Расчет параметров напряженно-деформированного состояния элементов трубопроводной системы тактового налива в ansys/ls-dyna при действии динамически изменяющегося внутреннего давления Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 622.692.4.074.3

Расчет параметров напряженно-

деформированного состояния элементов трубопроводной системы тактового налива в ansys/ls-dyna при действии динамически изменяющегося внутреннего давления

технологические трубопроводы нефтегазовых производств относятся к ответственным сооружениям, к надёжности и безопасности эксплуатации которых предъявляются повышенные требования. Под воздействием различных возмущений, обусловленных как технологическим режимом работы, так и нестационарным режимом потока нефтепродукта, может возникать гидродинамическое воздействие со стороны перекачиваемой среды на конструкцию трубопровода, сопровождающееся вибрациями, колебаниями, иногда превосходящими допустимые значения, которые следует учитывать при эксплуатации трубопровода. В процессе эксплуатации трубопроводы находятся под воздействием не только статических нагрузок, но и циклических, вернее повторно статических, обусловленных как остановками перекачек, так и особенностями технологического процесса, постепенно снижая несущую способность трубопроводов, влияя на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС).

Для изучения возможности безопасной эксплуатации нефте-продуктопровода системы налива высокой производительности была поставлена задача исследования поведения трубопровода при возникающих в процессе налива динамических нагрузках, обусловленных нестационарностью течения нефтепродукта.

Объектом исследований является участок трубопровода системы налива нефтепродуктов. Постоянная смена производительности при наливе создаёт пульсации давления нефтепродукта в трубопроводе. Учитывая сложность описания процесса течения нефтепродукта в рельефном трубопроводе только аналитическими методами, для получения характеристик течения, определяющих нагрузки на стенки трубопровода, была предпринята попытка получения её решения с использованием современных программных комплексов, реализующих численные методы расчёта.

Для решения части задачи механики деформируемого твердого тела, была сгенерирована геометрическая модель участка трубопровода средствами сеточного генератора модуля ANSYS Multiphysics 10.0 и была построена регулярная сетка из 3712 гексаэдрических, изопараметрических элементов второго порядка SOLID186, содержащая 26144 узлов, с тремя степенями свободы в каждом. Чтобы не «утяжелять» расчёт, был использован один слой КЭ по толщине стенки и разрежение сетки к концам расчётной области.

Расчётная модель участка трубопровода, включающая две характерные расчетные области (отвод и тройник), сформирована в пакете ANSYS (рис. 1). Для точек 1 и 2 были определены вертикальные скорости и перемещения. Эффективные напряжения в области отвода определялись для четырёх элементов А,

С.К. РАФИКОВ, к.т. н., доцент, У.Э. АЛЛОЯРОВ, соискатель

Кафедра «Сооружение и ремонт газонефтепроводов игазонефтехранилищ» Уфимский государственный нефтяной технический университет

E-mail: ural-ufa@mail.ru

Проведён конечно-элементный расчёт напряженно-деформированного состояния трубопровода системы тактового налива нефтепродуктов в железнодорожные вагон-цистерны при динамически изменяющемся внутреннем давлении. Изучена зависимость величин возникающих напряжений от изменения производительности налива.

Ключевые слова: система налива, трубопровод,напряжения.

The problems of reliable operation of modern systems of rail car loading are discussed in the article. The dependence of hydrodynamics of oil products flow on the mode of operation of valving was studied using modern software of finite-element modeling, the impact of ON-SPOT system on stressing and deforming of a pipeline was also assessed.

Keywords: system of loading, pipeline, stress.

Рис. 1. Расположение элементов в исследуемой области отвода

Рис. 2. Расположение элементов в исследуемой области тройника

направление перекачки

Рис. 3. Расчётная модель исследуемого участка рубопровода

В, С, D, равнорасположенных друг от друга по образующей отвода (см. рис. 1), точке 1 соответствует элемент А.

Эффективные напряжения в области тройника определялись для пяти элементов А, В, С, D, Е (рис. 2), точке 2 соответствует элемент А.

Граничные условия на концах расчётной области предполагают ограничение перемещений концевых сечений в трех ортогональных направлениях.

Плотность материала трубопровода является приведенной и учитывает наличие в нем жидкости плотностью 750 кг/м3.

Импульс внутреннего давления, возникающий на двух этапах налива при смене производительности налива нефтепродукта, со 140 до 700 м3/ч и с 700 до 140 м3/ч задавался в соответствии с найденными его изменением в расчетной области в программном комплексе моделирования движения жидкости и газа Flow Vision путём численного решения уравнений Навье-Стокса, описывающих динамику жидкости.

На первом этапе вычислительного процесса была решена линейная статическая задача в ANSYS/ Structural для получения начального преднагружен-ного состояния трубы до прихода скачка давления. Это нужно для того, чтобы исключить переходные процессы на этапе начального нагружения труб статическим давлением. Участок трубы имеет такие же закрепления, как в динамической задаче, но нагрузка в виде внутреннего давления P0=0,48 МПа — статическая. После решения статической задачи исходные напряжения записываются в файл для инициализации предварительных напряжений. После этого переходим к расчётам в процессоре LS-DYNA.

