Исследование напряженно-деформированного состояния и оценка прочности трубопроводных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Ефимов, Артем Игоревич

• Ефимов, Артем Игоревич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ефимов, Артем Игоревич

Введение

Принятые сокращения и обозначения

Глава I. Оценка работоспособности трубопроводов нефтегазовых сооружений

1.1. Состояние проблемы

1.2. Выбор расчетно-экспериментального подхода для исследований

1.3. Техническая диагностика трубопроводных систем различного функционального назначения

Глава II. Исследование прочности трубопроводных систем

2.1. Исследование коэффициентов концентрации напряжений в трубопроводах с дефектами

2.2. Выбор критериев прочности

2.3. Трубопроводы из полимерных и композиционных материалов

2.4. Оценка работоспособности полимерного армированного трубопровода

Глава III. Разработка методики оценки работоспособности трубопроводов при динамическом нагружении

3.1. Работоспособность трубопроводных систем при динамическом нагружении

3.2. Влияние различных дефектов на работоспособность конструкций трубопроводов

3.3. Техническая диагностика и оценка ресурса технологических трубопроводов узлов редуцирования

3.4. Методика оценки остаточного ресурса технологических трубопроводов 100 Выводы 110 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование напряженно-деформированного состояния и оценка прочности трубопроводных систем»

Трубопроводный транспорт играет одну из решающих ролей в современной технике. В настоящее время Россия имеет надежную систему трубопроводного транспорта для нефти и газа и продуктов их переработки -самую протяженную в мире. Реализуются крупные проекты по новой газотранспортной системе, не имеющие мировых аналогов. С другой стороны, трубопроводные системы жилищно-коммунальной отрасли и реального сектора экономики страны практически не модернизировались в течение последних пятнадцати лет и их техническое состояние оставляет желать лучшего. Из изложенного следует актуальность и современность задачи оценки прочности и ресурса трубопроводных систем различного функционального назначения.

Основной целью работы является исследование прочности трубопроводов различного назначения для прогнозирования срока их ремонта или замены. Поставленная цель достигается путем последовательного решения следующих задач:

- разработки методик математического моделирования задач исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов в статической постановке с учетом возможных дефектов в трубе;

- оценки влияния динамических нагрузок на прочность трубопроводов;

- проведение комплекса работ по техническому диагностированию трубопроводных систем различного назначения;

- обоснованию критерия прочности трубопроводов (в том числе и из полимерных и композиционных материалов) и разработки подходов для оценки остаточного ресурса их эксплуатации.

Работа в целом является теоретико-экспериментальной. Теоретические разработки состоят в математическом моделировании методом конечных элементов (МКЭ) трубопроводных систем для исследования их напряженнодеформированного состояния. Экспериментальные подходы использовались при технической диагностике трубопроводных систем и обосновании критерия прочности трубы.

На защиту выносятся следующие положения:

-подход для комплексного диагностического сопровождения трубопроводных систем различного функционального назначения;

- алгоритм и программный комплекс стохастического метода конечных элементов, позволяющий при расчете наряду с номинальными значениями искомых величин (математические ожидания) получать и их дисперсии;

-установленные закономерности поведения коэффициентов концентрации напряжений в дефектах стальных трубопроводных систем;

-обоснованный критерий прочностной работоспособности трубопроводов, в том числе и из композиционных материалов.

Основными научными результатами, полученными в работе, являются:

- предложенный алгоритм стохастического метода конечных элементов, позволяющий наряду с математическими ожиданиями искомых величин единой процедурой определять и их дисперсии, что важно для вероятностных оценок прочностной работоспособности конструкций;

-установленный эффект снижения уровня коэффициента концентрации напряжений в стальных трубопроводных системах с дефектами в 1,2. 1,5 раза при учете реальных диаграмм деформирования трубных сталей с пределом текучести в интервале 380. .450 МПа;

-сформулированные и обоснованные допустимые уровни напряжений при динамическом нагружении трубопроводов для обеспечения прочности, которые должны составлять стдин. < 0,1астат. при скорости вибрации трубы не более 10 мм/с.

