CC BY
48
УДК 621.643.2-036-419.8:539.4
А.М. Щелудяков, А.Ф. Сальников
Пермский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДАХ НА ПОЛНОТЕЛЫХ ОБРАЗЦАХ
Проблема работоспособности трубопроводов зависит от условий возникновения нагрузок при их эксплуатации. Динамические нагрузки существенно снижают остаточный ресурс трубопроводов, рассчитанный по статическим нагрузкам. В статье рассмотрены вопросы моделирования динамических нагрузок и получены результаты влияния количества циклов нагружения на величину предельной несущей нагрузки трубопроводов из ПАТ. Данные результаты достаточно объективно объясняют возникновение отказов в работе трубопроводов на нефтепромыслах «ЛУКОЙЛ».
Ключевые слова: трубопровод, динамическая нагрузка, методика, стенд, остаточный
ресурс.
Трубопроводный транспорт является одним из важнейших элементов производственной инфраструктуры страны. Отказы в работе трубопроводов часто приводят к достаточно серьезным техногенным последствиям. Затраты на ликвидацию этих последствий варьируются от десятков сотен тысяч рублей до сотен миллионов рублей. Поэтому вопросы, связанные с обеспечением безопасности технологического процесса эксплуатации трубопроводов, на сегодняшний день являются актуальными.
Как правило, основной подход в оценке надежной эксплуатации связан с конструкционной прочностью элементов конструкции трубопровода. Прочность в основном рассчитывается, исходя из ожидаемых статических нагрузок, которые являются рабочими нагрузками трубопроводов (давление, температура, глубина залегания трубопровода, перепады по отметкам и т.д.). Однако в процессе эксплуатации трубопроводов возникают динамические нагрузки, которые в расчетных схемах заменяются статическими с привлечением коэффициента динамичности. Такой подход повысил уровень достоверности в оценке работоспособности трубопроводов, но не исключил отказы в его работе при реальной эксплуатации трубопроводов. Анализ работы трубопроводов показывает, что величина отказов в их работе в 85 % случаев связана с превышением предельной несущей способности при кратковре-
менном силовом нагружении, в 10 % случаев связана с нарушением технологии изготовления конструктивных элементов и только в 5 % случаев - с условиями изменения длительной прочности. Поэтому целью работы является разработка комплексной методики оценки несущей способности трубопроводов с учетом различных видов нагрузок, возникающих при их эксплуатации, позволяющей прогнозирование остаточного срока службы с учетом реальных условий их эксплуатации. Необходимо подчеркнуть, что при динамических нагрузках изменяются физико-механические свойства материала конструкций (модуль упругости, предельные напряжения, предельные деформации, коэффициент Пуассона материала).
Анализ работоспособности полимерно-армированных труб (ПАТ) позволяет предложить следующую классификацию основных видов разрушения (рис. 1) во время эксплуатации при динамических нагрузках (превышение предельной несущей способности конструкции) [1]:
а) открытие клапана перекачки;
б) включение насоса на закрытую задвижку, т.е. колебания внутреннего давления перекачиваемой среды с амплитудой, превышающей 10 % от рабочего давления;
в) переключение в магистрали;
г) нагрузка, возникающая при гидроиспытаниях.
Наличие динамических нагрузок от нагнетательных агрегатов (насосов различного типа) (рис. 2, 3) на трубопровод и источников появления переменных сил в самих трубопроводных системах приводит к тому, что осуществление рабочих процессов неизбежно связано с появлением вибрации трубопроводов, которая снижает надежность трубопроводов, несущих конструкций и технологического оборудования. Это приводит к необходимости контроля вибрации и повышает требования к достоверности расчетов трубопроводов на прочность при вибрационных нагрузках. Так, на рис. 2 приведены характерные колебания в рабочей среде и спектральная характеристика сигнала, полученного на наружной стенке трубы выкидного трубопровода при работе поршневого насоса, а на рис. 3 приведены характерные колебания в рабочей среде и спектральная характеристика сигнала, полученного на наружной стенке трубы выкидного трубопровода при работе лопастного насоса.
