Моделирование аварийного разрыва газопровода на подводном переходе

МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНОГО РАЗРЫВА ГАЗОПРОВОДА НА ПОДВОДНОМ ПЕРЕХОДЕ

С.В. Ганага, С.А. Ковалев

С целью определения уровней механических воздействующих факторов на объекты, расположенные в непосредственной близости от места аварии, с разрывом подводного магистрального трубопровода проводилось численное моделирование последствий этого разрыва. Общий вид моделей среды и трубопроводов, разработанных в пакете прикладных программ ANSYS/LS-DYNA, представлен на рис. 1.

Подводный переход моделировался в двухниточном исполнении (основная и резервная нитки), расстояние между трубами - 2 м. Трубы имели внутренний диаметр 1 м, материал - сталь 17ГС, толщину стенки - 20 мм. Снаружи трубы изолировались бетонной рубашкой толщиной 100 мм. Трубопроводы располагались на глубине 25 м. Давление газа в трубе - 7,5 МПа.

Разрушение трубы моделировалось двумя способами - мгновенного разрыва длиной 20 м, а также с учетом реальной скорости роста трещины 150 м/с при аналогичной длине разрушения. Раскрытие трещины рассчитывалось по модели упругопластической деформации металла трубы с учетом бетонной рубашки.

На рис. 2 в качестве примера представлены интенсивности напряжений (а) и пластические деформации (б) для трубопроводов на момент времени 0,05 с после начала аварии для разрыва с учетом конечной скорости развития трещины.

Как показывают расчеты, в начальные моменты начинает надуваться газовый пузырь (рис. 3), давление в котором уменьшается со временем. Форма и размеры пузыря существенно зависят от модели разрыва трубы. Начало координат расчетной сетки здесь и далее расположено на пересечении центра аварийной трубы и плоскости симметрии сетки. Расчеты проводились для различных вариантов расположения трещины - с обоих боков, сверху и снизу. При этом рассчитывалось воздействие на соседнюю трубу и проверялись возможности возникновения каскадной аварии.

Э!

та

Рис. 1. Модель двухниточного подводного трубопровода

а

SEA.PIPES 041

Time = 0,045999 Contours of Effective Plastic Strain max ipt. value min=0. at elem? 36883 max=0.321526. at elem# 35969

б

Рис. 2. Интенсивности напряжений (а) и пластические деформации (б) для трубопроводов на момент времени 0,05 с

б

Рис. 3. Поле течения газа из разрыва трубы при расчете по модели мгновенного разрыва участка 20 м

Общая физическая картина течения газа и поле давления в различные моменты времени показаны на рис. 4-6. Для примера приведен расчет по модели трещины, растущей вдоль боковой образующей от второй трубы со скоростью 150 м/с. Видно, что газовый пузырь быстро раздувается, и уже к моменту времени 0,07 с давление в нем падает практически до давления воды на глубине прокладки трубопровода.

Рис. 4. Поле давлений для модели роста трещины на момент 0,02 с

Рис. 5. Поле давлений для модели роста трещины на момент 0,03 с

Рис 6. Поле давлений для модели роста трещины на момент 0,06 с

На рис. 6-9 приведены графики изменения давления в воде для точек пространства, расположенных в поперечном к трубопроводу сечении трубы в месте разрыва трубопровода во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей х и у (расположение осей см. на рис. 1). Из графиков видно, что максимальное давление в волне сжатия, которая распространяется в воде после аварии, быстро спадает с удалением от места разрыва.

p, МПа

2,5

1,5

0,5

-

- / \

- / \

- 1 с

- 1 Э

1 о ГО - . \Х  . о ^^ \Е^У Р Р В ч ': ^1

0,02

0,04

0,06

t, °С

3

2

1

0

0

Рис. 6. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси х в горизонтальной плоскости (у = 0) при моделировании роста трещины со скоростью 150 м/с: А - х = 2,3 м; В - х = 1,3 м; С - х = -1,6 м; й - х = -2,8 м; Е - х = -4,1 м; ^ - х = -5,5 м

р, МПа

2,5

1,5

0,5

А /\

/ \ / \ / / \ В

- / / \ /\ \ \

- / / \ 1 / \ X /Ч 0

" /в / / \ \ у' V

1 1 1 1

0,02

0,04

0,06

Г, °С

Рис. 7. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси у в вертикальной плоскости (х = 0) при моделировании роста трещины со скоростью 150 м/с: А - у = 0,9 м; В - у = 1,8 м; С - у = 2,6 м; й - у = 3,4 м

р, МПа

0,02

0,04

0,06

0,08

Г, °С

2

1

0

0

0

Рис. 8. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси х в горизонтальной плоскости (у = 0) при мгновенном разрыве трубы: А - х = 2,3 м; В - х = 1,3 м; С - х = -1,6 м; й - х = -2,8 м; Е - х = -4,1 м; Р - х = -5,5 м

р, МПа

2,5

1,5

0,5

А

- в

1 А - (\ \ \ \ V \

Х\ V \

| 1 // / V? /А \У\ \

1 _ 11 \ \

0,02

0,04

0,06

0,08

Г, °С

Рис. 9. Зависимость давления в воде для точек вдоль оси у в вертикальной плоскости (х = 0) при мгновенном разрыве трубы:

А - у = 0,9 м; В - у = 1,8 м; С - у = 2,6 м; й - у = 3,4 м

3

2

0

0

а

б

Рис. 10. Поле скоростей для трубопроводов на момент времени 0,06 с от начала разрыва для модели мгновенного

и плавного (б) разрывов

Производился расчет максимальной скорости движения трубы, разогнанной за счет газового пузыря, в направлении второй трубы. В качестве примера на рис. 10 представлено поле скоростей для трубопроводов на момент времени 0,06 с от начала разрыва для модели мгновенного (а) и плавного (б) бокового разрывов трубы аварийного газопровода.

Выводы

В результате численного моделирования распространения волны сжатия в водной среде определялись параметры движения газового пузыря и кинематические характеристики газопроводов до момента установления квазистационарного истечения газа из аварийного отверстия.

Установлено, что в результате волны сжатия, распространяющейся в воде от места разрыва газопровода и порожденной расширением газового пузыря, сечение соседней трубы, минимально удаленное от места разрыва, получает максимальную скорость (около 4 м/с) через 0,07 с. Максимальная скорость движения границы газового пузыря достигает 50 м/с и замедляется со временем. При этом сближения и соударения труб при движении под действием реактивной силы расширяющегося газового пузыря не происходит.

В зоне расположения соседней трубы максимальное давление достигает величины 3,5 МПа. Профиль давления носит плавно нарастающий неударный характер. Для областей, расположенных далее 5 м от места разрыва, для заданных начальных условий амплитуда волны сжатия не превышает 1 МПа. Максимальные напряжения и деформации соседней трубы в результате воздействия аварии не превышают уровней начала пластических изменений.