Практическая значимость работы состоит в решении задач, позволяющих: оперативно исследовать влияние дефектов на прочность трубопроводов с выдачей рекомендаций по их ремонту, либо замене дефектных участков;

- прогнозировать остаточный ресурс трубопроводных систем и назначать время, необходимой в дальнейшем технической диагностики конструкции;

-разрабатывать технические мероприятия по повышению прочностной работоспособности трубопроводных систем: использованию композиционных труб и демпферов; обеспечение «рассогласованности» вынужденных и собственных динамических частот и т.п.

Основные результаты работы в виде полученных методических подходов непосредственно внедрены в практику проектирования и эксплуатации магистральных трубопроводов в ООО «Лукойл-Пермь», ООО «Газпром трансгаз Чайковский» и для различных водоводов в г.Перми в компании «Новогор-Прикамье».

Отдельные результаты работы поэтапно докладывались на II и III Уральских конференциях «Полимерные материалы и двойные технологии» г.Пермь, 1997 и 1999 г.г., научно-технических конференциях «Социально-экономические проблемы развития региона», г. Чайковский 2003 и 2004 г.г., II Всероссийской конференции молодых ученых, преподавателей, аспирантов и студентов г. Ижевск, 2007 г. По теме диссертации опубликовано семь научно-технических статей и тезисов конференций.

Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. Содержит 120 страниц машинописного текста, включая 11 таблиц и 30 иллюстраций.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Ефимов, Артем Игоревич

6. Результаты работы в виде отраслевых методических руководств, критериальных оценок прочности и остаточного ресурса трубопроводов использовались как для «сухопутных» газотранспортных сооружений в ООО «Мострансгаз», так и морских нефтегазоввых объектов в ОАО «Сахалинморнефтегаз», на арктическом шельфе (Байдарацкая губа) и Черном море.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ефимов, Артем Игоревич, 2010 год

1. Бородавкин П.П., Березин B.JL, Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы. -М.: Недра, 1979. 415 с.

2. Гусейнов Ч.С., Иванец В.К., Иванец Д.В. Обустройство морских нефтегазовых месторождений. — М.: ГУЛ Изд-во «Нефть и газ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. 608 с.

3. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. М.: Недра, 2000. - 467 с.

4. Литвин И.Е., Аликин В.Н. Оценка показателей надежности магистральных трубопроводов. М.: Недра, 2003. — 167 с.

5. Якубович В.А. Диагностическое обслуживание трубопроводных систем компрессорных цехов газотранспортных и газодобывающих предприятий. Автореф. дисс. соиск. уч. степ. докт. техн. наук. — М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. — 53 с.

6. Гриценко А.И., Харченко Ю.А., Клапчук О.В. Гидродинамика газожидкостных смесей в скважинах и трубопроводах. — М.: Недра, 1994. -279 с.

7. Харченко Ю.А. Энергосберегающие системы сбора углеводородов на месторождениях континентального шельфа. Автореф. дисс. соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. - 47 с.

8. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И. Теория и практика предупреждения осложнений и ремонта скважин при их строительстве и эксплуатации: Справ, пособие: в 6 т. М.: Недра, 2004. - Т. 6. - 447 с.

9. Алехин М.И., Будников В.Ф., Щербина М.М. О причинах коррозионного разрушения оборудования на участках термических методов добычи нефти// Сб. науч. тр. Вопросы технологии и техники добычи нефти термическим методами. М.: ВНИИОЭНГ, 1989. - с. 39-44.

10. Аварии и несчастные случаи в нефтяной и газовой промышленности России/ Под ред. Ю.А. Дадонова, В.Я. Кершенбаума. М.: Техно-нефтегаз, 2001. — 2-1 с.

11. Скугорова Л.П. Материалы для сооружений газонефтепроводов и хранилищ . М.: Недра, 1975. - 320 с.

