авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Квазистатическое состояние и динамические возмущения надземных магистральных трубопроводов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Стенина Татьяна Евгеньевна

Квазистатическое состояние и динамические возмущения

надземных магистральных трубопроводов

01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре динамики и прочности машин им. В.В. Болотина

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Чирков Виктор Петрович
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Белостоцкий Александр Михайлович - доктор технических наук, профессор Матвиенко Юрий Григорьевич
Ведущая организация: - ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Защита состоится «18» декабря 2009 г. в 1500 часов в аудитории Б-112 на заседании диссертационного совета Д 212.157.11 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14. Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан _______________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Трифонов О.В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов играет важнейшую роль в топливно-энергетическом обеспечении хозяйственного комплекса России, в ее устойчивом экономическом развитии. Главной ресурсной базой газовой промышленности и центром добычи газа на ближайшую перспективу остается Западная Сибирь. Вместе с тем в ближайшие годы компенсация падения добычи газа в этом регионе будет происходить за счет Заполярного и других месторождений Крайнего Севера. Таким образом, начало транспортировки газа все более и более смещается в зоны многолетнемерзлых и вечномерзлых грунтов. В связи с этим возрастает внимание к трубопроводам, прокладываемым в условиях вечной мерзлоты, результатам эксплуатации уже действующих надземных трубопроводов. Чрезвычайно актуальна оценка адекватности сложившихся к настоящему времени расчетных методик, нормативных требований к их проектированию, строительству и эксплуатации.

Эксплуатационная надежность трубопроводов закладывается при проектировании и обеспечивается качеством строительно-монтажных работ и обслуживания эксплуатирующей организацией в течение всего срока эксплуатации. Особое значение, определяющее качество проекта, имеют расчеты на прочность трубопроводной системы, которые должны быть адекватны конструктивному исполнению и действующим нагрузкам. Требования к проведению расчета на прочность и устойчивость надземных трубопроводов, а также к учитываемым нагрузкам и воздействиям достаточно подробно регламентированы в строительных нормах. Вместе с тем, в действующих нормах опущены требования к выполнению расчетов напряженно-деформированного состояния надземных трубопроводов, связанные с учетом истории их нагружения – важным фактором, присущим механическим системам с сильной физической нелинейностью, обусловленной трением в опорах.



В надземных трубопроводах наблюдаются явления, учет которых вообще не отражен в нормативных документах. К ним относятся динамические возмущения трубопровода, происхождение которых обусловлено конструкцией – свободным опиранием на опоры, и которые возникают не только при изменении давления рабочей среды, но и при медленном (квазистатическом) изменении температуры трубы. Эти явления влияют на напряженно-деформированное состояние, техническое состояние конструкции и, следовательно, на эксплуатационную надежность трубопровода.

Все вышесказанное, с учетом имеющихся в настоящее время публикаций, относящихся к надземным трубопроводам, предопределяет актуальность выполнения работ по адекватной оценке напряженно-деформированного состояния надземного трубопровода, как на стадии его проектирования, так и при эксплуатации. Оценке, отражающей в полной мере реальную конструкцию, физико-механические характеристики материалов, эксплуатационные факторы и природно-климатические условия.

Целью работы является разработка адекватных математических моделей магистральных трубопроводов, эксплуатируемых в природно-климатических условиях Крайнего Севера; исследование на их основе квазистатического напряженно-деформированного состояния типового участка реального надземного магистрального газопровода, моделирование динамических возмущений квазистатического состояния трубопровода при изменении температуры окружающей среды.

Методы исследования. В диссертационной работе анализ напряженно-деформированного состояния реального надземного магистрального газопровода в статической и динамической постановках выполнен методом полномасштабного конечно-элементного моделирования с использованием современного программного обеспечения – программного комплекса ANSYS. Уравнения движения (динамического равновесия) рассматриваемой конечно-элементной модели трубопровода в матричной форме решаются методом Ньюмарка.

Предварительное исследование колебаний балочной конструкции, обусловленных трением в опорах и возникающих при квазистатическом изменении температуры, с целью выбора параметров решения, выполняется на основе аналитического решения, полученного методом разложения по формам собственных колебаний.

Научная новизна. Выполненная работа показывает, что адекватная оценка прочности магистральных трубопроводов надземной прокладки может быть выполнена только на основе полномасштабного моделирования напряженно-деформированного состояния с учетом всех конструктивных и физических особенностей, отражающих реальное взаимодействие трубопровода и опор­но-ригельных устройств, действующие нагрузки и воздействия, последо­вательность их приложения и изменение в процессе эксплуатации.

В работе впервые смоделированы явления, наблюдаемые на практике - возникновение динамических возмущений в реальных конструкциях надземных трубопроводов в процессе изменения их температуры. Показано, что эти явления влияют на несущую способность опорно-ригельных частей и самого трубопровода, могут приводить к потере работоспособности трубопровода.

