Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния подводного перехода на реке Панинский Еган мн «Александровское - Анжеро-Судженск»

© М.В. Балахонцев, П.В. Бурков, С.П. Буркова, 2012

М.В. Балахонцев, П.В. Бурков, С.П. Буркова

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВОДНОГО ПЕРЕХОДА НА РЕКЕ ПАНИНСКИЙ ЕГАН МН «АЛЕКСАНДРОВСКОЕ — АНЖЕРО-СУДЖЕНСК»

Цепью работы является изучение поведения и исследование напряженно-деформированного состояния подводного перехода реки Панинский Еган. Под действием сип разносторонних сип, действующих вертикально снизу вверх и сверху вниз, трубопровод меняет свое геометрическое положение. Результаты исследований показали, что в трубопроводе возникают напряжения, которые переменны по длине трубы. Участки трубопровода, находящиеся по середине подводного перехода, характеризуются повышенным уровнем напряжения.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, нефтепровод, подводный переход, напряжения.

Магистральные и технологические трубопроводы, несмотря на внешнюю конструктивную простоту, принципиально отличаются от других сооружений сложной схемой действующих силовых факторов, следовательно, неопределенностью уровня напряженно — деформированного состояния, масштабностью и т.п.

Повышение надежности трубопроводов становится актуальной проблемой на всех этапах: проектирования, сооружения и эксплуатации трубопроводных систем. Весьма важно установить адекватность поведения сооруженного трубопровода под действием эксплуатационных и внешних воздействий расчетной схеме, принятой в нормах и правилах, т.е. необходимо исследовать конструктивную надежность трубопроводов.

На первый план решения проблемы о надежности выдвигаются задачи расчета на прочность, устойчивость, долговечность. Для их решения необходимы: информация о нагрузках и воздействиях на трубопровод, анализ напряженно — деформированного состояния, что в итоге позволит сделать расчеты надежности и ресурса.

В настоящее время интенсивное развитие получают численные методы, позволяющие значительно расширить класс и постановку решаемых задач за счет более полного учета реальных условий на-

гружения и свойств используемых материалов. Среди этих методов наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). К достоинствам МКЭ следует отнести и минимум требований к исходной информации, и оптимальную форму результатов. Учет температурного влияния и работы конструкции не вносит в реализацию метода принципиальных затруднений.

Рассматриваемый подводный переход магистрального нефтепровода «Александровское — Анжеро-Судженск» через р. Панинский Еган двухниточный — основная нитка диаметром 1220 мм и резервная нитка диаметром 1000 мм проложены в одном техническом коридоре. Расстояние между нитками нефтепровода на участке перехода составляет 50 м. Исследуется схема подъема участка трубопровода со следующими параметрами: наружный диметр 1220 мм, толщина стенки — 15,2 мм, длина -10 м. Трубопровод изготовлен из трубной стали 17Г1С.

При определении надежности трубопроводов Западной Сибири необходимо проанализировать работоспособность подводных переходов нефтепровода. При этом требуется количественно оценить действие сил на напряженно-деформированное состояние конструкции[1,2].

Целью данной работы является изучение поведения трубопровода на подводном переходе, а также исследование его напряженно-деформированного состояния и оценка его работоспособности.

Техническое состояние подводного перехода определяется по данным осмотров и обследований путем сопоставления этих данных с проектными и нормативными требованиями.

Основными факторами, определяющими техническое состояние перехода, являются:

• соответствие положения трубопровода проектному;

• величина заглубления подводного газопровода в русле реки;

• достаточность и сохранность балластировки газопровода;

• целостность антикоррозионной изоляции трубопровода;

• фактическая толщина стенки в сопоставлении с минимальной расчетной (проектной);

• отсутствие или наличие мест утечки газа;

• деформация (размыв) дна и береговых склонов водной преграды, в том числе состояние крепления берегов на участке перехода;

• состояние информационных знаков и опорной топографической основы.

Состояние данного перехода является предельным т.к. наблюдаются следующие признаки неисправности:

• наличие на подводном трубопроводе провисающего участка длиной, превышающей 70 % критической длины;

• наличие вибрации трубопровода под воздействием течения;

• уменьшение толщины стенки трубопровода в результате многолетней эксплуатации и (или) коррозии более чем на 12 %;

• значительные повреждения крепления берегов в подводной части с оголением трубопровода.

