CC BY
0Международный научный журнал «ВЕСТНИК НА УКИ» № 5 (74) Том 4. МАЙ 2024 г. УДК 621.6
Коновалов В.С.
студент-магистрант Самарский государственный технический университет (г. Самара, Россия)
РЕМОНТ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МУФТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Аннотация: ремонт магистральных трубопроводов - актуальная тема в наше время, так как увеличение их возраста и повышение требований к экологической безопасности обуславливает необходимость безотказной и надежной работы объектов трубопроводного транспорта с предупреждением аварий в существующих системах. Исследование направлено на изучение ремонтных муфтовых конструкций, оценки и дополнения существующих на сегодняшний день трудов по данной проблеме. В работе представлена методика расчёта обжимных ремонтных конструкций и моделирование ремонта дефектного участка трубопровода в программном комплексе ANSYS.
Ключевые слова: магистральный трубопровод, выборочный ремонт, глубина дефекта, отказ, композитный материал.
На сегодняшний день известно, что существует зависимость между возрастом магистральных трубопроводов и аварийными ситуациями, которые на них происходят. Эти аварийные ситуации, как правило, вызваны коррозией или повреждениями, которые развиваются с течением времени из-за упущенных технологических дефектов и продолжающихся циклических напряжений.
Имея большой опыт эксплуатации трубопроводных систем как в стране, так и в мире, установлено, что поддержание безопасности на необходимом уровне достижимо за счет научно обоснованного и грамотного технического обслуживания и ремонта. Это особенно важно, учитывая масштабы и протяженность магистральных трубопроводов, их прохождение через районы с различными климатическими и грунтовыми условиями, наличие дефектов
1606
различного происхождения. При внедрении современных средств диагностики и методов обеспечения безопасности наиболее целесообразным подходом является выборочный ремонт трубопроводов по их техническому состоянию.
Такой подход предполагает определение сроков и объемов ремонтных работ для каждого участка трубопровода исходя из его текущего состояния, а не с использованием заранее запланированных и нормированных значений. Это позволяет проводить выборочный ремонт, что позволяет увеличить длину ремонтируемых участков и повысить общую безопасность при проведении ремонтных работ. Остаточный ресурс определяется для каждого участка трубопровода, на основании чего принимается решение о соответствующем ремонте.
Ремонтные конструкции обжимного типа обычно используются для необратимого ремонта поврежденных участков трубопроводов. Поэтому важно изучить их прочностные характеристики. Однако проводить натурные испытания ремонтных конструкций сложно и дорого. Для снижения как финансовых, так и временных затрат на исследования возможно применение компьютерного моделирования и численных методов с натурными испытаниями отдельных образцов для подтверждения результатов моделирования.
В ранее проведённых отечественных исследованиях нет чёткого пояснения и единого мнения, как оценивать повреждения трубопровода, когда выбоины и вмятины сочетаются с напряжениями сжатия и изгибающими моментами. При ударном воздействии на трубопровод такое сочетание повреждений может быть вероятным сценарием. Поскольку дефект трубопровода, скорее всего, повлияет на производственные возможности, метод оценки такого рода повреждений может иметь решающее значение.
Это натолкнуло предыдущих исследователей на мысль изучить, как можно простым способом оценить этот ущерб, чтобы давление разрыва при повреждении могло быть легко отрегулировано в соответствии с радиусом изгиба и глубиной выемки на трубе.
1607
В ряде проведённых исследований различными отечественными и зарубежными авторами было установлено, что в отношении давления разрыва поврежденного трубопровода при различных типах принудительного воздействия можно использовать различные методы ремонта. Также авторами было выявлено, что для труб, поврежденных сверх указанного предела, необходимо использовать метод ремонта, который надежно изолирует поврежденное место и действует как сосуд высокого давления вокруг повреждения. И в последние два десятилетия таким методом стал ремонт с помощью муфт. В настоящее время разработаны ремонтные муфты практически для всех видов дефектов и участков трубопровода.
Применение муфт позволяет выполнить ремонт в кратчайшие сроки при этом не прерывая транспортировку и не снижая давление внутри трубопровода.
На основе проведённых ранее исследований можно предположить, что применение комплекса ANSYS с описанными методиками моделирования и моделями материалов достоверно отражает реальную работу трубопровода в разных режимах, в том числе с включением в работу муфты.
