CC BY
150
622.692.23.075.4
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ АРМИРОВАННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
А.В. ХАБИБУЛЛИН, инженер производственного отдела
ПАО «АК ВНЗМ» (Россия, 450064, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Нежинская, Д.11/1)
А.С. ГЛАЗКОВ, к.т.н., доцент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ
Д.А. ГУЛИН, ассистент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ
М.Э. ДУСАЛИМОВ, к.т.н., доцент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: fatglas@mail.ru, E-mail: alba0426@mall.ru
Большими резервами повышения надежности нефтепромысловых трубопроводных систем, сокращения потребления стальных труб и снижения энерго- и трудозатрат при переукладке трубопроводов является применение пластмассовых труб. Ограничивающим фактором широкого применения коррозионно-стойких полиэтиленовых труб на нефтепромыслах является их относительно низкая несущая способность (рабочие давления транспортируемой среды не превышают 1,0 МПа). Для расширения областей применения полиэтиленовых труб при более высоких давлениях разработаны и применяются на нефтегазопромыслах комбинированные трубы с рабочим давлением до 4,0 МПа. К числу таких труб относятся полимерные армированные трубы ПАТ. Разработана трехмерная нелинейная модель механического поведения полимерных армированных труб, учитывающая параметры структуры, контактное взаимодействие, нелинейное деформирование компонентов. Модель позволяет исследовать напряженно-деформированное состояние ПАТ при различных условиях нагружения. Выполнено исследование влияния конструктивных параметров ПАТ на несущую способность трубопровода. Произведен расчет напряжений, возникающих в ПАТ различных диаметров при разных условиях нагружения.
Ключевые слова: модель, математическое моделирование, трубопровод, коррозия, полимерный армированный трубопровод, прочность.
М
еханическое поведение полимерных армированных труб изучалось как отечественными, так и зарубежными авторами с 70-х годов XX века.
Под руководством профессора В.И. Агапчева в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) была создана методика расчета на прочность трубопроводов, основанная на упругой модели поведения материалов [1-2].
Разработкой расчетных моделей для исследуемых конструкций, испытаниями занимался также коллектив авторов из ВНИИгаза и ВНИИСТа. Были разработаны три основные модели в упругой постановке:
1) модель бандажа,
2) модель двуслойного цилиндра,
3) модель погранслоя.
Для определения направлений дальнейшего совершенствования полимерных армированных труб (ПАТ), разработки новой номенклатуры и фасонных элементов, анализа отказов и рационального проектирования трубопроводов из ПАТ требуется проведение расчетно-эксперименталь-ных исследований, математического моделирования механического поведения и разработка методик прогнозирования несущей способности полимерных армированных труб и элементов трубопровода при различных условиях нагружения.
Для исследования линейной части труб ПАТ ввиду их пространственного армирования необходимо создание трехмерной расчетной схемы, учитывающей взаимодействие
всех элементов конструкции. Для этого сделано допущение: кольцевая арматура заменена системой колец, отстоящих друг от друга на одинаковом расстоянии. Тогда в конструкции линейной части трубы можно выделить повторяющийся элемент - ячейку периодичности. В качестве расчетной схемы достаточно (и рационально) рассмотреть четверть ячейки периодичности, включающей элементы продольной и кольцевой арматуры и участок полиэтиленовой матрицы (рис. 1) [3-5].
Для выбранной расчетной схемы принимается, что труба нагружается внутренним давлением р и осевым усилием N. Осевое усилие возникает в результате действия внутреннего давления на заглушки трубы при испытаниях.
Решение поставленной краевой задачи осуществлялось методом конечных элементов (МКЭ) в пакете ANSYS Workbench. Конечно-элементная модель построена с помощью тетраэдральных конечных элементов (КЭ) [6].
При создании конечно-элементной модели должна быть исследована зависимость решения от плотности сетки. Погрешность МКЭ помимо порядка используемых КЭ зависит также от размеров КЭ и соотношения их сторон. Для обеспечения высокой точности расчета необходимо применение сеток с малыми размерами КЭ, то есть с высокой степенью дискретизации и большим числом конечных элементов, что значительно увеличивает время счета и объем требуемой оперативной памяти. Выходом здесь может являться применение сеток с высокой степенью неоднородности.
| Рис. 1. Четверть пространственной ячейки периодичности
|Рис. 2. Конечно-элементная модель ячейки периодичности
трубы
Рис. 3. Эквивалентные напряжения по Мизесу (МПа) в кольцевой арматуре трубы ПАТ-160 при внутреннем давлении 1,2 МПа
|Рис. 4. Эквивалентные напряжения по Мизесу (МПа) в продольной арматуре трубы ПАТ-160 при внутреннем давлении 1,2 МПа
На рис. 2 приведен пример оптимальной сетки, выбранной по результатам оценки сходимости результатов и содержащей около 9-103 элементов (26-103 узлов).
