Механические напряжения и перемещения трубопровода на участках речных подводных переходов мг Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

УДК 622.691.4

А.А. Филатов, генеральный директор, ДОАО «Оргэнергогаз»

МЕХАНИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА НА УЧАСТКАХ РЕЧНЫХ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МГ

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований механических напряжений и перемещений трубопровода на участках речных подводных переходов МГ. Данные исследований последнего времени дополнены результатами новой серии расчетов напряженно-деформированного состояния подводного трубопровода с применением метода конечных элементов (МКЭ). Рассмотрены нормативные и не учитываемые в нормах нагрузки, распределенные как по внутренней, так и по внешней поверхностям трубопровода. Показана возможность определения таких комбинаций значений параметров трубопроводного транспорта, конструкции перехода и условий его эксплуатации, при которых возможность перемещений трубопровода в процессе эксплуатации минимизируется. Предложено техническое решение, практическое применение которого значительно повысит безопасность эксплуатации речных подводных переходов с полностью размытыми участками большой протяженности.

Технология проектирования и эксплуатации сложной технической системы основана на действующей нормативной базе - номенклатуре нормируемых показателей с диапазонами их допустимого изменения. Каждый из нормируемых показателей является количественной характеристикой определенной составляющей общего технологического процесса, а его предельно допустимые значения определяются по принятой математической модели, формализующей рассматриваемый процесс. Чтобы найти условия эксплуатации, отвечающие минимальным рискам потери системой работоспособности, необходимо проанализировать весь набор нормируемых показателей и допустимые значения их изменения.

Большой объем ремонтных работ на подводных переходах магистральных газопроводов в значительной мере связан с изменением пространственного положения трубопровода в процессе эксплуатации. Количественной характеристикой, определяющей данный механический процесс, является напряжение материала стенки трубы. Факты непроектного перемещения трубопровода на стадии эксплуатации говорят о различиях нормативного и претерпеваемого трубопроводом фактического напряжения. Для понимания происхождения этих различий необходимы комплексные теоретические и экспериментальные исследования взаимосвязи перемещений и напряженно-деформированного состояния трубопровода.

Рассчитываемое значение напряжения зависит от используемой математической формализации - уравнения движения, набора учитываемых процессов и сил,численных значений параметров и диапазона их изменения. Для корректного исследования напряжения недостаточно применения нормативной математической формализации. В расчетной модели необходимо отразить реальные условия эксплуатации подводного перехода.

В нормах [1, 2] в явном виде учитываются следующие факторы, влияющие на изменения нормативных кольцевых оНКЦ и максимальных продольных аНПР напряжений:

• нормативное (рабочее) давление транспортируемого потока; норматив-

ное напряжение рассчитывается для идеально прямого бесконечно длинного трубопровода со свободным внутренним сечением;

• расчетный температурный перепад М; нормативное напряжение соответствует напряженному состоянию тонкой пластинки постоянной толщины, вызванному равномерным изменением температуры по координатам 0 и z в цилиндрической системе координат;

• упругий изгиб; нормативное напряжение соответствует напряженному состоянию трубопровода-балки при статическом упругом изгибе.

Используемые при этом предельные значения нормативных напряжений призваны не допустить:

• нарушения сплошности стенки трубы; расчетная толщина стенки трубы определяется на основе сопротивления на разрыв;

• пластических деформаций; допустимая в процессе эксплуатации деформация трубопровода ограничивается упругой зоной.

В пределах же зоны упругой деформации исключить непроектное перемещение должно выполнение условия общей устойчивости трубопровода в продольном направлении в плоскости наименьшей жесткости. Для данного механического процесса количественной нормируемой величиной принято эквивалентное продольное осевое усилие в сечении трубопровода

S = Опр.^ (1)

где Р - площадь кольца поперечного сечения трубы, стпр -продольное напряжение, равное

Опр = (0,5 - м).онкц - а.Е.Д^ (2)

Из (2) следует, что эквивалентное продольное осевое усилие учитывает:

• продольное напряжение прямого трубопровода 0,5^НКЦ, возникающее при наличии заглушенного конца трубопровода;

• вызванную нормативным давлением составляющую нормативного продольного напряжения р.оНКЦ (р - коэффициент Пуассона);

• вызванную расчетным температурным перепадом М составляющую нормативного продольного напряжения - а-Е^ (а - коэффициент линейного расширения металла трубы, Е - модуль Юнга).