12. Амиров А.Д. Техника и технология освоения и эксплуатации глубоких скважин. М.: Недра, 1970. - 247 с.

13. Горяинов Ю.А., Федоров А.С., Васильев Г.Г. и др. Морские трубопроводы. -М.: Недра, 2001. 131 с.

14. Новаковский В.М.Преодоление коррозии — важнейшая задача науки/ М-лы II межд. конгресса «Защита-95». — М.: ГАНГ им. И.М. Губкина, 1995. — с.74-79.

15. Полянский Р.П., Пастернак В.И. Трубы для нефтяной и газовой промышленности за рубежом. М.: Недра, 1979. — 215 с.

16. Козаченко А.Б., Никишин В.И., Поршаков Б.П. Энергетика трубопроводного транспорта газов. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001. — 400 с.

17. Положение по технической эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов/ В.М. Клищевская, Н.В. Ушин, Н.И. Цыбулько и др. ВРД 39-1.10-069-2002-М.: РАО ГАЗПРОМ, 2003. 94 с.

18. Метод конечных элементов в задачах нефтегазопромысловой механики/ В.Н. Аликин, И.Е. Литвин, С.М. Щербаков, В.П. Бородавкин. М.: Недра, 1992.-288 с.

19. Чигарёв В.А., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справ, пособие. -М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

20. Гриценко А.И., Хачатурян С.А. Газодинамические процессы в трубопроводах и борьба с шумом на компрессорных станциях. М.: Недра, 2002. - 335 с.

21. Наука и высокие технологии России на рубеже третьего тысячелетия/ Под ред. B.JI. Макарова и А.Е. Варшавского. М.: Наука, 2001. -636 с.

22. Макеев В.П., Ершов Н.П. Конструкции из композиционных материалов в современной технике// Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева. № 3.-1978.-с. 245-248.

23. Якубович В.А. О возможности возникновения высокочастотной вибрации трубопроводной обвязки ГПА при резонансах КС// В сб. Доклады XXI межд. сем. «Диагностика оборудования компрессорных станций. — Светлогорск: сентябрь 2002 г., ИРЦ ГАЗПРОМ, с. 94-98.

24. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.-541 с.

25. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир, 1977.-344 с.

26. Басов. ANSYS в примерах и задачах/ Под общей редакцией Д.Г. Красковского. — М.: Компьютер-Пресс, 2002. 224 с.

27. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. -М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

28. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1984. - 245 с.

29. Каталог технологического оборудования действующих газораспределительных станций магистральных газопроводов с рекомендациями по реконструкции и модернизации. РАО «Газпром», ДАО «Оргэнергогаз». М.: ИРЦ Газпром, 1994. - 72 с.

30. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. — М.: Наука, 1986.-560 с.

31. Морозов A.M., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980. - 256 с.

32. Иванцов О.М., Харитонов В.И. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1978. - 217 с.

33. Сиратори М., Миеси Г., Мацумта X. Вычислительная механика разрушения. — М.: Мир, 1986. — 334 с.

34. Захаров М.Н., Лукьянов В.А. Прочность сосудов и трубопроводов с дефектами стенок в нефтегазовых производствах. — М.: ГУЛ Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. 216 с.

35. Броск Д. Основы механики разрушения. — М.: Высшая школа, 1980.-368 с.

36. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. — М.: Машиностроение, 1981. — 272 с.

37. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов под давлением. М.: Энергоатомиздат, 1997.-288 с.

38. Денис Руди М. Оценка допустимости коррозионных дефектов// Трубопроводный транспорт нефти. — 1997. № 4. - с. 28-34.

39. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.-239 с.

40. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. -М.: Транспорт, 1980. 246 с.

41. Дорошко С.М. Контроль и диагностирование технического состояния газотрубопроводных двигателей по вибрационным параметрам. -М.: Транспорт, 1984. 128 с.

42. Синюков A.M., Бородавкин П.П., Литвин И.Е. Основы расчёта надёжности и оптимизации коэффициентов запаса прочности основных несущих элементов магистральных трубопроводов. — М.: ГУЛ Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. 242 с.