Рис. 1. Основные виды разрушений труб: а - открытие клапана перекачки; б - включение насоса на закрытую задвижку; в - переключение в магистрали; г - нагрузка, возникающая при гидроиспытаниях
Рис. 2. Импульсная нагрузка от поршневого насоса
б
Рис. 3. Импульсная нагрузка от лопастного насоса (а); спектрограммы импульсной нагрузки трубы (б)
Как показывают исследования на реальных трубопроводах, величина динамического давления может превышать в 1,5-2 раза уровень рабочего давления. Следовательно, если принять за параметры управления работы трубопроводных систем, наряду с существующими параметрами управления технологическим процессом перекачки, амплитуду динамического давления, то его надежное функционирование будет существенно выше.
Проведенный анализ экспериментальных данных по испытаниям труб и отчетных документов по расследованию причин отказов на трубопроводах позволяет предложить следующую классификацию основных типов разрушения ПАТ возникающих при их эксплуатации (рис. 4, 5, 6):
- разрушение тела трубы по образующей вследствие разрушения армирующего каркаса в области сварного соединения, как правило, вследствие дефекта при сварке или превышения предела прочности материала в области сварного соединения;
- кольцевые трещины в области стыковых соединений труб, где отсутствует стальной армирующий каркас, поверхность трещины имеет вид скола, характерного для разрушения ненаполненных полимеров;
- разрушение трубопровода из ПАТ вследствие наличия эксцентриситета стального каркаса в полимерной матрице при нарушении технологии изготовления труб.
Рис. 4. Разрушение законцовки ПАТ - скол
Разрушения по сварному стыку (законцовке) конструктивных элементов трубопроводов ПАТ чаще всего происходят в случае импульсного нагружения и составляют, как свидетельствуют опытные наблюдения, около 12 % от общего числа отказов (см. рис. 4). Причинами разрушений такого типа могут являться:
- опрессовка;
- открытие задвижки при включении насоса в трубопроводе с высоким давлением и движении жидкости в зону более низкого давления сборного трубопровода;
- наличие газовых полостей в трубе вследствие присутствия попутного газа;
- гидродинамические колебания перекачиваемой среды на собственных частотах системы «конструкция - столб жидкости», которые определяются геометрическими характеристиками конкретного трубопровода.
Разрушения тела трубы являются наиболее распространенными и составляют до 80 % от общего числа отказов (см. рис. 5). В данном случае работоспособность конструкции в целом определяется прочностью армирующего каркаса в области сварного соединения осевых и кольцевых элементов. Замеры, проведенные на нефтепромыслах, показывают, что в диапазоне скоростей нагружения, соответствующих частотам 1-10 Гц (включение насосов на закрытую задвижку), ПАТ ведут себя практически, как при квазистатическом нагружении, то есть основную нагрузку в конструкции трубы воспринимает стальной армирующий каркас. При этом, если величина приложенной статической нагрузки превышает некоторое предельное значение (особенно в зоне сварного шва арматуры), происходит осевое разрушение тела трубы.
Рис. 5. Разрушение тела трубы по образующей вследствие разрушения сварного соединения армирующего каркаса ПАТ
в
Рис. 6. Разрушение армирующего каркаса
При длительной эксплуатации (порядка 15-20 лет) наблюдается третий тип разрушения полимерных армированных труб - продавли-вание полимерной матрицы сквозь решетку армирующего каркаса, что приводит к изменению конфигурации стенки трубопровода, нарушению внутренней изоляции каркаса от перекачиваемой среды с последующей коррозией материала каркаса (особенно в зонах сварных соединений армирующих элементов) (см. рис. 6). Наличие разрушений данного типа определяется в первую очередь временем эксплуатации конкретного трубопровода, в настоящее время такие отказы составляются до 8 % от общего числа. При наличии эксцентриситета армирующего каркаса в полимерной матрице, то есть при нарушении технологии изготовления (брак, который сложно идентифицировать), длительность эксплуатации может сокращаться до 4-6 лет. В настоящее время наблюдаемая ранее динамика сохраняется, при этом увеличивается число отказов, связанных с коррозией армирующего каркаса и с разрушениями ПАТ от действия динамической нагрузки.
