Научная статья на тему 'Компьютерное моделирование прочностных характеристик полиэтиленовых газопроводов с учетом образования трещины'

Компьютерное моделирование прочностных характеристик полиэтиленовых газопроводов с учетом образования трещины Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
234
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛИЭТИЛЕНОВЫЙ ГАЗОПРОВОД / НАГРУЗКИ / ТРЕЩИНА / CRACK / НАПРЯЖЕНИЯ / STRESS / POLYETHILENE GAS-PIPELINE / LOADS

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Самохин Евгений Геннадьевич, Белых Ирина Сергеевна, Бурков Петр Владимирович, Буркова Светлана Петровна

В статье приводится исследование прочности полиэтиленовых газопроводов с использованием программного комплекса ANSYS. Определены условия, обеспечивающие достаточные прочностные характеристики полиэтиленовых газопроводов для профилактики разрывов под воздействием различных нагрузок и дальнейшей рациональной эксплуатации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Самохин Евгений Геннадьевич, Белых Ирина Сергеевна, Бурков Петр Владимирович, Буркова Светлана Петровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Computer simulation of strength characteristics of polyethilene gas-pipelines based cracking

The paper research strength of polyethilene gas-pipelines using software ANSYS. The conditions to ensure sufficient strength characteristics of polyethylene pipelines to prevent ruptures under various loads and further rational exploitation.

Текст научной работы на тему «Компьютерное моделирование прочностных характеристик полиэтиленовых газопроводов с учетом образования трещины»

УДК 622.692.4

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ГАЗОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИНЫ

Самохин Е. Г., Белых И. С., Бурков П. В., Буркова С. П.

В статье приводится исследование прочности полиэтиленовых газопроводов с использованием программного комплекса ANSYS. Определены условия, обеспечивающие достаточные прочностные характеристики полиэтиленовых газопроводов для профилактики разрывов под воздействием различных нагрузок и дальнейшей рациональной эксплуатации.

Ключевые слова: полиэтиленовый газопровод; нагрузки; трещина; напряжения.

Полиэтиленовые трубы для подземных газопроводов предназначены для транспортирования горючих газов, предназначенных 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 пластиковые трубы - 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 поли-

хлорвиниловыми [2].

Для сооружения промысловых трубопроводов в России используются преимущественно:

- трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД);

- полиэтилена высокого давления (ПВД);

- полипропилена (1111);

- суспензионного поливинилхлорида (ПВХ);

- 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 (колебательных процессов движения жидкости в трубопроводе) и собственных колебаний жидкости на участке между запорными элементами [4].

Хрупкий разрыв сварных соединений полимерных материалов происходит, как прави-

№ 2(34), 2014

49

ло, по шву и в зоне термического влияния, а также по границе грата с основным материалом, так называемой зоной сплавления [5], независи-

мо от вида конструкции. Такой тип разрушения наблюдается в полиэтиленовых трубопроводах при длительном воздействии напряжений [6].

q = q„ + qг

Образование трещины длиной а > 4,7d характеризует начало быстрого распространения трещин, в дальнейшем приводящих к

Рис. 2. Расчетные напряжения без трещины

сообразнее рассматривать и брать в расчет трубопровод 3 м, так как наибольшие напряжения и перемещения будут наблюдаться на

разрушению [7]. Рассмотрим пример. Размеры трещины: длина 1480,5 мм, глубина 3,2 мм. Трещина начинается в торцевой зоне. Целе-

Рис. 3. Расчетные перемещения без трещины

данном участке трубопровода, а напряжения на остальном участке будут изменяться незначительно, поэтому этим участком можно

а, МПа

а, м

пренебречь. Диаметр исследуемого газопро- ра окружающей среды 0 °С. Газопровод провода 315 мм, толщина стенки 17,9 мм, рабочее ходит над землей. Материал трубы - полиэти-давление в трубопроводе 2,5 МПа, температу- лен с механическими характеристиками: пре-

50

Известия Уральского государственного горного университета

дел прочности ов = 33 МПа, предел текучести при изгибе от = 21,6 МПа. На газопровод, кроме рабочего давления, действуют распределенные нагрузки q - от веса самой трубы дв и перекачиваемого газа q^ q = q„ + qj. [8]. Для решения нашей задачи рассмотрим две модели [9]. Расчетная модель в среде ANSYS представляет собой участок трубопровода определенной длины. В модели 1 труба только введена в производство, на нее действуют нагрузки, указанные выше, трещины отсутствуют, в модели 2 на полиэтиленовой трубе

образована трещина максимального размера. Расчетная схема представлена на рис. 1. Рассчитаем распределенную нагрузку:

0 = qB+qT = (0,92Л (Г3 4 (DH2 - D2 )• g) +

-4 (КТ2PdDв2н) = 2,144 кН/м,

где Dн - диаметр наружный, D - диаметр внутренний.