Предельным значением эквивалентного продольного осевого усилия принимается продольное критическое усилие. Согласно приведенной в [3] системе уравнений движения, обобщающей весь класс нормативных деформаций пространственного трубопровода с транспортируемым потоком, указанные в нормах [1, 2] нагрузки являются лишь частью фактических воздействий на трубопровод. Именно вызванное дополнительной (не учитываемой в [1, 2]) нагрузкой напряжение отличает фактическое общее напряжение от нормативного и является причиной непроектного перемещения трубопровода. Исследование напряжения, вызванного не рассмотренными в [1, 2] нагрузками, должно определить:

WWW.NEFTEGAS.INFO

- диагностика состояния электрооборудования,

- определение уровня жидкости в резервуарах,

- поиск энергопотерь и т.д

Тепловизор1еБ1о 875 -

99 ООО руб. за комплект (с НДС)!

Российское отделение testo (Германия) -ООО «Тэсто Рус»

Тел.: +7 (495) 221-62-13; Факс: +7 (495) 221-62-16; E-mail: info@testo.ru; www.testo.ru/teplovizor

• условия эксплуатации, в которых возможно непроектное перемещение трубопровода;

• диапазон возможного изменения напряжения и определяющих его параметров;

• принципы проектирования и технического обслуживания подводных переходов, обеспечивающих устойчивость проектного положения подводного перехода.

Прямое влияние на величину этого напряжения оказывают не только нагрузки, распределенные по внутренней и внешней поверхностям трубопровода, но и особенности конструкции речного подводного перехода.

напряжение и параметры конструкции перехода

Пространство параметров нагружения, определяющего напряжение трубопровода на участке подводного перехода, является объединением пространств параметров, характеризующих технологический режим, конструкцию перехода, условия его монтажа и условия эксплуатации [4].

Распределенная по внутренней поверхности трубы дополнительная к [1, 2] нагрузка со стороны транспортируемого потока является функцией комбинации численных значений набора параметров

{р,0Онх5н,5^}=

={р}и{0Онх8н,а2^}, (3)

где р - давление транспортируемого потока; Dн и 5н- внешний диаметр и толщина стенки трубы; у^Д) - функция перемещения трубопровода; s - пространственная координата, направленная вдоль оси трубы; t - время.

Таким образом, пространство параметров нагружения (3) является объединением пространств технологического режима {р} и конструкции перехода

тхб,52^}.

Как было отмечено выше, нормативные напряжения от давления транспортируемого потока рассчитываются для прямого трубопровода, для которого выполняется условие

В [5, 6] изучено влияние параметра пространственной конструкции перехода

5гу(Б X)

05*

на продольное напряжение. Исследования проводились для перехода (0 720x11,3 мм), выполненного с использованием гнутых вставок, при постоянном значении давления (7 МПа). Результаты исследования показывают, что не учитываемое нормами [1, 2] продольное напряжение:

• имеет абсолютный (80% рассчитанного по нормам аНКЦ) и локальные максимумы при изменении величины параметра

дьг

в широком диапазоне;

• может превышать предельно допустимый уровень и приводить к непроектному перемещению трубопровода в широком диапазоне изменения параметров конструкции перехода;

• может иметь небольшое значение и не приводить к непроектному перемещению трубопровода также в широком диапазоне изменения параметров конструкции перехода.

Такой расчетный анализ позволяет путем подбора параметров конструкции перехода минимизировать вклад не учитываемого в нормах продольного напряжения.