На рис. 3-5 показаны результаты расчета: поля эквивалентных напряжений по Мизесу в полиэтиленовой матрице, кольцевой и продольной арматуре ПАТ-160 газового назначения при рабочей нагрузке 1,2 МПа. Сравнение полученных полей напряжений с соответствующими диаграммами для стальной проволоки и ПЭ показывает, что все элементы рассмотренных труб при рабочем давлении находятся в упругом состоянии. Аналогичные расчеты были проведены и для ПАТ-195 и ПАТ-270.
Дальнейшее увеличение давления для трубы ПАТ-160 до давления 6,7 МПа показало, что эквивалентные напряжения в некоторых областях кольцевой арматуры практически достигают предела временного сопротивления 725 МПа
(рис. 6). Для ПАТ-195 полученное аналогичное давление составляет 6,0 МПа, а для ПАТ-270 - 5,7 МПа.
Следует отметить, что для всех рассмотренных вариантов труб полиэтиленовая стенка сохраняет свою работоспособность до достижения предельного значения внутреннего давления. Переход в пластическое состояние полиэтилена отмечается лишь при прогнозируемом моменте разрушения проволоки.
Полученные в результате расчетов эквивалентные напряжения в матрице, продольной и кольцевой арматуре для различных типов исследованных труб газового назначения при различных нагрузках сведены в табл. 1.
Видно, что основным несущим элементом ПАТ при нагру-жении внутренним давлением является кольцевая арматура.
Значения предельного давления для различных типоразмеров труб, полученные по результатам численного
Рис. 5. Эквивалентные напряжения по Мизесу (МПа) в полиэтиленовой матрице трубы ПАТ-160 при внутреннем давлении 1,2 МПа
I
Рис. 6. Эквивалентные напряжения по Мизесу (МПа) в кольцевой арматуре трубы ПАТ-160 при внутреннем давлении 6,7 МПа
Таблица 1
Эквивалентные напряжения по Мизесу в стенке труб ПАТ газового назначения (МПа)
Давление, МПа ПАТ-160 ПАТ-195 ПАТ-270
кольцевая продольная пэ арматура арматура кольцевая продольная пэ арматура арматура кольцевая продольная пэ арматура арматура
7,0 725 580-670 20-21 - - - - - -
6,7 720-725 550-620 18-20
6,0 700-720 500-590 12-18 715-725 600-670 19-20
5,7 - - - - - - 715-725 570-615 17-20
5,5 665-715 460-530 10-14 700-724 550-620 14-17 713-720 550-590 15-19
2,5 350-400 210-270 2,5-4 390-420 270-320 3-5 400-415 270-300 2,5-4
2,2 320-360 185-230 2-3,5 350-375 230-280 2,5-4 350-370 240-260 2-3,5
1,2 170-190 100-140 1-2 190-200 130-160 1,3-2,3 190-200 130-145 1,3-2
анализа и по приближенной аналитической оценке, представлены в табл. 2. Следует отметить, что результаты расчетов хорошо согласуются.
Также исследовалось влияние конструктивных параметров ПАТ на несущую способность. При увеличении диаметров продольной и кольцевой арматуры эквивалентные напряжения в них уменьшались (при этом в других элементах менялись незначительно). Однако изменение толщины стенки ПАТ не вызывает существенного изменения эквивалентных напряжений во всех элементах ПАТ. На основании этого можно сделать вывод, что дополнительно увеличить несущую способность ПАТ (без изменения шагов арматуры) возможно лишь изменением прочностных характеристик полиэтилена.
Выводы
1. Создана конечно-элементная модель деформирования линейной части ПАТ, описывающая поведение трубы при нагружении внутренним давлением и осевой силой, учитывающая упругопластические свойства материалов и особенности взаимодействия всех элементов конструкции при нелинейных условиях на границе контакта компонентов
Таблица 2
Предельные давления для труб ПАТ
Параметры ПАТ газового назначения
Наружный диаметр, мм 160 195 270
Численный анализ, МПа 7,0 6,0 5,7
Аналитическая оценка, МПа 7,3 6,5 6,2
конструкции. Разработан пошаговый алгоритм решения
поставленной задачи, который реализован средствами программного комплекса АNSYS.
2. С использованием разработанной модели рассчитаны поля напряжений в конструктивных элементах труб ПАТ различных типоразмеров при статическом нагружении внутренним давлением и осевой силой.
3. Проведен анализ полученных полей напряжений и деформаций, который показал, что для всех рассмотренных
конструктивных вариантов труб наиболее нагруженной является кольцевая арматура. Таким образом, потеря несущей способности данных труб связана с достижением в витках кольцевой арматуры предельных напряжений.
