CC BY
44
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
