа
Погрешность расчета:
ст -ст 101 _ 180 Д = _шсл-рас^ . 100% = 191 _ 180 . 100% = 5, 7%
ст
191
(1)
Рис. 5. Распределение напряжений по длине нефтепровода
1.1 II 11.1 Н |ф I -1> [11 'К ЩИ щ
Рис. 6. Распределение суммарных перемещений по длине нефтепровода
Таким образом, принятая модель дает адекватный результат.
Распределение суммарных перемещений и напряжений, полученных в расчете, представлены на рис. 5 и 6.
Из полученных и представленных результатов можно сделать следующие выводы:
• наиболее опасное сечение нефтепровода находится в месте перехода из одной среды в другую; здесь наблюдаются максимальные напряжения, снижающие уровень надежности нефтепровода;
• суммарные перемещения переменны по длине трубы, и существенно зависят от действия распределенных нагрузок от веса самой трубы и перекачиваемой нефти, а также гидростатического давления и выталкивающей силы воды. Наиболее опасное сечение находится в центре нефтепровода.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шаммазов А. М., Мугаллимов Ф. М., Нефедова Н. Ф. Подводные переходы магистральных нефтепроводов. — М.: ООО «Нсдра-Бизнесцептр», 2000. — 237 с.: ил. — ISBN 5—8365—0049—5
2. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах [Текст]. — М.: Компьютер Пресс, 2002. — 224 с.
3. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справ.пособие. -М.: Машиностроение 1, 2004. — 512с.
4. Методические указания по освидетельствованию и индентификации стальных труб для газонефтепроводов. ВРД 39—1.11—014—2000.
5. Бурков П.В., Епифанцев К.В. Исследование напряженно-деформированного состояния верхнего перекрытия механизированной крепи МКЮ.2Ш-26/53 производства ООО «Юргинский машзавод» // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: Труды VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием — Юрга, ЮТИ ТПУ, 21—22 мая 2009. — Томск: Изд. ТПУ, 2009. — С. 637—640. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Чернявский Дмитрий Юрьевич — магистрант,
Бурков П.В. — доктор технических наук, профессор,
Буркова С.П. — кандидат технических наук, доцент, burkovpv@mail.ru,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
