Методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.692.4

МЕТОДИКА ВЕРОЯТНОСТНОГО АНАЛИЗА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

© 2011 И. А. Хохлова1, Л.М. Султанова2

1 ОАО «Гипровостокнефть», г. Самара 2 ФГУ «Институт проблем транспорта энергоресурсов», г. Уфа

Поступила в редакцию 07.04.2011

Предлагается методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов по первому предельному состоянию. Методика позволяет выполнить количественную оценку показателя безотказности трубопроводов при расчете на прочность.

Ключевые слова: трубопровод, прочность, надежность конструкции

Магистральные трубопроводы рассчитывают по методу предельных состояний. Проектируемые трубопроводы рассчитывают по первому предельному состоянию и согласно расчетам принимают, что наибольшее усилие, испытываемое трубопроводом, не должно превышать его несущей способности. Первым предельным состоянием называется такое, при достижении которого трубопровод теряет несущую способность или, что тождественно, способность сопротивляться приложенным к нему усилиям и разрушается. При расчете по первому предельному состоянию характеристикой несущей способности является временное сопротивление (предел прочности) металла труб. Расчетное сопротивление металла труб определяется с использованием ряда коэффициентов, которые должны обеспечить заданную надежность трубопровода, учитывая вероятностный характер нормативных характеристик.

К основным технологическим параметрам магистрального трубопровода относятся, в частности, наружный диаметр, Дн, мм и рабочее давление на выходе перекачивающей станции, Рраб., МПа. Оптимальный диаметр трубопровода определяется технико-экономическим расчетом. Толщина стенки трубопровода определяется расчетом с последующей проверкой его прочности, подверженности деформациям и общей устойчивости.

Магистральные нефтегазопроводы и нефтепродуктопроводы являются опасными производственными объектами. При их проектировании должен быть выполнен анализ

Хохлова Ирина Александровна, инженер. E-mail: [email protected]

Султанова Лилия Маратовна, аспирантка. E-mail: [email protected]

опасностей и оценка риска аварий, согласно ГОСТ Р 51901-2002 [5]. При этом, в частности, следует обеспечить: выявление опасностей и априорную количественную оценку риска с учетом воздействия поражающих факторов аварии на персонал, имущество и окружающую природную среду; выбор оптимальных проектных вариантов размещения и классификации трубопровода по категорированным участкам с учетом имеющихся факторов риска. Поэтому при расчете трубопроводов по первому предельному состоянию должна быть выполнена количественная оценка показателя безопасности. Для категорированных участков трубопровода следует дать качественную и количественную характеристику частоты нежелательных событий (отказов). Случайные события с частотой событий в год 10-1 - 10-2 в трубопроводах не допускаются. Маловероятные события с частотой события в год менее 10-3 включительно возможны на III, IV категорированных участках трубопровода. Неправдоподобные события с частотой события в год менее 10-5 включительно возможны на I, II категорированных участках трубопровода. Невероятные события с частотой события в год менее 10-8 возможны на В категорированных участках трубопровода.

Металлоемкость трубопровода должна быть обоснована технико-экономическим расчетом. Трубопроводы с более высокими прочностными характеристиками металла являются менее металлоемкими, но с высокой стоимостью. При выборе оптимальных проектных решений по определению толщины стенки трубопровода следует учитывать возможности максимального использования прочности металла. При этом создаваемое в трубопроводе максимальное кольцевое напряжение от рабочего

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №1(2), 2011

(нормативного) давления должно быть не более 0,75 отн, где отн - нормативное значение предела текучести металла, МПа. Нормативные сопротивления растяжению (сжатию) металла трубопровода и сварных соединений принимаются равными, соответственно минимальным значениям временного сопротивления - овн и предела текучести от.

Расчетное сопротивление растяжению (сжатию) С1 определяется по формуле

т

а1 =

К • К Н

■а

вр ■

(1)

где т - коэффициент условий работы трубопровода; К1 - коэффициент надежности по материалу; Кн - коэффициент надежности по назначению трубопровода. Численные значения этих коэффициентов приведены в табличной форме в СНиП* 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы».

Расчетная толщина стенки трубопровода 5 определяется по формуле

3 =

пРраб.• Дн

пРраб.• Де,

2(авр-У1 + пРраб) 2авр

VI

(2)

где п - коэффициент надежности по нагрузке, численное значение которого приведено в СНиП* 2.05.06-85; Двн. - внутренний диаметр трубы, мм; у - коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб, определяется расчетами по СНиП* 2.05.06-85 [2]. Увеличение толщины стенки труб при наличии продольных осевых сжимающих напряжений (у < 1) должно быть обосновано технико-

учитывающим кон-температуру транс-

к от) кольцевых напряжений от испытательного давления. При этом Вн = (К1пт)-1. Определяется расчетное значение овр. По нормам проектирования рассчитывается нормативная толщина стенки труб.