В настоящей работе рассмотрим напряженно-деформированное состояние трубы в следующих случаях: труба 1020х12 с заданным давлением 5 МПа без дефектов, труба 1020х12 с заданным давлением 5 МПа с дефектом, соответствующим локальной потере металла, труба 1020х12 с заданным давлением 5 МПа с дефектом и ремонтной муфтой типа П1 с толщиной композита 20мм, труба 1020х12 с заданным давлением 5 МПа с дефектом и ремонтной муфтой типа П1 с толщиной композита 10мм, Во всех рассмотренных случаях длина рассчитываемого участка трубы составляет 10 метров, контакт между телами задаётся типа bonded, а узловые концентраторы во внимание не принимаются.
Расчет проводится в программном комплексе Ansys в физически и геометрически линейной постановке. Ниже представлены основные характеристики используемых материалов.
1608
Structural Steel
I Structural V
Vlsotropic Elasticity
Derive from Young's Modulus and Poisson's Ratio
Young s Modulus 2e+0S MPa
Poisson's Ratio Û,ÎODQ0
Bulk Modulus 1,6667e+Q5 MPa
Shear Modulus 76923 MPa
Isotropic Secant Coefficient of Thermal Expansion 1,2e-05 1ГС
Рис. 1. Характеристики стали.
Polyethylene
Density 9,5e-10 tonne/mm3
Structural V
^Isotropic Elasticity
Derive from Young's Modulus and Poissons Ratio
Young's Modulus 1100,0 MPa
Poisson's Ratio 0,42000
Bulk Modulus 2291,7 MPa
Shear Modulus 387,32 MPa
Isotropic Secant Coefficient of Thermal Expansion 0,00023000 1/*C
Рис. 2. Характеристики ремонтного композита.
Расчёт трубы без дефекта будет выступать в качестве эталонного значения. Ниже представлен общий вид расчетной модели и напряжения, возникающие в стенке требы при давлении 5 МПа.
1609
С: тру6л
Static Stnjctmal Timei s 22.11,2023 1ft4?
A Fixed Support.
[B] Fixed Support 2 * [д~)>
Рис. 3. Общий вид расчётной модели.
С; ipybi
Гси".1'Лп* Stress
Type Е qu wd ent (von - М151 s) Strtu Unit MP a Time t )
Рис. 4. Напряжения, возникающие в стенке трубы, Мпа.
Данный расчет трубы без дефекта показывает уровень напряжений а=183,6±1 МПа. Данное значение принимается как эталонное.
Далее был проведён расчет трубы с дефектом. В данном случае рассматривается труба с внесенным в неё дефектом в виде локального утонения
1610
стенки с 12 до 6мм. В ходе проведенного расчета получены следующие данные -глобального изменения напряженно деформированного состояния трубы не происходит. Напряжение в стенках остаётся в обозначенном диапазоне -а=183,6±1 МПа. Однако локально, в области дефекта происходит перераспределение напряжений, в области дефекта максимальные напряжения составляют алок.макс=252,6±1 МПа, т.е. коэффициент концентрации к=1,375.
В: тр}г6а + дефоект
Equivalent Stress
Type: Equivalent (von-Mi;es) Stresi Unit: МРэ Time: 1 s 22.11.2023 20:20
I—: 292.25 Max
к*- v
Node 143924 j
Рис. 5. Напряжения в трубе с дефектом, в области концентрации напряжений.
Далее провели расчет трубы с дефектом с включением в работу муфты по первому варианту. В данном случае рассмотренный ранее дефект перекрывается ремонтной муфтой типа П1. Расчет производится для варианта муфты с толщиной композита 20мм. Ниже показан общий вид модели, а также даны соответствующие пояснения.
1611
Рис. 6. Общий вид расчетной модели.
Рис. 7. НДС в трубе с учетом дефекта и ремонтной муфты П1.
Толщина слоя композита 20мм, толщина ремонтной муфты 12мм. Все контакты заданы жёсткими типа bonded. Длина ремонтной муфты 3 метра. Проанализировав полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
- кромка муфты способна создать область локальной концентрации напряжений в свободной части трубы. В данном случае напряжения поднялись со 183,8 до 187,8 МПа, т.е. коэффициент концентрации к=1,02, что укладывается
1612
в параметры допустимой погрешности расчета. Однако другие конфигурации системы «труба-муфта» могут приводить к более существенной концентрации напряжений в описываемой области.
- напряжения в основном металле трубы, перекрытым муфтой, снизились от а=183,6±1 МПа (принятое ранее эталонное значение) до ам=109,2±1 МПа.
- напряжения в дефектной зоне трубу, перекрытом муфтой снизились от а=252,6±1 МПа (принятое ранее эталонное значение) до ад=131,2±1 МПа.