напряжение и давление транспортируемого газа

В [7] представлены результаты экспериментального и теоретического исследований влияния изменения давления транспортируемого газа на напряжение трубопровода (0530x8 мм) речного подводного перехода, выполненного без использования гнутых вставок. Измерения зафиксировали неравномерное и знакопеременное распределение перемещений трубопровода в вертикальной плоскости при сбросе давления с 4,8 МПа до 0. Этот экспериментальный факт никак не может быть объяснен на основе расчета продольного напряжения по действующим нормам. Действительно, при указанных изменениях давления

рассчитанное изменение нормативного продольного напряжения (45,3 МПа) должно быть одинаковым по всей длине трубопровода. Однако наблюдавшееся в эксперименте распределение перемещений трубопровода в виде «волны» [7] говорит о том, что фактическое продольное напряжение существенно отличается от нормативного. Это отличие является следствием невыполнения условия (4) - трубопровод не являлся прямолинейным. В этих условиях играют значительную роль изгибающие напряжения, дающие вклад в общее продольное напряжение трубопровода. Расчеты распределения полного продольного напряжения по системе уравнений [3] не только хорошо коррелируют с результатами измерения перемещений трубопровода, но и позволяют обоснованно судить о механизме формирования реального напряженного состояния трубопровода, приводящем к его перемещениям.

напряжение и нагрузка, распределенная по внешней поверхности трубопровода

Перемещения в процессе эксплуатации под действием распределенной по внутренней поверхности трубопровода нагрузки наряду с русловыми процессами могут способствовать размыву перехода и образованию свободных пролетов. При этом трубопровод оказывается под воздействием дополнительной распределенной по его внешней поверхности нагрузке со стороны обтекающего водного потока.

На свободный пролет действуют следующие нагрузки: сила тяжести трубопровода с изоляцией, футеровкой, балластирующими устройствами, архимедова выталкивающая сила, не учитываемая в нормах дополнительная подъемная сила, возникающая из-за разности скоростей в потоках над верхней и под нижней образующими трубопровода [8], сила упругой реакции трубопровода и сила давления водного потока. Интенсивность балластировки должна обеспечить компенсацию плавучести трубопровода, однако, как показано в [8], при расчетах балластировки с учетом указанной дополнительной подъемной силы незначительная плавучесть единицы длины снаряженного трубопровода сохраняется.

рис. поперечное сечение утяжелителя-обтекателя трубопровода в рабочем положении. 1- трубопровод; 2 - кольцевой утяжелитель; 3 - верхняя консоль; 4 - нижняя консоль; 5 - гибкая тяга

Совершенно нескомпенсированной остается сила q давления водного потока

q=0,5.С.yв.v2.D.L, (5)

где С - коэффициент лобового сопротивления трубопровода; ув - плотность воды;D - диаметр трубопровода с утяжелителями; V - скорость течения реки на глубине нахождения трубопровода; L - длина свободного пролета.

Под воздействием некомпенсированных в горизонтальной и вертикальной плоскостях сил формируется напряженное состояние свободного пролета трубопровода, приводящее в определенных условиях к его перемещению (изгибу).

В работе [9] по нормативной модели трубопровода-балки выполнены расчеты напряжений и перемещений как функций длины свободного пролета и определены критические протяженности и радиусы кривизны для трубопроводов 01220х12,9 мм и 01420х18,7 мм с утяжелителями 2-УТК-24-2. В порядке развития и обобщения этих результатов в [10] получена простая приближенная зависимость Цф-О^'ЮУОб,, и построены карты-номограммы критических протяженностей 1_кр свободных пролетов как функции диаметра D и толщины 5н стенки трубы для практически мак-

симальной скорости течения реки V = 3 м/сек. Полученные для широкого сортамента труб от 0500х5 мм до 02000х25 мм номограммы в двумерном и трехмерном изображениях являются полезным справочным материалом по критическим длинам полностью размытых участков речных подводных переходов.