Для решения данной задачи в программе ANSIS принимается ряд допущений:

• учитываются только постоянные нагрузки,

• погодные условия не учитывают,

• скорость течения реки не учитывается.

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

Рис. 1. Равномерно распределенная нагрузка

Рис. 2. Напряжения по Мизесу

Рис. 3. Деформации по оси У, возникающая при дейсивии распределенной нагрузки на подводный переход трубопровода.

Рис. 4. Распределение деформаций (И) по длине (Ь)участка трубопровода

После принятия допущений на рассматриваемом подводном переходе действуют следующие силы:

• нагрузка, возникающая от собственного веса трубопровода,

• нагрузка, возникающая от веса изоляции,

• нагрузка, возникающая от веса перекачиваемого продукта,

• нагрузка, вызванная давлением выше лежащего слоя воды,

• архимедова сила.[3]

й Па напряжение в трубопроводе

45000000 40000000 35000000 30000000 25000000 20000000 15000000 10000000 50000000

о

Рис. 5. Распределение напряжений (S) по длине (Ь)участка трубопровода

Действие всех сил можно представить как равномерно распределенную нагрузку (рис. 1), что позволяет упростить задачу и провести расчет напряженно-деформированного состояния в программе ANSIS.[4]

Изменение геометрии трубопровода при длительной эксплуатации в условиях предельного состояния подводного перехода меняет напряженно-деформированное состояние (НДС), что предопределяет необходимость полного анализа величины НДС с учетом физической и геометрической нелинейности системы «труба-вода».

Для определения в стенке трубы напряжений, превышающих допустимые, и установления диапазона изменения численных характеристик процессов, влияющих на деформацию, проводится расчет напряжений (на прочность), возникающих при предельной эксплуатации трубопровода, с помощью программного продукта ANSIS применительно к эксплуатации трубопроводов подводных переходов. При этом принимаются допущения, соответствующие наиболее простому из возможных вариантов взаимодействию трубы и контактирующего с ней воды: в начале и конце трубопровода отсутствуют перемещения по оси У.

На рис. 2 и 3 показан результат расчета действия распределительной нагрузки на участок трубопровода, полученный с помощью программы ANSYS, а на рис. 4 и 5 показана интер-

претация данного результата в графическом виде, выполненная в Microsoft Excel.

Полученные и представленные на рис. 4 и 5 результаты позволяют сделать следующие выводы:

• изменение значений напряжений, возникающих при эксплуатации трубопровода, может достигать величин, близких к пределу текучести стали, что снижает уровень надежности трубопровода;

• суммарные перемещения переменны по длине трубы, и существенно зависят от действия распределенных нагрузок от веса самой трубы и перекачиваемой нефти, а также гидростатического давления и выталкивающей силы водыя;

• изменение условий взаимодействия трубы с окружающей средой (вода) усложняют процессы деформации, что вызывает необходимость более детального исследования напряженно-деформированного состояния нефтепровода с учетом различных физико-механических свойств среды.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шаммазов А. М., Мугаллимов Ф. М., Нефедова Н. Ф. Подводные переходы магистральных нефтепроводов. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. — 237 с.: ил. — ISBN 5—8365—0049—5.

2. Бурков П. В. Оценка напряжённо-деформированного состоя-ния верхнего перекрытия механизированной крепи МКЮ.2Ш-17 про-изводства ОАО СХК «Юрмаш завод» / П. В. Бурков, К. В. Епифанцев // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений, апрель 2009. — Донецк 2009. — С. 23—26.

3. ГольдинЭ.Р, ЛевинС.И, Зуев О.С. РД 51—3-96. — (http://www.tehlit.ru).

4. Чигарев А.В., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справ.пособие. -М.: Машиностроение 1, 2004. — 512с. ii^J-i

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Балахонцев Максим Валерьевич — магистрант,

Бурков П.В. — доктор технических наук, профессор, burkovpv@mail.ru, Буркова С.П. — кандидат технических наук, доцент,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет.

д