CC BY
22
© И.С. Белых, П.В. Бурков, С.П. Буркова, 2012
И.С. Белых, П.В. Бурков, С.П. Буркова
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ГАЗОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИНЫ
Проведено исследование прочности полиэтиленовых газопроводов с использованием программного коплекса Ansys.
Ключевые слова: полиэтиленовый газопровод, нагрузки, трещина, напряжения.
Полиэтиленовые трубы для газопроводов предназначены для подземных газопроводов, транспортирующих горючие газы, предназначенные в качестве сырья и топлива для промышленного и коммунально-бытового использования. С каждым годом рынок полиэтиленовых труб растёт, применение полимерных материалов становится всё популярнее. Многие инженеры, проектировщики, строители считают, что пластиковая труба — самый удобный строительный материал для транспортировки газа. Они экономически выгодны, износостойки, что позволяет использовать их в несколько раз дольше, чем стальные аналоги. Затраты труда при использовании полиэтиленовых труб в строительстве газопроводов меньше в три раза, чем при монтаже аналогичных стальных конструкций [1].
Перспективной областью применения полиэтиленовых труб являются территории горных выработок с возможными деформациями поверхностей, вызванными подземной эксплуатацией месторождений. В этом случае полиэтиленовые трубы, применяемые для строительства газопроводов, не требуют дополнительных компенсаторов. Они обладают большой устойчивостью к динамическим нагрузкам, подтвержденной практическим опытом, полученным в сейсмически активных странах, где полиэтиленовые элементы подземной инфраструктуры городов подвергаются значительно меньшим разрушениям в случае сейсмической активности по сравнению с остальными, чугунными или полихлорвиниловыми [2].
Для сооружения промысловых трубопроводов в России используются преимущественно:
Трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД); полиэтилена высокого давления (ПВД); полипропилена (ПП);
и суспензионного поливинилхлорида (ПВХ); и стеклопластиков.[3]
Целью данной работы является определение условий обеспечивающих прочностные характеристики полиэтиленовых газопроводов для обеспечения их надежной и долговечной эксплуатации.
В процессе технологического цикла изготовления и эксплуатации трубопроводов из полимерных армируемых труб в них могут возникать нагрузки различного характера, которые в итоге приводят к формированию трещин и в дальнейшем к разрыву. Наиболее характерными являются нагрузки, связанные с технологическими режимами работы трубопровода. Во-первых, к ним относится расчетная квазистатическая рабочая нагрузка конкретного трубопровода. Во-вторых, в зависимости от применяемых насосов, задвижек в каждом трубопроводе могут возникать динамические нагрузки в виде импульсных, осциллирующих (в виде колебательных процессов движения жидкости в трубопроводе) и собственных колебаний жидкости на участке между запорными элементами [4].
Хрупкий разрыв сварных соединений полимерных материалов происходит, как правило, по шву и в зоне термического влияния, а также по границе грата с основным материалом, так называемой зоной сплавления [5], независимо от вида конструкции. Такой тип разрушения наблюдается в полиэтиленовых трубопроводах при длительном воздействии напряжений [6].
Образование трещины длиной а > 4,7 характеризует начало быстрого распространения трещин и в дальнейшем, приводящая к разрушению [7]. Размеры трещины: длина 1480,5 мм, глубина 3,2 мм. Трещина начинается в торцевой зоне. Целесообразнее рассматривать и брать в расчет трубопровод 3м, так как наибольшие напряжения и перемещения будут наблюдаться на данном участке трубопровода, а напряжения на остальном участке трубопровода будут изменяться не значительно, поэтому 370
Рис. 1. Расчетная схема полиэтиленового газопровода
Рис. 2. Расчетные напряжения без трещины
Рис. 3. Расчетные перемещения без трещины
Рис. 4. Распределение напряжений по длине газопровода
Рис. 5. Распределение напряжений на конкретном участке трубопровода
Рис. 6. Распределение суммарных перемещений по длине газопровода
этим участком можно пренебречь. Диаметр исследуемого газопровода 315 мм, толщина стенки 17,9 мм, рабочее давление 2,5 МПа, температура окружающей среды 0°С. Газопровод проходит над землей. Характеристика материала трубы: полиэтилен со следующими механическими характеристиками: ств = 33 МПа , стт = 21,6 МПа .На газопровод, кроме рабочего давления, действуют следующие нагрузки: распределенная нагрузка от веса самой трубы и перекачиваемого газа — ц[8]. Для решения нашей задачи расчётная модель в среде ДИБУБ представляет участок трубопровода определённой длины рассмотрим 2 модели [9]. Модель 1 — труба только введена в производство, на неё действуют нагрузки, указанные выше и без трещин, Модель 2 — на полиэтиленовой трубе образована трещина максимального размера.