При динамических нагрузках происходит значительная деформация тела образца. Так, на рис. 7 в качестве примера представлены разрушенные образцы трубы ПАТ-140 при разных скоростях роста нагрузки (давление в образце). При скорости роста давления 10,0 МПа/с (ударная нагрузка) деформация тела трубы в зоне разрушения имеет явно выраженную пластическую деформацию (значительное раскрытие зоны разрушения). Стальной каркас (радиальные элементы) разрушается практически без образования шейки пластической деформации. Данное замечание очень важно, так как при анализе разрушения тела трубы в процессе эксплуатации трубопровода позволяет определить условия роста нагрузки, приведшей к отказу в работе трубопровода.
При скорости роста давления в образце трубы до 1,5 МПа/с происходит перестройка несущей способности конструктивных элементов тела трубы, и основную нагрузку воспринимает стальной каркас. Это приводит к характерному виду разрушения радиальной проволоки стального каркаса. В зоне разрушения элемента стального каркаса образуется зона пластической деформации в виде шейки. На рис. 8 приведен пример образования зоны утонения проволоки при разрушении тела трубы.
Рис. 7. Разрушение трубы в зависимости от скорости нагружения: 1 - 10,0 МПа/с; 2 - 0,1 МПа/с; 3 - 1,0 МПа/с; 4 - 0,5 МПа/с
Рис. 8. Образование шейки.
Зона разрушения армирующего каркаса ПАТ
Для формирования динамических нагрузок разрабатывается стенд по моделированию динамических нагрузок, действующих в реальных условиях эксплуатации трубопроводов. Оценку несущей способности трубопроводов предполагается осуществлять на полнотелых образцах различных типоразмеров труб в соответствии с ГОСТом и характеристиками образцов труб (рис. 9).
Рис. 9. Параметры образца
Моделирование различных динамических нагрузок осуществляется с помощью автоматизированного сервопривода стенда, представленного на рис. 10.
Рис. 10. Общая схема разрывной машины
Установка представляет систему трубопроводов, соединяющих масляную ванну 6, из которой масляный насос 1 непрерывно подает масло с давлением 16,7 МПа в рабочую полость ниппеля 7. Под действием электродвигателя 12 шток сервера 13 совершает возвратнопоступательные движения, тем самым открывая либо закрывая доступ масла в 2 параллельно соединенных рабочих цилиндра 8 и 9.
В рабочих цилиндрах содержится поршень, передающий нагрузку от масла воде, закачанной через образец 10. Испытуемый образец - это труба, с одного торца соединенная с рабочими цилиндрами установки, а с другого закрытая заглушкой. Образец разрушается под действием давления воды на внутреннюю полость трубы. Испытуемый образец находится в бронекамере. Измерения снимаются при помощи прибора «Камертон». Изменение частоты вращения на валу двигателя 12 совершается при помощи частотного преобразователя 14 Бап1о8 серии УЬТ. Общий вид, разработанный в «БоШ’^гкз», представлен на рис. 11.
и
Рис. 11. Общий вид стенда
Характеристики стенда позволяют имитировать работу поршневого и лопастного насосов с амплитудой до 6,2 МПа и частотой до 100 Гц.
Целью испытаний является определение предельного числа циклов нагружения образцов труб и проверка на прочность в условиях, близких к рабочим.
Динамические испытания предлагается проводить по методике, позволяющей имитировать скорость нагружения, величину импульса, частоту, характер импульсных нагрузок, для ПАТ-140 получена зави-
симость изменения предельной несущей способности в зависимости от количества циклов нагружения и амплитуды импульса.
В качестве примера были проведены исследования импульсной нагрузкой, с варьированием величины амплитуды импульса, и определялось предельное количество импульсов, при котором происходило разрушение образца трубы.