43. Ушин Н.В., Литвин И.Е., Аликин В.Н. Оценка прочности технологических трубопроводов, подверженных коррозии/М-лы XXII Российской школы по проблемам науки и технологий. — Миасс, 2003. — с. 45.

44. Гольденблат И.И., Копнов В. А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. — М.: Машиностроение, 1968. — 191 с.

45. Методика определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений. ОСТ 153-39.4-010-2002. Уфа.: 2002. - 57 с.

46. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов. М.: Наука, 1972.-328 с.

47. Критерии прочности и расчёт механической надёжности конструкций/В.Н. Аликин, П.В. Анохин, Г.Л. Колмогоров, И.Е. Литвин. -Пермь.: ПГТУ, 1999. 158 с.

48. Капур К., Ламберсон Л. Надёжность и проектирование систем. — М.: Мир, 1980.-606 с.

49. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

50. Волков Б.Е., Судаков Р.С., Сырицин Т.А. Основы теории надёжности ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1974. — 399 с.

51. Лавендел Э.Э. Расчёт резинотехнических изделий. М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.

52. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов/Под ред. А.К. Дерцакяна. Л.: Недра, 1977. - 519 с.

53. Магистральные трубопроводы. Строительные нормы и правила СНиП 2.05.06.-85*. М.: ЦИТП Госстроя, 1997. - 52 с.

54. Нормы поектирования и строительства морского газопровода. Ведомственные нормы ВН 39-1.9-005-98. М.: ИРЦ Газпром, 1998. - 32 с.

55. Гудрамович B.C., Переверзев Е.С. Несущая способность и долговечность элементов конструкций. — Киев.: Наукова думка, 1981. 176 с.

56. Горянов Ю.А., Резуненко В.И., Фёдоров А.С., Фейгин Б.Л. Газопровод Россия Турция: исследование т-руб на смятие//Газовая промышленность. - 1999. - №8. - с. 1. - с. 5 - 16.

57. Горянов Ю.А., Резуненко В.И., Фёдоров А.С., Фейгин Б.Л. Газопровод Россия Турция: защита глубоководного участка от лавинного смятия/ТГазовая промышленность. - 1999. №5. - с. 82 — 83.

58. Иванцов О.М., Харионовский В.В., Черний В.П. Сопоставление методик расчёта магистральных трубопроводов по нормам России, США, Канады и европейских стран. М.: ИРЦ Газпром, 1997. - 51 с.

59. Кодолов В.И., Кибенко В.Д. Основы технологии переработки полимерных материалов. — Ижевск.: Ижевск, мех. институт, 1991. — 190 с.

60. Ершов Н.П. Состояние и перспективы развития расчётно-экспериментальных работ в области проектирования тонкостенных конструкций из композиционных материалов//Механика композиционных материалов. №1. - 1998. - с. 86-92.

61. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчёт многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1984.-264 с.

62. Баженов В.А., Гольденблат И.И., Копнов В.А., Поспелов А.Д., Синюков A.M. Пластинки и оболочки из стеклопластика. М.: Высшая школа, 1970.-408 с.

63. Аугусти Г., Баратта А., Кашпати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М.: Стройиздат, 1988. - 584 с.

64. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и низкотермическом малоцикловом разрушении. М.: Наука, 1979. - 295 с.

65. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. — М.: Мир, 1980. 616 с.

66. Харченко Ю.А. Классификация гидродинамических процессов в однотрубных системах сбора нефти и газа//Нефтяное хозяйство №8. - 2004. -с. 118-122.

67. Якубович В.А. Снижение резонансных вибраций оборудывания компрессорных станций//Обз. инф. сер. «Машины и нефтяное оборудование». -М.: ВНИИОЭНГ, 1979. 67 с.

68. Образцов И.Ф., Савельев JI.M., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. — М.: Высшая школа, 1985. — 392 с.