4. Исследована зависимость несущей способности ПАТ от геометрических характеристик элементов ПАТ.
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет анализировать напряженно-деформированное состояние армирующего каркаса и матрицы полимерных армированных труб и с достаточной точностью прогнозировать несущую способность линейных участков трубопроводов из ПАТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Мартяшева В.А. Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводов из полимерных материалов: учеб. пособие. Уфа: УГНТУ, 2002. 74 с.
2. Агапчев В.И., Виноградов Д.А. Металлопластовые трубы в нефтегазовой инфраструктуре // Полимергаз, 2007. № 3. С. 34-36.
3. Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Иванов С.Г. Расчет напряженно-деформированного состояния и прогнозирование прочности полимерных армированных труб газового назначения // Вестник СамГУ. Естественно-научная серия, 2007. № 6(56). С. 419-426.
4. Зуйко В.Ю. Численные модели в оценке осевой прочности полимерных армированных труб // Зимняя школа по механике сплошных сред (15-я): сб. ст. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. С. 84-87.
5. Сальников А.Ф., Сыпачева Е.С. Моделирование напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых армированных труб // Динамика машин и рабочих процессов: сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Челябинск, 2002. С. 143-146.
6. Котов А.Г. САПР изделий из композиционных материалов. Моделирование процессов деформирования и разрушения в среде ANSYS: учеб. пособие. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. 351 с.
EVALUATION OF THE STRENGTH OF POLYMER-REINFORCED PIPELINES
KHABIBULLIN A.V., Engineer of the Production Department
PJSC «AK VNZM» (11/1, Nezhinskaya St., 450064, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). GLAZKOV A.S., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities
GULIN D.A., Postgraduate Student of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities
DUSALIMOV M.E., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities
Ufa State Petroleum Technical University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: fatglas@mail.ru, E-mail: alba0426@mail.ru
ABSTRACT
Large reserves of increase of reliability of oil-field pipeline systems, reducing the consumption of steel pipes and reduce energy and labor costs in relaying pipelines is the use of plastic pipes. The limiting factor in the widespread application of corrosion-proof polyethylene pipes in the oil fields is their relatively low bearing capacity (working pressure of the transported medium does not exceed 1.0 MPa). To expand the applications of PE pipes at higher pressures combined pipes are developed and applied at oil and gas fields with a working pressure up to 4.0 MPa. Such tubes are polymer reinforced pipes PRP. It was developed a three-dimensional nonlinear model of the mechanical behaviour of reinforced polymer pipes taking into account the structure parameters, contact interaction, nonlinear deformation of components. The model allows to investigate stress-strain state of the PRP under various conditions of loading. It was performed the study on the influence of structural parameters of the PRP on the bearing capacity of the pipeline. The calculation of the stresses was made occurring in the PRP of various diameters under various conditions of loading. Keywords: model, mathematical modeling, pipeline, corrosion, polymer reinforced pipeline, strength. REFERENCES
1. Agapchev V.I., Vinogradov D.A., Martyasheva V.A. Proyektirovaniye, stroitel'stvo i ekspluatatsiya truboprovodov iz polimernykh materialov [Designing, construction and operation of pipelines made of polymer materials]. Ufa, UGNTU Publ., 2002. 74 p.
2. Agapchev V.I., Vinogradov D.A. Metal-plastic pipes in the oil and gas infrastructure. Polimergaz, 2007, no. 3, pp. 34-36 (In Russian).
3. Anoshkin A.N., Zuyko V.YU., Ivanov S.G. Calculation of the stress-strain state and prediction of the strength of polymer reinforced gas pipes. Vestnik SamGU, 2007, no. 6(56), pp. 419-426 (In Russian).
4. Zuyko B.YU. Chislennyye modeli v otsenke osevoy prochnosti polimernykh armirovannykh trub [Numerical models in the evaluation of axial strength of polymer reinforced pipes]. Ekaterinburg, UrO RAN Publ., 2007. pp. 84Э87.
5. Sal'nikov A.F., Sypacheva Ye.S. Modelirovaniye napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya polietilenovykh armirovannykh trub [Simulation of the stress-strain state of polyethylene reinforced pipes]. Trudy Vseros. nauch.-tekhn. konf «Dinamika mashin irabochikhprotsessov» [Proc. All-Russian scientific-technical conference «Dynamics of machines and working processes»]. Chelyabinsk, 2002, pp. 143-146.
6. Kotov A.G. SAPR izdeliy iz kompozitsionnykh materialov. Modelirovaniye protsessov deformirovaniya i razrusheniya v srede ANSYS [CAD of products from composite materials. Modeling of deformation and fracture processes in ANSYS environment]. Perm, Perm. gos. tekhn. un-ta Publ., 2008. 351 p.