Образец трубы ПАТ-140 нагружался импульсным давлением на ударной установке: время действия импульса составляло 0,1 с, амплитуда колебаний давления варьировалась от 8,5 до 4 МПа, среднее (рабочее) давление в образце трубы составляло 4 МПа (таким образом, максимальное давление в импульсе изменялось от 12,5 до 8 МПа). Результаты проведенного экспериментального исследования позволили определить предельное число циклов нагружения до разрушения для конструкции трубы ПАТ-140 при фиксированной частоте в зависимости от изменения амплитуды колебаний давления среды (рис. 12).
N количество циклов нагружения
Рис. 12. Результаты экспериментов по разрушению полимерных армированных труб (ПАТ-140) при действии циклической импульсной нагрузки
Данные исследования позволяют определить изменение физикомеханических свойств материалов конструкции в зависимости от времени эксплуатации, а следовательно, использовать полученные результаты при построении математической модели оценки несущей способ-
ности ПАТ при длительном действии как статической, так и динамической нагрузки [2].
Обработка результатов натурных испытаний ПАТ на разрушение и анализ причин отказов трубопроводов в процессе эксплуатации позволил выделить наиболее вероятные области разрушения конструкции полимерной армированной трубы в зависимости от параметров действия нагрузки.
На рис. 13 приведены зоны разрушения полимерных армированных труб в зависимости от условий приложения нагрузки:
- область работоспособности - зона нормальной работоспособности трубы в пространстве параметров нагружения (частота, амплитуда колебаний давления); в процессе дальнейших исследований необходимо учитывать температуру как существенный фактор, влияющий на несущую способность трубы в условиях эксплуатации;
- полиэтилен (область стыкового соединения конструктивных элементов трубопроводов из ПАТ) - если точка в пространстве параметров нагружения попадает в данную область, то наиболее вероятной зоной разрушения является область законцовки;
- тело трубы - если точка в пространстве параметров нагружения попадает в данную область, то наиболее вероятной зоной разрушения будет являться армирующий каркас, а следовательно, имеем разрушение по телу трубы;
- переходная зона - в данной области в пространстве параметров нельзя априори прогнозировать, где произойдет разрушение - в области законцовки или по телу трубы.
На схеме используются следующие обозначения:
- собственная частота конструкции (трубы, трубопровода) из полимерных армированных труб;
V* - критическая частота разрушения - величина, обратная скорости звука в конструкции;
Д*тй - предельное внутреннее давление для трубы соответствующего типоразмера в условиях квазистатического приложения нагрузки.
Марка трубы * V^, Гц * V , Гц МПа
ПАТ-95 550-600 ~10 20
ПАТ-140 480-500 ~10 12,9-14,6
ПАТ-200 420-450 ~10 10,2
Рис. 13. Зоны разрушения полимерных армированных труб в зависимости от условий приложения нагрузки
Таким образом, разработан стенд, позволяющий моделировать нагрузки в трубопроводе от действия поршневых и лопастных насосов на образцах труб, и предложена методика, которая позволяет решать задачи:
- оценки несущей способности трубопровода, по полнотельным образцам, что существенно повышает достоверность остаточного ресурса трубы в зависимости от условий эксплуатации;
- описывать изменение прочностных свойств конструкции трубопровода в процессе эксплуатации;
- проводить оценку предельного времени эксплуатации трубопроводов за счет учета динамического характера приложения нагрузки в реальных условиях эксплуатации, с использованием результатов экспериментальных исследований по оценке предельного числа циклов нагружения для образцов труб в зависимости от амплитуды и частоты колебаний давления перекачиваемой среды.
Библиографический список
1. Сыпачева Е.С., Сальников А.Ф. Математическая модель работоспособности полиэтиленовых армированных труб. // Молодежная наука Прикамья / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004. - Вып. 4. - С. 68-72.
2. Сальников А.Ф., Сальников С.А, Нечаева Е.С. Управление технологическим процессом транспортировки рабочей среды с учетом остаточного ресурса трубопровода // Газовая промышленность: науч.-техн. и производств. журн. / (учред. ОАО «Газпром»). - М.: Газоил пресс, 2009. - № 09. - С. 66-68.
Получено 6.12.2010