На основании экспериментальных данных была получена другая модель 1. Результаты расчета представлены на рис. 2 и 3.

а, МПа

Рис. 5. Распределение напряжений на конкретном участке трубопровода

Распределение суммарных перемещений Распределение суммарных перемещений

и напряжений, полученных в расчете, пред- и напряжений газопровода с трещиной, полуставлено на рис. 4-6. ченных в расчете, представлено на рис. 7-8.

Суммарные перемещения, м

а, м

Рис. 6. Распределение суммарных перемещений по длине газопровода

Расчет показывает, что при отсутствии трещины напряженное состояние вполне соответствует техническим условиям (ГОСТ Р 50838-95) и может сильно увеличить сроки

службы трубопровода.

В случае реальной эксплуатации трубопровода на него действуют нагрузки, связанные с технологическими режимами работы

№ 2(34), 2014

51

трубопровода, приводящие к образованию трещин. При достижении критической по-врежденности трубы начинается устойчивый рост трещины, который приводит к дальнейшему разрушению. Расчётные напряжения превышают допустимые при образовании

трещины максимального размера.

Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:

- на полиэтиленовом газопроводе без трещины максимальные напряжения будут приходиться на торцы трубы, суммарные пе-

о, МПа

Рис. 7. Распределение напряжений по длине газопровода с трещиной

ремещения существенно зависят от действия распределенных нагрузок от веса самой трубы и перекачиваемого газа, наиболее опасное сечение находится на торцах полиэтиленово-

го газопровода;

- на полиэтиленовом газопроводе с трещиной максимального размера опасное сечение находится в центре трещины, здесь

Суммарные перемещения, мм

Рис. 8. Распределение суммарных перемещений по длине газопровода с трещиной

наблюдаются максимальные напряжения, которые превышают предел прочности и, следовательно, ведут к разрушению. А максимальные перемещения будут на торце, на котором начинается трещина;

- полученные результаты подтверждают, что при образовании трещины длиной а > 4,7 d

максимальное напряжение, действующее на трубопровод omax = 38,5 МПа будет превышать предел прочности оВ = 33 МПа. Поэтому желательно избегать нагрузок, возникающих в полиэтиленовом газопроводе, которые приводят к образованию трещин и дальнейшему разрыву, например с помощью компенсаторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ список

1. ПолимерСтройСнаб. Полиэтиленовые трубы для газопроводов. URL: http://prok-plus.ru

2. Ноев Н. А., Бочкарев-Иннокентьев Р. Н., Аммосов А. П. Моделирование длительной прочности полиэти-

52

Известия Уральского государственного горного университета

леновых газопроводов с учетом функциональных и нефункциональных воздействий // Газовая промышленность. 2009. № 4. С. 61-63.

3. Промысловые трубопроводы и оборудование: учеб. пособие для вузов / Ф. М. Мустафин [и др.]. М.: 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. Микроструктура качества стыковых сварных соединений полиэтилена / В. Д. Гринюк [и др.] // 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. М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.

8. СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы. Технические условия. М.: Госстрой, 1986.

9. Бурков П. В., Буркова С. П., Вертинская О. В. Исследование силовых факторов системы среда - трубопровод // ГИАБ. 2011. № 2. С. 153-157.

Поступила в редакцию 19 марта 2014 г.

Самохин Евгений Геннадьевич - студент. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, Национальный исследовательский Томский политехнический университет. E-mail: bad-jeka@mail.ru Белых Ирина Сергеевна - магистрант. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.

Бурков Петр Владимирович - доктор технических наук, профессор кафедры сварочного производства. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.

Буркова Светлана Петровна - кандидат технических наук, доцент кафедры сварочного производства. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.

№ 2(34), 2014

53

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.