- коэффициент концентрации напряжений в трубе снизился с к= 1,375 до
к=1,20.
- введенный в расчет слой полимера работает как несжимаемая жидкость и служит для герметизации и передачи усилий от металла трубы к металлу муфты. Данное поведение полимера позволяет сделать предположение о том, что уменьшение его слоя не приведет к существенному изменению НДС системы «труба-муфта».
Проанализировав результаты, полученные в ходе аналогичного расчёта с толщиной слоя композита 10мм, можно сделать следующие выводы:
- аналогично расчету муфты вариант 1 её кромка способна создать область локальной концентрации напряжений в свободной части трубы. В данном случае напряжения поднялись со 183,8 до 186,7 МПа, изменения НДС в рамках погрешности,
- напряжения в основном металле трубы, перекрытом муфтой снизились от а=183,6±1 МПа (принятое ранее эталонное значение) до ам=109,5±1 МПа, изменения НДС в рамках погрешности,
- напряжения в дефектной зоне трубу, перекрытом муфтой снизились от а=252,6±1 МПа (принятое ранее эталонное значение) до ад=127,7±1 МПа, изменения НДС в рамках погрешности,
- коэффициент концентрации напряжений в трубе снизился с к= 1,375 до
к=1,20.
1613
- введенный в расчет слой полимера работает как несжимаемая жидкость и служит для герметизации и передачи усилий от металла трубы к металлу муфты.
Сделаем выводы. Проведенный численный эксперимент показал, что включение в работу муфт типа П1 эффективно снижает напряжения, возникающие в трубе с дефектом, вызывающим потерю металла.
Также муфты типа П1 снижают коэффициент концентрации напряжений, вызванный дефектом.
Вводимый в составе муфт полимер служит для передачи усилий от трубы к муфте.
Уменьшение слоя полимера (в данной работе с 20 до 10мм) не приводит к существенным изменения в НДС системы «труба-муфта» и соответственно не ухудшает прочностные характеристики отремонтированной трубы.
Все расчеты, приведенные в данной работе, должны быть подтверждены экспериментальными методами, прежде чем можно будет полностью доверять им.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Александров, А.Ю. Разработка методов повышения работоспособности трубопроводов, транспортирующих многофазные среды : на примере конденсато провода Вуктыл-СГПЗ: дисс. канд. техн. наук: 25.00.19 / Александров Юрий Викторович. - Ухта : УГТУ, 2008;
2. Alexander, C. et al., 2012. Evaluating Anchor Impact Damage to the Subsea Canyon Chief Pipeline Using Analysis And Full-Scale Testing Methods. IPC, Issue 9;
3. Александров, Ю.В., Агиней Р.В., Михалев А.Ю. Неразрушающая диагностика деградационных процессов в металле газопроводов / Ю.В. Александров, Р.В. Агиней, А.Ю. Михалев // Газовая промышленность. - 2011. -№ 6;
1614
4. Антонов, И.В. Технологические аспекты применения ультразвуковых дефектоскопов на фазированных решетках с роликовым датчиком / И.В. Антонов, С.С. Соколов, Е.В. Кузовников и др.// Фундаментальные исследования. - 2015. - № 5-2;
5. Alexander, C., Vyvial, B. & Wilson, F., 2014. Pipeline repair of corrosion and dents: a comparison of composite repairs and steel sleeves. International Pipeline Conference, Issue 10;
6. Ахтимиров, Н.Д. Технико-экономическое обоснование применения кон струкции «труба в трубе» при строительстве и ремонте линейной части маги стральных трубопроводов / Н.Д. Ахтимиров, В.Н. Лисин, В.М. Шарыгин // М.: ВНИИЭгазпром. - 1989, вып. 10;
7. Allouti, M., Schmitt, C. & Pluvinage, G., 2014. Assessment of a gouge and dent defect in a pipeline by a combined criterion. Engineering Failure Analysis, Issue 36, pp. 1-13. Autodesk, 2015.
Konovalov V.S.
Samara State Technical University (Samara, Russia)
REPAIR OF PIPELINES USING COUPLING TECHNOLOGIES
Abstract: repair of main pipelines is an urgent topic nowadays, since increasing their age and increasing environmental safety requirements necessitate trouble-free and reliable operation of pipeline transport facilities with accident prevention in existing systems. The research is aimed at studying repair coupling structures, evaluating and supplementing existing works on this problem. The paper presents a method for calculating crimp repair structures and modeling repair of a defective section of the pipeline in the ANSYS software package.
Keywords: main pipeline, selective repair, defect depth, failure, composite material.
1615
