CC BY
72
УДК 66.026.2
С. А. Панкратьев, Е. А. Наумкин, И. Р. Кузеев
Влияние вынужденных колебаний на надежность трубопроводных систем
Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов 1, тел. (347) 243-17-75, e-mail: sergey_pank@mail.ru
S. A. Pankratjev, E. A. Naumkin, I. R. Kuzeev
The influence of forced oscillations to reliability of pipeline systems
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov, 450062, Ufa, Russia; Ph.: (347) 2431775, e-mail: sergey_pank@mail.ru
Исследование посвящено изучению влияния вынужденных колебаний на разрушение трубопроводных систем. Разработано и изготовлено устройство, позволяющее проводить усталостные испытания по схеме трехточечного изгиба с одновременным приложением вынужденных колебаний. По полученным экспериментальным данным построены зависимости долговечности от частоты вынужденных колебаний.
Ключевые слова: вынужденные колебания; транспорт углеводородного сырья; трубопроводы.
The investigations are devoted to research of influence of forced oscillations on destruction of pipeline systems. It was developed and constructed the device permitting to conduct fatigue tests on the three-point bending scheme with additional of forced oscillations. It was constructed the durability dependence on frequency of forced oscillations.
Key words: forced oscillations; pipeline systems.
Транспортировка углеводородного сырья на нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях осуществляется по трубопроводным системам, работающим под воздействием агрессивных сред, высоких температур транспортируемых сред, повышенного давления, вибрации, передаваемой от нагнетательных машин и т. д. Надежность трубопроводов, транспортирующих взрывоопасные и пожароопасные вещества, играет большую роль в обеспечении безопасной работоспособности технологических установок.
Неполная загрузка технологических установок, обусловленная изменением структуры потребления сырья на предприятиях, приводит к изменению режимов нагружения оборудования и увеличению его остановов. На фоне этих проблем стали возникать дефекты, характер которых не находит объяснения 1. В большей степени это относится к технологическим трубопроводам, обвязывающим насосно-ком-прессорное и реакторное оборудование, которое имеет нестационарное изменение напряженного состояния. Традиционный подход 2 3 к расчету долговечности технологических трубопроводов становится недостаточным, т. к. не позволяет учесть такие факторы, как влияние
Дата поступления 25,06,08
динамики транспортируемой среды, нагрузки от сопряженного оборудования и реальное техническое состояние системы. В связи с вышеизложенным, особое значение приобретает такой подход к обеспечению долговечности технологических трубопроводов, который позволил бы учесть весь комплекс необходимых оценочных характеристик и включал бы зависимость надежности трубопроводной системы от вынужденных колебаний.
Причиной возникновения колебательных процессов в трубопроводах являются вынужденные колебания, возникающие вследствие пульсации потока рабочей среды, вибрации сопряженного насосно-компрессорного оборудования. Гидродинамические силы интенсифицируются на участках с резким изменением геометрии канала в отводах, тройниках, арматуре и др. Кроме того, при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой колебаний трубопровода, возникает условие резонанса газодинамического (гидродинамического) происхождения, в результате чего амплитуда колебаний значительно возрастает.
В целях научно обоснованного принятия мер по увеличению надежности необходимо исследовать процесс разрушения металлов,
подверженных одновременному воздействию изменяющихся нагрузок и вынужденных колебаний, установить закономерности влияния на этот процесс резонансных частот. Для изучения причин преждевременного разрушения трубопроводных систем на нагнетательной линии было разработано и изготовлено устройство, позволяющее проводить испытания на циклическую усталость с приложением усилия по схеме трехточечного изгиба и вынужденных колебаний (рис. 1). Условия, при которых происходит разрушение образца в данной схеме нагружения, аналогичны условиям трубопроводных систем на нагнетательной линии компрессоров и насосов; малоцикловое нагружение имитирует периодическое изменение давления в нагнетательной линии, а вынужденные колебания имитируют вибрационное воздействие компрессоров и насосов.
Эксперименты проводились на разрывной машине ИР5113-100, которая предназначена для проведения физико-механических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и сплющивание при нормальной температуре металлических образцов и изделий из металла, а также других материалов.
Специально разработанное устройство устанавливается в захваты разрывной машины. Шток подвижен относительно корпуса. Контроль усилия и деформации производится
Рис. 1. Устройство для проведения усталостных испытаний по схеме трехточечного изгиба с приложением вынужденных колебаний: 1 — шток; 2 — источник вынужденных колебаний; 3 — опоры; 4 — корпус устройства; 5 — испытываемый образец.
при помощи технических средств используемой разрывной машины.
Усталостные испытания проводились с приложением вынужденных колебаний на резонансной частоте испытываемого образца. Для того, чтобы приложить резонирующие вынужденные колебания, необходимо определить собственную частоту образца. Собственные колебания создавались при помощи единичного механического удара и имели вид, представленный на рис. 2.
Регистрация сигналов проводилась при помощи акустического датчика, изготовленного на основе электретного микрофона HMO1003A, с диапазоном частот 50-16000 Гц и чувствительностью 64 дБ, подключенного к персональному компьютеру, на который проводилась запись с частотой дискретизации 44100 Гц, глубиной цифро-аналогового преобразования 16 бит и обработка полученной информации с использованием программы Sony Sound Forge 7. Из сигнала (рис. 2) при помощи быстрого Фурье преобразования 4 размером 4096 точек получали спектр (рис. 3), в котором преобладающей гармоникой являлась частота собственных колебаний исследуемого объекта.