Новая серия расчетов, основанных на методе конечных элементов (МКЭ), являющемся наиболее современным стандартом при решении подобных задач, привела к аналогичным результатам в распределении напряжений и изгибных перемещений на свободных пролетах критических длин подводных трубопроводов рассмотренных типоразмеров.

Данные этих расчетов показали, что протяженные свободные пролеты речных подводных переходов вследствие воздействия водного потока претерпевают значительные напряжения и деформации. Повлиять на такую ситуацию и ослабить деформирующее воздействие водного потока на свободные пролеты можно путем уменьшения лобового сопротивления оснащенного утяжелителями подводного трубопровода.

Предложено и защищено патентом «Утяжелитель-обтекатель трубопровода» техническое решение, отвечающее этой цели [11]. В разработанной кон-

Компания АКРУС® - российский разработчик и производитель противокоррозионных защитных лакокрасочных материалов марки АКРУС®, спициального и промышленного назначения.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:

• Нефтехимическая индустрия

• Нефтегазодобывающая промышленность

• Судостроение

• Машиностроение

• Мостостроение

• Гражданское строительство.

Срок службы покрытий не менее 15-2D лет в зависимости от категории коррозионности окружающей среды, что подтверждено испытаниями профильных институтов. Материалы марки АКРУС® отличаются значительной износо- и атмосферостойкостью к различным погодным условиям и экологическим воздействиям,разработанные с использованием инновационных технологий в соответствии со стандартами ISO, ASTM, ГОСТ РФ

Мы производим только защитные покрытия. Это позволяет нам концентрироваться на особенностях их изготовления и потребления.

0 ISOIoob

117420, г. Москва, ул. Намёткина, д. 10Б Тел./факс: +7 (495) 363-56-69 e-mail: info@akrus-akz.ru www.akrus-akz.ruwww.aKpyc.p41

WWW.NEFTEGAS.INFO

струкции на цилиндрической поверхности кольцевого утяжелителя закрепляются два листа упругого материала. Листы образуют верхнюю и нижнюю консоли, фиксируемые в исходном положении так, что упругодеформированная нижняя консоль прилегает к поверхности утяжелителя, а упругодеформированная верхняя консоль - к наружной поверхности нижней консоли. Фиксация консолей в исходном положении при закладке трубопровода в траншею осуществляется с помощью гибкой тяги. При размыве грунта под утяжелителем гибкая тяга освобождается, вслед за этим обе консоли освобождаются от упругой деформации, и конструкция переходит в рабочее положение (см. рис.).

При этом поперечное сечение трубопровода с утяжелителем приобретает каплевидную форму, ориентированную вдоль водного потока, вследствие чего значительно (в 5-10 раз) снижается нагрузка на размытый трубопровод со стороны водного потока.

Применение утяжелителей-обтекателей позволит существенно повысить без-

опасность эксплуатации речных подводных переходов с протяженными свободными пролетами.

заключение

1. Фактическое (сумма нормативного и не учитываемого нормами) напряжение трубопровода на участке речного подводного перехода зависит от комбинации численных значений характеристик технологического режима трубопроводного транспорта, конструкции перехода и условий его эксплуатации. Оно может превысить предельные допустимые значения и привести к непроектному перемещению трубопровода.

2. Расчет фактического напряжения по системе уравнений [3] дает возможность определить такие комбинации численных значений названных характеристик, при которых вероятность непроектного перемещения трубопровода минимизируется. Определение таких комбинаций позволяет уточнить вводимый в рассмотрение достаточный набор нормируемых по-

казателей с допустимым диапазоном их изменения и, как следствие, исключить на стадии проектирования возможность перемещений подводного трубопровода.

3. Анализ напряженно-деформированного состояния свободных пролетов под нагрузкой со стороны водного потока, проведенный по нормативной модели трубопровода-балки и методом конечных элементов (МКЭ), указал на возможность значительных изгибных перемещений трубопровода. Для ослабления воздействия водного потока на размытый трубопровод разработан утяжелитель-обтекатель, применение которого значительно снизит риски эксплуатации речных подводных переходов с протяженными свободными пролетами.

