CC BY
14ца, погрешность в прогнозных оценках квантиля коэффициента запаса прочности, снижающаяся по мере накопления информации, не превышает 8%, что свидетельствует об эффективности используемых в расчетах методов и алгоритмов непараметрической статистики.
Список литературы
1. Харионовский В. В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов - М.: Недра, 2000. - 467 с.
2. Махутов Н. А., Пермяков В. Н. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов. - Новосибирск: Наука, 2005. - 516 с.
3. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. -604 с.
4. Сызранцев В.Н. Расчет прочностной надежности изделий на основе методов непараметрической статистики / В. Н. Сызранцев, Я. П. Невелев, С. Л. Голофаст. - Новосибирск: Наука, 2008. - 218 с.
5. Теплинский Ю. А., Быков И. Ю. Управление эксплуатационной надежностью магистральных газопроводов. - М., 2007. - 400 с.
Сведения об авторах
Новоселов Владимир Васильевич, д. т. н., профессор, ректор, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452)-25-69-49, е-mail: nov@tsogu.ru
Сызранцев Владимир Николаевич, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Машины, и оборудование нефтяной и газовой промышленности», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452)-41-46-46; е-mail: V_Syzrantsev@mail.ru
Голофаст Сергей Леонидович, д. т. н., профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452)-41-46-46, е-mail: trasser@inbox.ru
Novoselov V. V., Dr. of technical sciences, Prof., Rector , Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452)-25-69-49;е-mail: nov@tsogu.ru
Syzrantsev V. N., Dr. of technical sciences, Prof., Chief of the Department «Machines and Equipment of oil and gas industry», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452)-41-46-46, е-mail: V_Syzrantsev@mail. ru
Golofast S. L., Dr. of technical sciences, Prof. of the Department «Machines and Equipment of oil and gas industry», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452)-41-46-46, е-mail: trasser@inbox.ru
УДК 622.692.4.053
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА «ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРОЙНИКОВ»
Р. Р. Хасанов, Р. С. Янышев, С. М. Султанмагомедов
(Уфимский государственный нефтяной технический университет)
Ключевые слова: тройник, напряженно-деформированное состояние, циклические нагрузки, стенд, эксперимент Key words: t-joint, tense-deformed state, cyclic load, experiment
Трубопроводный транспорт является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса страны. За последние десятилетия на территории Российской Федерации реализованы и успешно эксплуатируются десятки тысяч километров магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов и газопроводов.
В настоящее время более 40 % трубопроводов превысили расчетный срок эксплуатации (30 лет и более). Они представляют повышенную опасность и являются потенциальными источниками возникновения аварий.
Особое внимание необходимо уделять надежности некоторых элементов трубопроводной обвязки, в частности, тройников и тройниковых соединений.
Тройники и тройниковые соединения являются одними из наиболее распространенных узлов трубопроводной системы. В настоящее время существует большое разнообразие конструкций и современных технологий изготовления тройников, повышающих надежность этих элементов. Несмотря на все эти мероприятия, тройники, подвергающиеся в процессе эксплуатации значительным статическим и динамическим нагрузкам, остаются в тот же момент наиболее напряженными и, как следствие, потенциально опасными узлами трубопроводной системы.
Основными причинами аварий на тройниках являются циклические механические нагрузки, возникающие в результате линейных перемещений элементов трубопроводов,
вследствие изменения суточных, погодных и межсезонных температур и перемещений оболочки тройника под действием внутреннего давления перекачиваемого продукта [1].
Также на надежность тройника значительное влияние оказывает воздействие на тройник грунта засыпки, как механическое, вследствие перемещений самого грунта, так и химическое, в случае повреждения изоляционного слоя; воздействие на структуру металла агрессивной среды перекачиваемого продукта. Нельзя не учесть ошибок проектировщиков, браков, допущенных при строительно-монтажных работах, дефектов и неисправностей, накапливаемых за период эксплуатации. Это все накладывается на сложную пространственную конструкцию тройника.
Нами планируется проведение научного эксперимента над наиболее распространенными тройниками на магистральных трубопроводах: тройник штампосварной (ТШС) 720x377 и тройник с усиливающей накладкой (ТСН) 720x377 [2].
Ранее при помощи программного комплекса «APM WinMachme» исследовали напряженные состояния некоторых тройников при определенных условиях нагружения. Одна из задач эксперимента - сравнение полученных теоретических и практических результатов (рис. 1).
