CC BY
18
© Т.В. Кононенко, П.В. Бурков, С.П. Буркова, 2012
Т.В. Кононенко, П.В. Бурков, С.П. Буркова
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА «НИЖНЕ-КВАКЧИНСКОЕ ГАЗОКОНДЕНСАТНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ — г. ПЕТРОПАВЛОВСК-КАМЧАТСКИЙ»
Приведен пример использования программного комплекса АМБУБ для расчёта напряженно-деформированного состояния участка магистрально газопровода с целью определения максимальных нагрузок и деформации. Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, газопровод, тектонический разлом, максимально допустимое напряжение.
Район прохождения трассы рассматривается как сопряжение вулканических, ледниковых, сейсмических, тектонических, эрозионных и других эндогенных и экзогенных процессов.
В соответствии с проектом магистральный газопровод «УКПГ-2 Нижне-Квакчикского газоконденсатного месторождения — АГРС г. Петропавловска-Камчатского» пересекает 31 активный тектонический разлом.
Климатические особенности Камчатки сопровождаются частым возникновением здесь особо опасных явлений погоды, к которым относятся ураганные ветры, обильные осадки, сильные и продолжительные метели, разливы рек.
Исходя из всех вышеизложенных особенностей района прокладки газопровода, в данной работе с помощью программного обеспечения ДИБУБ смоделированы условия для расчёта напряжённо-деформированного состояния участка газопровода, находящегося в траншеи и пересекающего активный тектонический разлом.
Исходные данные к расчёту
Назначение магистрального газопровода — транспорт природного газа;
Избыточное давление продукта — до 6.4 МПа;
Диаметр (наружный) трубопровода — 530 мм;
Прокладка участка газопровода — подземная;
Грунт в зоне прокладки — супесь;
Толщина слоя засыпки от верхней образующей трубы Ьо = 0,8 м;
Магнитуда землетрясения, при повторяемости раз в 1000 лет — 9 баллов;
Материал — сталь 10Г2ФБ;
Толщина стенки — 8 мм;
Предел прочности ов = 590 МПа;
Предел текучести от = 485 МПа;
Цель данного расчёта заключается в определении максимально допустимых напряжений в трубопроводе при его провисании в следствии нарушения целостности траншеи при совокупности таких явлений как землетрясение и ливневые паводки, то есть при наихудшем стечении обстоятельств. Как следствие, в ходе определения максимальных нагрузок, становиться известно максимально возможное расстояние пролёта провисания по длине трубопровода, выдерживающее нагрузки от веса трубы с продуктом и грунта по верхней образующей трубы, не имея опоры на грунт по нижней образующей.
Экстремальные условия работы элементов современных конструкций, сложность их формы и большие габариты делают исключительно дорогим осуществление натурного или полунатурного эксперимента, особенно, если речь идет об установлении предельных (разрушающих) нагрузок. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное математическое моделирование. Прогресс в разработке численных методов позволил существенно расширить круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники.
В анализе конструкций находит свое наиболее важное применение метод конечных элементов. Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, являются смещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных смещений в узлах сетки, определяются и другие важные параметры — такие как напряжения, упругая или пластическая деформация и пр. [1, 4]В настоящее время программным комплексом, в котором в наибольшей степени реализованы возможности МКЭ, является ДИБУБ.
Для решения нашей задачи расчётная модель в среде ДИ-БУБ представляет участок трубопровода определённой длины
с жёстко фиксированными торцами на обоих концах, так как мы предполагаем защемление трубопровода грунтом, и испытывающим нагрузки от внутреннего давления, веса материала самой трубы, веса перекачиваемого продукта и веса грунта. Необходимые значения соответствующих нагрузок находим согласно СНиП 2.05.06—85*. [2, 3, 5, 6]
Суммарная нагрузка в результате расчётов получается равной 24201,29 Н/м.
На рис. 1. показана расчётная схема, где ц — суммарная нагрузка, Ь — длина участка газопровода.
На рис. 2. показана модель нагружения участка газопровода в среде ДИБУБ [3].
После проведения программой расчётных действий получаем, что при длине пролёта провисания, равного 17 метрам трубопровод выдерживает испытываемые нагрузки без нарушения целостности при возникающих напряжениях в 481,35 МПа и максимальной деформации в виде провисания на величину 61,18 мм (рис. 3, 4).
Рис. 1. Расчётная схема
Рис. 2. Модель нагружения участка трубопровода
Рис. 3. Максимальное напряжение
Рис. 4. Максимальная деформация
Но уже при длине пролёта провисания в 18 метров (рис. 5, 6) максимальные напряжения, равные 527,61 МПа, превышают допустимые, равные пределу текучести от = 485 МПа, из чего можно сделать вывод, что на участке такой длины трубопровод будет разрушен. Максимальная деформация при этом равна 76,5 мм.
Рис. 5. Максимальное напряжение
Рис. 6. Максимальная деформация
График распределения напряжений по длине участка трубопровода показан на рис. 7, где Ртах = 526,61 МПа, от = 485 МПа.
На рис. 8. представлен график распределения напряжений по нижней образующей трубы на участке 300 мм от фиксированной заделки.
Длина участка, м
Рис. 7. График распределения напряжений
Длина участка, мм
Рис. 8. График распределения напряжений в близи фиксации трубопровода
90 80 70 60 50 40 30 20
0
0
Длина участка, м
10
2
3
4
5
6
10
11
12
15
16
17
Рис. 9. График перемещений трубопровода
На рис. 9. представлен график деформаций участка трубопровода, 5тах = 76,49 мм.
354
Заключение
При проведении расчётов с помощью программного комплекса ANSYS было установлено:
• предельная длина пролёта провисания участка газопровода при котором происходит разрушение составляет 18 метров;
• зона максимальных нагрузок расположена по нижней образующей трубопровода на границе защемления трубы грунтом и максимальное значение там достигает 526,61 МПа, превосходящие предел текучести;
• величина деформации равна 76,49 мм и наблюдается в сечении, расположенном ровно на середине рассматриваемого участка.
Математическое моделирование позволяет нам дать прогноз поведения технологического сооружения типа трубопровод в сейсмически активных районах прокладки при наихудшем развитии событий, произвести оценку воздействий и сделать необходимые выводы.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Применение метода конечных элементов в решении задач прикладной механики : учеб. — метод. пособие для студентов технических специальностей / А. О. Шимановский, А. В. Путято ; М-во образования Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. — Гомель : БелГУТ, 2008. — 61 с.
2. Строительные нормы и правила (СНиП) 2.05.06—85* «Магистральные трубопроводы».
3. Бруяка В.А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: Учеб. пособ. / В.А. Бруяка, В.Г. Фокин, Е.А. Солдусова, Н.А. Глазунова, И.Е. Адеянов. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. — 271 с.: ил.
4. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. — М. : Мир, 1984. — 428 с.
5. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Крас-ковского. — М.: Компьютер Пресс, 2002. — 224 с.
6. Бурков П.В., Буркова С.П., Вертинская О.В. Исследование силовых факторов системы среда — трубопровод // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, — № 2. — с. 153—157. i«srj=j
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кононенко Тихон Валерьевич — магистрант,
Бурков П.В. — доктор технических наук, профессор,
Буркова С.П. — кандидат технических наук, доцент, burkovpv@mail.ru,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