Выполняются расчеты коэффициентов К3, ир и устанавливается соответствующее значение вероятности безотказности, где К3 -коэффициент запаса работоспособности, равный отношению средних значений разрушающего и рабочего напряжений в металле трубопровода; ир - квантиль нормального распределения прочности и нагрузки [4]. Для приемлемого значения вероятности безотказности устанавливаются расчетным путем численные значения коэффициентов К3; т; К1. Проводится сравнительная оценка вариантов К1; т; овр;

5,

удовлетворяющих приемлемым значени-

ям вероятности безотказности участка трубопровода.

Для участков трубопровода категория В, I, II, III, IV устанавливаются приемлемые нежелательные события, как невероятные, неправдоподобные и маловероятные с частотой отказов р = 10-8, 10-5, 10-3 соответственно [5]. Численное значение квантиля нормального распределения ир следует определять по формуле [1, 4]:

ир =

1,645(К3 -1)

1 -

2

п +1

(V +1)0

где

К =■

экономическим расчетом, структивные решения и портируемого продукта.

Вероятностный анализ несущей способности трубопровода базируется на методе интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки трубопровода. Вероятностный анализ несущей способности проектируемого трубопровода основывается на сравнительной оценке конечного числа вариантов, т.е. прямого перебора и сравнения различных значений вероятности безотказности. При вероятностном анализе несущей способности участка трубопровода рекомендуется следующий порядок и последовательность операций:

Задаются показатели Дн; Рраб.; выбираются из возможных вариантов овр, от; К^ Кн; т; п; рассчитываются уь Вн, где Вн - нижняя граница коэффициента перегрузки, определяется как относительная величина (по отношению

т

К1 +1

1 +1

(3)

(4)

1 --

х =

К +1

1-

п +1

(5)

Вероятность безотказной работы соответствующая устанавливается по табличным данным квантиля нормального распределения.

Для определения толщины стенки проектируемого трубопровода используется расчетное сопротивление растяжению и сжатию металла:

а

н т

= М •а" =-

вр К • К

•а"

(6)

ч

н

где М - поправочный множитель для учета рассеяния разрушающего и рабочего напряжений

п

2

2

в металле трубопровода. Для расчета поправочного множителя М следует использовать следующую зависимость [1, 3, 4]:

М = -

1 + 1,64х н

m(1 + bnT) 1 + bnT

KiK з(1 + 1,64x k) (K1 + 1)KH

1 + 1 КнКз n

(7)

где Xk - коэффициент изменчивости прочности

X k = 0,61

1 -

2

К1 + 1 у

(8)

Xh - коэффициент изменчивости нагрузки

X k = 0,61

1 -

2

V

n + 1

(9)

пт - показатель пластичности металла,

Пт=01/0вр.

По результатам расчетов М устанавливаются допустимые значения К1, П1, пт соответствующие приемлемому значению вероятности безотказности проектируемого участка трубопровода.

Примеры расчетов.

Пример 1. Пусть К1 = 1,34; п =1,1; ш = 0,9; Кн = 1,0. Определить количественное значение вероятности безопасности. По формуле (4) Кз = 1,362. По формуле (5) Ъ = 3,05. По

формуле (3) ир = 2,93, чему соответствует вероятность безопасности 0,9983 или р = 1,7-10-3.

Пример 2. Пусть Ир = 5,61; р = 1-10-8, К1 = 1,34; = 1,1. Определить количественное значение коэффициента условий работы. По формуле (5) Ъ = 3,05. По формуле (6) К3 = 2,00. По формуле 4 ш = 0,61.

Выводы: разработанная методика позволяет выполнять расчеты на прочность и при этом определять ожидаемые значения частоты отказов участков трубопроводов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Султанов, М.Х. Вероятностно-статистический метод нормирования коэффициента надежности по материалу труб / М.Х. Султанов, И.А. Хохлова, В.А. Черникин // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. ИПТЭР. 2008. Вып. 4 (74). С. 71-74.

2. СНиП 2.05.06 - 85 Магистральные трубопроводы. - М.: 1985.53 с.

3. Хохлова, И.А. Метод граничных испытаний труб и трубопроводных сооружений / И. А. Хохлова, Л.М. Султанова // Проблемы и методы обеспечения надежности и безотказности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. науч.- практ. конф. 27 мая 2009 г. Уфа. 2009. С. 7783.

4. Султанов, М.Х. Долговечность магистральных нефтепродуктопроводов. - М.: Недра, 2005. 341 с.

5. ГОСТ Р 51901-2002 Управление надежностью. Анализ риска технологических систем. - М.: 2003. 13 с.

METHOD OF PROBABILITY ANALYSIS OF DESIGNED PIPELINES

BEARING CAPACITY

© 2011 I.A. Hohlova1, L.M. Sultanova2

1 OJSC "Gyrpovostokneft", Samara 2 FSE «Institute of Power Resources Transport Problems», Ufa

Method of probability analysis of designed pipelines bearing ability on the first limiting condition is offered. The method allows to execute quantitative estimation of pipeline reliability index under strength analysis.

Key words: pipeline, strength, structure reliability

Irina Hohlova, Engineer. E-mail: [email protected] Liliya Sultanova, Post-graduate Student. E-mail: [email protected]