Расчетная схема представлена на рис. 1.
9 = + яг = (0,92 • 10-3 • П-(оЪ - о2вн ).д) + (1) [2]
(10-2 • Р, • йВн) = 2,144 кН / м
На основании экспериментального результата, приведенного в статье, была получена другая модель 1.
Рис. 7. Расчетные напряжения с трещиной
Рис. 8. Расчетные напряжения с трещиной
Рис. 9. Расчетные перемещения с трещиной
Результаты расчета представлены на рис. 1 и 2. Распределение суммарных перемещений и напряжений, полученных в расчете, представлены на рис. 3, 4 и 5.
На основании экспериментального результата, приведенного в статье, была получена модель 2.
Результаты расчета представлены на рис. 6, 7 и 8.
Расчет показывает что, когда отсутствует трещина, напряженное состояние вполне соответствует техническим условиям (ГОСТ Р 50838—95) и может дать большие сроки службы трубопровода.
Распределение суммарных перемещений и напряжений газопровода с трещиной, полученных в расчете, представлены на рис. 9 и 10.
45
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1.75 2 2,25 2,5 2,75 3
Длина, м
Рис. 10. Распределение напряжений по длине газопровода с трещиной
25
г £
о
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3
Длина, м
Рис. 11. Распределение суммарных перемещений по длине газопровода с трещиной
В случае реальной эксплуатации трубопровода, на него действуют нагрузки, связанные с технологическими режимами работы трубопровода, приводящие к образованию трещин. При достижении критической поврежденности трубы, начинается устойчивый рост трещины, который приводит к дальнейшему разрушению. Расчётные напряжения превышают допустимые при образовании трещины максимального размера.
Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:
• на полиэтиленовом газопроводе без трещины максимальные напряжения будут приходиться на торцы трубы, суммарные перемещения существенно зависят от действия распределенных нагрузок от веса самой трубы и перекачиваемого газа, наиболее опасное сечение находится торцах полиэтиленового газопровода;
• на полиэтиленовом газопроводе с трещиной максимального размера опасное сечение находится в центре трещины, здесь наблюдаются максимальные напряжения, которые превышают предел прочности и, следовательно, ведут к разрушению. А максимальное перемещения будет на торце, на котором начинается трещина;
• полученные результаты подтверждают, что при образовании трещины длиной а > 4,7 <1, максимальное напряжение, действующее на трубопровод ст МАХ = 38,5 МПа будет превышать предел прочности ств = 33 МПа. Поэтому желательно избегать нагрузок, возникающих в полиэтиленовом газопроводе, которые приводят к образованию трещин и дальнейшему разрыву, на пример с помощью компенсаторов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Официальный сайт Полимер Строй Снаб. Полиэтиленовые трубы. Для газопроводов [Электронный ресурс] Режим доступа http://prok-plus.ru
2. Ноев H.A., Бочкарев-Иннокентьев Р.Н., Аммосов А.П. Моделирование длительной прочности полиэтиленовых газопроводов с учетом функциональных и нефункциональных воздействий // Газовая промышленность. — 2009. №4. — С. 61—63.
3. Промысловые трубопроводы и оборудование: Учеб. Пособие П81 для вузов / Ф. М.Мустафин, Л.И. Быков, А. Г. Гумеров и др. — М.: ОАО «Издательство «Недра»», 2004. — С. 57—62.
4. Клюпа А. Распределительные сети газа из полиэтиленовых труб в свете правовых положений Евросоюза // Газовая промышленность. — 2005. №6. — С. 93—94.
5. Гринюк В.Д., Шадрин АЛ, Золотарь СП. и др. Микроструктура качества стыковых сварных соединений полиэтилена // Автоматическая сварка. — 1990. — № 11. — С. 23—26.
6. Кашковская Е.А., Кайгородов Г.К. Очаги разрушения сварных соединений полиэтиленовых трубопроводов // Автоматическая сварка. -1975. — № 8. — С. 23—26.
7. ГОСТ Р 50838—95 Трубы из полиэтилена для газопроводов. Технические условия — 1995г.
8. СНиП 2.05.06—85* Магистральные трубопроводы. Технические условия — 1985г.
9. Бурков П.В., Буркова С.П., Вертинская О.В. Исследование силовых факторов системы среда — трубопровод // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011. — № 2. — С. 153—157. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Белых Ирина Сергеевна — магистрант,
Бурков П.В. — доктор технических наук, профессор, [email protected], Буркова С.П. — кандидат технических наук, доцент,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