4. Результаты данных исследований могут служить основой при разработке новых нормативных документов по проектированию и техническому обслуживанию речных подводных переходов.

Литература:

1. Строительные нормы и правила (СНиП) 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы/ Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 52 с.

2. Строительные нормы и правила (СНиП) 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы/Минстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1997. - 60 с.

3. Велиюлин И.И., Поляков В.А., Велиюлин Э.И. и др. Унификация технологических и конструкционных параметров подводных переходов МГ// Газовая промышленность, № 9, 2009. - с. 63-65.

4. Велиюлин И.И., Поляков В.А., Велиюлин Э.И. и др. Анализ процессов перемещения трубопроводов на участках подводных переходов МГ// Газовая промышленность, № 4, 2010. - с. 70-72.

5. Филатов А.А., Велиюлин И.И., Поляков В.А. и др. Принципы формирования проектных решений по унификации конструкции подводных переходов МГ// Газовая промышленность, № 8, 2010. - с. 70-72.

6. Филатов А.А., Велиюлин И.И., Поляков В.А. и др. Конструкционные особенности и НДС речных подводных переходов магистральных газопроводов// Материалы V Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов 2010» (г. Туапсе, 4-9 октября 2010 г.) - М.: ООО «Газпром экспо», 2011. - 464 с. - с. 301-307.

7. Филатов А.А., Велиюлин И.И., Поляков В.А. и др. Особенности перемещения трубопровода на участках речных подводных переходов магистральных газопроводов под воздействием давления газа// Территория НЕФТЕГАЗ, № 5, 2011. - с. 72-75.

8. Алимов С.В., Велиюлин И.И., Велиюлин Э.И. и др. Расчет плавучести магистральных газопроводов на речных подводных переходах// Газовая промышленность, №2, 2009. - с. 33-36.

9. Филатов А.А., Велиюлин И.И., Добров А.С.и др. Формирование напряженно-деформированного состояния свободного пролета речного подводного перехода магистрального газопровода// Территория НЕФТЕГАЗ, № 8, 2010. - с. 78-79.

10. Филатов А.А., Велиюлин И.И., Добров А.С. и др. Номограммы предельных протяженностей свободных пролетов на участках речных подводных переходов МГ// Территория НЕФТЕГАЗ, № 8, 2010. - с. 78-79.

11. Филатов А.А., Велиюлин И.И., Васильев Н.П. и др. Утяжелитель-обтекатель трубопровода. Патент №103885, 2011 г.

Ключевые слова: подводный переход, напряжение стенки трубы, свободный пролет, нормируемые параметры, перемещение трубопровода, балластировка.

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ КАК ВИД ИСКУССТВА

Анодные заземлители «Менделеевец»

* лауреат премия ОАО «Газпром» в области науки и техники;

* продукция включена в Реестры оборудования ОАО «Газпром» и ОАО «АН «Трэненефть*

* полный цикл производства на новейшем оборудовании из Германии и Италии,

* 100 % готовность к манта чу

Приборы и оборудование для диагностики

* оборудование внесено е Единый Государственный реестр средств измерений;

• предназначено для контроля параметров ЭХЗ и диагностики состояния систем противокоррозионной защиты подзем ны* трубопроводов;

» многофункциональность, надежность и удобегйо б эксплуатации и обслуживании

Услуги по диагностике трубопроводов

* выполнение работ в полном соответствии с Регламентом и действующей нормативной документацией и требованиями За кап чи ка;

* аттестованная лабораторий нераэрушающего контроля по виэуально-измеригольному контролю, магнитометрии, УЗК и ЭХЗ

г. Новомосковск ул. Свободы, 9 +7 [43762] 2-14-77 е-ппаіі: зс1т@сЬ-$,ги

ХИМСЕРВИС

шадш.хиж@ршш;.сот

на правах рекламы