Рис. 4. Начальные напряжения, полученные из статического расчёта в пакете ANSYS

т. 2

Рис. 5. Распределение эффективных напряжений, восстановленных в пакете LS-DYNA

Рис. 6. Распределение эффективных напряжений в расчётной области зоны отвода в четырёх элементах, равнорасположенных по окружности, на этапе нагружения 2

Рис. 7. Изменение вертикального перемещения в точке 1 в расчётной области зоны отвода на этапе нагружения 2

В ЪЯ^УЫЛ напряжения восстанавливаются из файла, как это показано на рис. 4 и 5, тогда при нулевом времени будут не нулевые начальные напряжения (при этом деформации взяты из ЛЫЯУВ, а напряжения заново восстановлены).

Результаты расчётов

Ниже представлены результаты расчётов в точке 1 в расчётной области зоны отвода на этапе нагружения 2.

На рис. 6 показано изменение эффективных напряжений для четырех элементов Л, В, С, D, равнорасполо-женных по окружности в расчётной области зоны отвода.

На рис. 7 показан график изменения перемещений, а на рис. 8 график изменения скоростей в зоне отвода в вертикальном направлении.

Распределение эффективных напряжений в пяти элементах в зоне тройника представлено на рис. 9.

Аналогичным образом проведен расчёт для областей зоны отвода (точка 1), зоны тройника (точка 2) для двух этапов налива. Результаты расчётов сведены в таблицу.

Из анализа расчёта видно, что наибольшие эффективные напряжения возникают в момент наибольшего изменения амплитуды давления в расчётной области 2 (тройниковое соединение) на этапе 2 и составляет 103 МПа, а наименьшие — в расчётной области 1 (зона отвода) на этапе 4.

Распределение напряжений по длине участка не равномерное, наибольшие напряжения в проектном положении возникают в местах тройникового соединения и отводе. В вычислительном комплексе ЛМВУВ/ЬВ^УМЛ разработан вычислительный алгоритм для расчета параметров напряженно-деформированного состояния элементов трубопроводной системы при действии динамически изменяющегося внутреннего давления и конечно-элементная модель трубопроводной системы, отражающая все основные особенности реального объекта.

Получены результаты, характеризующие изменение деформаций и перемещений, скоростей перемещений и эффективных напряжений в функции времени для двух характерных участков трубопровода: отвода и тройника.

Динамический расчёт в вычислитель-

Результаты расчётов в вычислительном комплексе ANSYS/LS-DYNA

Показатели Импульс внутреннего давления

от 140 до 700 м3/ч от 700 до 140 м3/ч

Расчётная область Расчётная область

отвода (точка 1) тройника (точка 2) отвода (точка 1) тройника (точка 2)

Эффективные напряжения, о, МПа 26 103 23 93

Изменение вертикальных перемещений, м-10-3 [-2,8; 5] [-5; 9,8] [5; 0] [8,5; 0,5]

Изменение вертикальной скорости Y, м/с [0,15; -0,12] [-0,1; 0,125] [0,15; -0,125] [0,125; -0,120]

Рис. 8. Изменение вертикальной скорости в точке 1 в расчётной области зоны отвода на этапе нагружения 2

Р1РЕЭ У5 Т7

-

д

т %л/ / 1, г

/ ^ Г - ' / а \ _ г' ^

\ / - д _В

ч/ 0 ——

А 4033 В 4178 С 4437 Б 3993 Е 4611

Рис. 9. Распределение эффективных напряжений в пяти элементах в зоне тройника на этапе нагружения 2

ном комплексе ANSYS/LS-DYNA показал, что нестационарность поля давления протекающего по трубе нефтепродукта, приводит к динамическому отклику трубы, движению внутренних стенок и, соответственно, обратному влиянию на течение. Напряжения, возникающие в участках трубопровода (см. таблицу), зависят от величины амплитуды скачка давления потока нефтепродукта, максимальная амплитуда скачка давления 0,535789 МПа возникает при изменении производительности от 140 до 700 м3/ч в тройниковом соединении, напряжения в этот момент составляют максимальные значения эксперимента 103 МПа, что означает колебательный процесс трубопровода налива под воздействием скачков давлений нефтепродукта зависит напрямую от величины изменения амплитуды давления, которая наибольшее значение принимает при изменении производительности с меньшей на большую при возникновении гидроудара, начинающегося с падения давления.

Установлено расчётом, что величина напряжения, возникающая при изменении производительности налива с меньшей на большую, выше на 10% чем при изменении производительности с большей на меньшую, это говорит о том, что величина отрицательного импульса давления, возникающая при увеличении производительности налива, имеет более высокую степень опасности для трубопровода системы тактового налива нефтепродуктов.