Рис. 1. Пример карты напряжений, рассчитанный на программном комплексе
«АРМ ШпМасЫпе»
Давление в тройниках будет создаваться при помощи плунжерного насоса P80/400-140. Напряженное состояние металла планируется отслеживать при помощи тензодатчиков.
Для проведения эксперимента требуется заглушить все открытые концы тройников. Это возможно достичь несколькими способами:
• приваркой сферических заглушек - «арбузных корок»;
• использованием стенда завода-изготовителя;
• применением различных затворных устройств.
В нашем случае предусматривается использование устройства «Затвор», позволяющее быстро, без использования сварки, заглушать открытые концы труб, задвижек, отводов и тройников. При этом резко увеличивается производительность выполняемых работ из-за устранения подготовки кромок тройника под сварку, приварки заглушек, их срезание после опрессовки, повторная подготовка кромок.
Фиксация устройств на концах тройников производится из-за расклинивающихся механизмов по наружной поверхности трубы, а герметизация - при помощи резиновых уплотнений по внутренней поверхности. Для подачи опрессовочной жидкости и стравливания воздуха из полости тройника в устройствах имеются специальные штуцера (рис. 2).
и!
Рис. 2. Схема стенда для эксперимента:
1 — тройник; 2 — устройство «Затвор»; 3 — плунжерный насос;
4 — устройство для создания циклических нагрузок; 5 — ёмкость с водой;
6 — штуцер для стравливания воздуха
Последовательность выполнения эксперимента такова.
1. На определенных участках тройника предварительно устанавливаются тензодатчики.
2. Открытые концы тройника заглушаются устройствами «Затвор».
3. Через штуцер конструкция полностью заполняется водой.
4. При помощи плунжерного насоса Р80/400-140 поднимается внутреннее давление в тройнике.
5. По истечению времени снимаются показания тензодатчиков.
6. При помощи специального плунжерного устройства создаются циклические нагрузки с определенной частотой и амплитудой, отражающие различные условия эксплуатации трубопроводов.
7. После каждой серии нагружений снимаются показания тензодатчиков.
8. На определенных этапах эксперимента состояние внешней и внутренней поверхностей тройника отслеживается при помощи методов неразрушающего контроля.
Для обеспечения изменения внутреннего давления (создания циклических нагрузок) в тройнике разработано устройство, позволяющее изменять внутренний объем элемента 4 (рис. 2) из-за перемещения плунжера. Плунжер перемещается при помощи кривошипно-шатунного механизма с изменяющимся плечом кривошипа, который, в с вою очередь, приводится в движение шаговым электродвигателем. Данное устройство позволяет менять частоту, амплитуду и интенсивность колебаний по заранее рассчитанной программе (рис. 3).
Рис. 3. Принципиальная схема устройства для создания циклических нагрузок
Как отмечалось ранее, на напряжения, возникающие в теле тройника, в значительной степени влияют величины продольно-поперечных перемещений основного трубопровода (магистрали) и ответвления, которые возникают вследствие изменения рабочего давления и перепада температуры перекачиваемого продукта. В результате жесткого защемления магистрали и отвода на месте их контакта возникают значительные внутренние механические усилия, которые неблагоприятно сказываются на надежности и безопасности участка и в дальнейшем могут привести к его разрушению (рис. 4). Особое внимание этой проблеме необходимо уделять при проектировании и строительстве трубопроводов на многолетне-мерзлых и скальных грунтах, а также во время запуска трубопровода в зимнее время после длительного простоя.
Рис. 4. Тройник ТСН, защемленный в грунте
Для исследования напряженно-деформированного состояния тройников в результате продольно-поперечных перемещений основной трубы и отвода планируется создать стенд (рис. 5).
Рис. 5. Схема стенда для испытаний на циклические нагрузки, связанные с линейными перемещениями элементов тройника, в результате температурных перепадов:
1 - тройник ТСН; 2 - устройство «Затвор»; 3 - устройство для создания циклических нагрузок; 4 — накладка; 5 — защемленные участки
Особенность стенда для испытаний в том, что жестко защемляется основная труба (магистраль), в то время как отвод остается свободным. Все манипуляции над патрубком осуществляются при помощи устройств для создания циклических нагрузок, принцип работы которых, как и ранее, основан на кривошипно-шатунном механизме. В качестве накладки для боковых устройств возможно использовать полутруб (желоб) с внутренним диаметром, чуть большим внешнего диаметра отвода, между полутрубом и отводом предусматривается подкладка из мягкой ткани. Через штуцер конструкция заполняется водой. При помощи насоса внутреннее давление в тройнике поднимается до расчетного значения.