Испытания образцов проводились в малоцикловой области при жестком нагружении, максимальная деформация составила г = 0.28%. Учитывая, что при деформировании образца частота его собственных колебаний изменяется, при установке частоты генератора вынужденных колебаний было использовано значение частот собственных колебаний образца, соответствующее среднему между исходным состоянием образца г = 0% и максимальной деформацией e = г. 28%, в данном случае это соответствует деформации г = 0.14%.
■8.5
о к
Рис. 2. Форма сигнала собственного колебания образца
2 305 3 001 3 271 3 401 3 051 3 341 4 031 4 221 4 411 4 001 4 731 Hz
Выступающая Частота: -69 dB на 3 479 Hz (Нота: А8) FFT Размер: 4 096 Части: 1 Пересечение: 75% Хсмминг: Иинейный: Моим Samples: 12Б 228 to 130 324
Рис. 3. Спектр сигнала в диапазоне частот 2885— 4791 Гц; выступающая частота: 69 дБ на3479 Гц
На рис. 4 представлена зависимость частоты собственных колебаний образца, от деформации. Разница между максимальным и минимальным значениями частот составляет 1.15%. Условие резонанса определяет расхождение частот собственных и вынужденных колебаний в пределах ±25% 5. Это означает, что при данном диапазоне деформирования резонансное явление всегда будет иметь место.
Экспериментально были получены следующие значения частот собственных колебаний образца: 3512, 7020, 10400, 12463 Гц.
Четыре гармоники собственных колебаний исследуемого образца находятся в звуковом диапазоне частот. Поэтому в качестве источника вынужденных колебаний, был выбран акустический излучатель (динамик) 28СК08РЫ, который имеет следующие технические характеристики: импеданс 8 Ом, максимальная мощность 500 мВт, диапазон частот 300—20000 Гц. Амплитуда и частота электрического сигнала, подаваемого с генератора на акустический излучатель, контролировалась при помощи измерительного прибора МАБТЕСН МУ-68.
По результатам проведенных экспериментов построена зависимость количества циклов до разрушения от частоты вынужденных колебаний (рис. 5). По графику видно, что вынужденные колебания сокращают продолжительность сопротивления образца усталостным воздействиям.
Были построены кривые усталости по результатам испытаний по схеме трехточечного изгиба без приложения вынужденных колебаний и с приложением вынужденных колебаний на частоте 12354 Гц, для образцов 120 х 9.5 х 4 мм в полулогарифмических координатах для малоцикловой области (рис. 6).
Если выразить уравнения прямых в виде у = кх + Ь, при х = Ьвд10(Ы), получаем следующие равенства: для экспериментов полу-
Рис. 4. Зависимость частоты собственных колебаний от относительной деформации при трехточетном изгибе.
10000
4000 -I-1-1-т-т-т-т—
0 2000 4000 6000 3000 10000 12000
Частота вынужденных колебаний уб7 Гц Рис. 5. Зависимость количества циклов до разрушения от частоты вынужденных колебаний
а
С
1150
, 1050
а
Щ «
Рн С
<л К
И
о
й
С
950
850
750
650
550
450 1000
Е = 0,9785
К- = 0.993 I
| Рвк=0Гц
* Рек=12354ГЦ
10000
Число циклов до разрушения Мр
Рис. 6. Кривые усталости без приложения вынужденных колебаний и с приложением вынужденных колебаний на частоте 12354 Гц
ченных без вибрационного воздействия У¥вк = о = —8.11 • 108х + 3.57 • 109; при приложении вынужденных колебаний с частотой 12354 Гц уРвк = 12354 = -9.01 • 108х + 3.82 • 109.
Полученные уравнения характеризуют изменение угла наклона зависимости количества циклов до разрушения от приложения вынужденных колебаний, что позволяет оценить закономерности разрушения и применить результаты при расчете трубопроводных систем.
С позиции бимодального распределения усталостной долговечности 6, вынужденные колебания являются причиной изменения диссипации энергии при зарождении усталостной трещины, в результате чего происходит бифуркационный (разветвленный на две части) переход от одного способа поглощения энергии металлом к другому при зарождении усталостной трещины.
Результаты исследований показывают, что вынужденные колебания в совокупности с усталостными и статическими нагрузками способны значительно сократить период сопротивления усталостному воздействию и, соответственно, привести к преждевременному разрушению. Данный факт необходимо учитывать на этапе проектирования и при контроле текущего состояния оборудования с целью повышения достоверности и адекватности выводов.
Литература
1. Габбасова А. Х. Оценка долговечности технологических трубопроводов с учетом вынужденных колебаний: Дисс. на соиск. уч. степени кандидата техн. наук.- Уфа: УГНТУ, 2002.- 110 с.
2. Расчет трубопроводов энергетических установок на прочность РТМ 24.038.08-72. Изменение
№1 к РТМ 24.038.08-72.- М.: Министерство тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения, 1973.
Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов РТМ 38.001-94.- М.: ВНИПИНефть, 1994.
Залмазон Л. А. Преобразование Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях.- М.: Наука. Гл. ред. физмат. лит., 1989.- 496 с.
Тукаева Р. Б., Максименко М. З., Закиров О. А., Краснов В. И., Хлесткина В. Л. Определение критического числа оборотов вала. Методические указания к лабораторным работам для студентов дневного, вечернего и заочного обучения и самостоятельной работы студентов специальностей 17.05.01. УГНТУ, 1990.- 29с. Шанявский А. А. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации.- Уфа: ООО «Монография», 2007. -500 с., ил.
3
4
5
6