69. Притула В.А. Катодная защита от коррозии. M-JL: Госэнергоиздат, 1962. — 254 с.

70. Жук Н.П. Коррозия и защита металлов. — М.: Машгиз, 1957. —331 с.

71. Зиневич A.M., Глазков В.И., Котик В.Г. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии. М.: Недра, 1975. — 288 с.

72. Стрижевский И.В., Зиневич A.M., Никольский К.К., Глазков В.И. Защита металлических сооружений от подземной коррозии. — М.: Недра, 1981.-293 с.

73. РД 153-39.4-091-01 «Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии. С-Пб.: 2002. — 240 с.

74. ВСН 012-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приёмка работ. Часть I. М.: 1988 28 с.

75. РД 34.17.302-97. Котлы паровые водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды. Сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения. М.: 1997.

76. Аликин В.Н. Разработка рецептур, освоение технологий производства конструкций из термореактивного циклически стойкого полиуретана//Химическая технология. № 9. — 2000, с. 28-33.

77. РД 12-411-01. Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных трубопроводов. — М.: Гостехнадзор, 2002. — 120 с.

78. ГОСТ 9.602.-89.* Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. — М.: 1989.

79. Кривошеин Б.JI., Тугунов П.И. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. — М.: Наука, 1985. 324 с.

80. Указания по расчёту параметров электрохимической защиты подземных коммуникаций компрессионных станций. РМ 51-11-75. М.: Мингазпром, 1975. - 50 с.

81. ВРД 39-1.10-069-2002. Положение по технической эксплуатации газораспределительных станций магистральных трубопроводов. — М.: 2003. -94 с.

82. Цикерман Л.Я. Долгосрочный прогноз опасности грунтовой коррозии металлов. — М.: Недра, 1966. 175 с.

83. Бекман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии. М.: Металлургия, 1984. - 495 с.

84. Методика комплексной коррозионной диагностики распределительных газопроводов. -М.: Газпром, 2003. 70 с.

85. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. ГОСТ 27.002-89. М.: Изд-во Стандартов, 1990. - 37 с.

86. Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С. Безопасность нефтепроводов. М.: Недра, 2000.-310 с.

87. Харионовский В.В. Диагностика и ресурс газопроводов: состояние и перспективы//Газовая промышленность. 1995. - №11. — с. 2830.

88. Аликин В.Н., Милёхин Ю.М., Пак З.П. Пороха. Топлива. Заряды. Том I. Методы математического моделирования для исследования зарядов твердого топлива. М.: Химия, 2003. — 216 с.

89. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчёт элементов конструкций на прочность.-М.: Машиностроение, 1990. 448 с.

90. Методика расчёта технологических трубопроводов компрессорных станций — М.: ВНИИГАЗ, 1992. — 53 с.

91. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1990 — 448 с.

92. Ржаницин А.Р. Теория расчёта строительных конструкций на надёжность. М.: Стройиздат, 1986. - 386 с.

93. Чирков В.П. Вопросы надёжности механических систем. М.: Знание, 1981.-121 с.

94. Фомин Я.А. Теория случайных процессов. М.: Наука, 1969.387 с.

95. Критерии прочности и надёжность конструкций/Н.В. Ушин, В.Н. Аликин, И.Е. Литвин, С.Г. Сесюнин, М.И. Соколовский. М.: Недра, - 2005. -211 с.

96. Гольденблат И.И, Бажанов В.А., Копнов В.А. Длительная прочность в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1977. — 218 с.

97. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.: Машиностроение, 1964. - 308 с.

98. Зайнуллин Р.С. Гумеров А.Г. Повышение ресурса нефтепроводов. М.: Недра, 2000. - 494 с.

99. Братухин А.Г., Решетников Ю.Е., Иноземцев А.А. Основы технологии создания газотрубных двигателей. М.: Авиатехинформ, 1999. -554 с.

100. Обухов А.С. Расчёт на прочность конструкций из стеклопластика и пластмасс в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. — М.: Машиностроение, 1978. 148 с.