Принимая во внимание относительность перемещений элементов тройника, возможно воссоздать перемещения основной трубы и отвода, переменно или совместно (см. рис. 5) включая в работу верхнее и боковые устройства нагружения.
Список литературы
1. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования. - М.: Госстрой России, 2000. - 71 с.
2. ВСН 1-84. Тройники и тройниковые соединения из стальных труб на Ру 5,5 и 7,5 МПа. - М.: Мингазпром, 1984. - 156 с.
Сведения об авторах
Султанмагомедов Султанмагомед Магомедтагирович, д.т.н., профессор, кафедра «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ», Уфимский государственный нефтяной технический университет
Янышев Радик Сахеевич, гл. инженер ССП «ЦСТС» Уфимский государственный нефтяной технический университет
Хасанов Рустям Рафикович, ассистент, кафедра «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ», Уфимский государственный нефтяной технический университет, тел.: 8(987)5984620, hasanov25@mail.ru
Sultanmagomedov S. M., PhD, professor, Department of construction and repair of oil-and-gas pipelines and storage facilities.
Yanyshev R. S., chief engineer of the Independent Structural Subdivision «Pipeline Systems Service Center», Ufa State Petroleum Engineering University
Khasanov R. R., assistant of Department of construction and repair of oil-and-gas pipelines and storage facilities, Ufa State Petroleum Engineering University, phone: 8(987)5984620, hasanov25@mail.ru
УДК 532.5
ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННЕГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЧАСТОТЫ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ КРИВОЛИНЕЙНОГО УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА
А. В. Березнёв
(Тюменский государственный архитектурно-строительного университет)
Ключевые слова: оболочка, тороидальные координаты, трубопровод, свободные колебания, динамический расчет Key words: shell, toroidal coordinates, pipeline, free oscillations, dynamic analysis
Одной из важных задач динамического расчёта трубопровода с потоком жидкости является задача исследования частот и форм собственных колебаний криволинейных участков, то есть различных отводов, компенсаторов и надземных переходов магистральных трубопроводов. Решение этой задачи с помощью теории стержней получено в ряде работ, например, В. А. Светлицкого [1] и С. С. Чженя [2].
Криволинейные участки современных трубопроводов большого диаметра представляют участки тороидальных оболочек. Частоты и формы собственных колебаний таких участков с малой продольной кривизной, содержащих поток жидкости, исследованы в цилиндрических координатах с использованием функции Бесселя [3]. Более достоверные результаты без ограничения продольной кривизны позволяет получить решение этой задачи в тороидальных координатах с использованием функции Лежандра [4].
В материалах статьи на основании [4] исследуются частоты и формы собственных колебаний U-образных криволинейных участков стальных трубопроводов большого диаметра со стационарным потоком жидкости.
Для такого объекта, представленного в виде отрезка тороидальной оболочки, в тороидальных координатах /3,в ...(л > JJ> 0, в - полярный угол в сечении трубы) получено [4] разрешающее уравнение движения в перемещениях:
r2 d3u „ r2 д (дu . Л r3 д2WV r2 5
, ,- + " " cose--Ц-—I— sine| + —y + -Ц- — X R др R2 дрдв R2 дв^др | R3 dp2 R2 дв
— (wv cose)- Wv sine
дв v ' v
r2 дХ1 r д - +
Гд 2& _ дХ- ^
EhR др Eh дв
X, +-
L3
чдв2 3 дв у
(1)
где R - радиус кривизны оси тороидальной оболочки; r -радиус средней линии сечения; h - толщина оболочки; E и V - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала оболочки; u, v, w - компоненты перемещения оболочки, отнесенные к радиусу r;
3 - угол поворота касательной к поперечному сечению; Wy = w cos в — v sin в .
Компоненты инерции имеют вид
, д 2u , д 2v , д 2w
X1 = —rhp—-, X2 = —rhp—-, X3 = —rhp—- + p, (2) 1 д t2 д t2 д t2
где p - плотность материала оболочки; P - гидродинамическое давление потока жидкости внутри трубопровода.
X