Достоверность научных результатов. Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечивается адекватной постановкой задач, коррект­ным использованием математического аппарата, современных программных средств, верификацией численных решений путем сравнения с аналитиче­скими. Выполненное моделирование напряженно-деформирован­ного состояния отражает поведение реального надземного магистрального трубопровода и явления, наблюдаемые при его эксплуатации: звуковые волны, вибрации трубопровода; следы этих колебаний прояв­ляются в виде повышенного истирания ригелей опор, повреждений опорно-ригельных уст­ройств, снижения сопротивления металла трубопровода хрупкому разруше­нию.

Практическая ценность. В работе представлены методологические подходы и реализованы решения задач, позволяющие адекватно отразить и существенным образом уточнить напряженно-деформированное состояние реальных конструкций надземных магистральных газопроводов, работающих в условиях природно-климатических условий Крайнего Севера. Результаты диссертационной работы, разработанные программные модули использовались для анализа напряженно-деформированного состояния участков надземных магистральных трубопроводов ОАО «Норильскгазпром» при экспертизе их промышленной безопасности, выполненной ООО НТЦ «ДИАТЭКС» (г. Волгоград). Использование результатов работы при проектировании и экспертизе промышленной безопасности надземных трубопроводов будет способствовать повышению их эксплуатационной надежности.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на межотраслевой Школе-семинаре “Оценка технического состояния и остаточного ресурса сосудов и аппаратов химических, газо- и нефтеперерабатывающих производств”, 17-23 сентября 2001 г., г. Волгоград; на научном семинаре «Нелинейное деформирование конструкций», НИКИЭТ им.Н.А.Доллежаля, г. Москва, 14 сентября 2007 г.; на XXII Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов», г. Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2007; на научном семинаре на кафедре Динамики и прочности машин им. В.В. Болотина, МЭИ, октябрь, 2009 г.

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы. Объем работы – 135 страниц, включая 63 рисунка. Список литературы включает 103 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении дается краткая историческая справка о развитии трубопроводного транспорта жидких и газообразных углеводородов в РФ, в частности, газопроводов надземной прокладки в районах вечной мерзлоты и Крайнего Севера – в республике Саха-Якутия и на Таймыре, приводятся сведения об опыте их эксплуатации и проблемах обеспечения эксплуатационной надежности. Отмечается, с одной стороны, сложность реализации нормативных требований к расчету напряженно-деформированного состояния надземных трубопроводов при проектировании, а, с другой, наличие проблем, связанных с повреждаемостью конструкций при эксплуатации, а также явлений в их поведении, не охватываемых действующей нормативной документацией и технической литературой. Формулируется цель диссертации. Обосновываются важность и актуальность поставленной задачи, дается краткое описание содержания диссертации, приводятся сведения о публикациях и докладах с участием автора.

В первой главе приводятся нормативные, литературные и фактические данные о природно-климатических факторах Крайнего Севера, анализируется их влияние на напряженно-деформированное состояние надземных магистральных газопроводов. В частности, отмечается, что изменение температуры воздуха отличается значительными суточными и сезонными флуктуациями. Анализ телеметрических данных за последние 5 лет показал, что в районе прокладки отрицательные температуры воздуха достигали 54 – 55 0С, положительные - 33 – 34 0С, кратковременные (суточные) размахи температуры воздуха – 20 - 25 0С, газа – до 40 0С. Надземная прокладка трубопровода и большая его протяженность приводят к тому, что температура стенки трубопровода и рабочего продукта либо достаточно близка к температуре воздуха (в холодное время, полярную ночь), либо превышает ее из-за дополнительного подогрева под воздействием солнечной радиации. Температурное воздействие на трубопровод проявляется в виде деформации, обусловленной разницей изменяющейся во времени температуры стенки и температуры «фиксирования расчетной схемы»; низкие значения температуры в зимний период предопределяют работу металла в неблагоприятной (по механическим характеристикам) температурной области, в которой возрастает его чувствительность к дефектам и повреждениям; изменение температуры создает также дополнительные усилия на опоры и трубопровод, как в направлении оси трубопровода, так и в направлении оси ригеля.

Приводятся фактические примеры, иллюстрирующие изменения технического состояния трубопроводной системы под воздействием эксплуатационных и природно-климатических факторов: нарушения проектного положения трубопровода, повреждения опорно-ригельных устройств (образование провисов трубопровода над опорами, наклоны ригелей опор, смещения ложементов, повреждения свай) и разрушения опор. Рассматриваются причины повреждений, разрушений опорно-ригельных устройств, аварий газопроводов. Приведенные данные свидетельствуют о наличии активных, в том числе нестационарных, деформационных процессов в надземной газопроводной системе.





Учитывая, что прочность магистральных трубопроводов определяется как их нагруженностью, так и несущей способностью материала конструкции, приводятся экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что для надземных трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера, основным деградационным процессом является снижение сопротивления металла хрупкому разрушению. Так как изменения соответствующих механических характеристик в процессе эксплуатации обусловлены микроповреждениями структуры материала трубопровода, это также свидетельствует о наличии существенных нестационарных и циклических нагрузок.

Обсуждаются проблемы учета трения в опорах, а также сил другой природы, препятствующих свободному перемещению трубопровода на опорах, при расчете напряженно-деформированного состояния надземных трубопроводов; проблемы выбора расчетных моделей трения, расчетных значений коэффициентов трения, адекватного математического описания поведения надземного трубопровода под воздействием природно-климатических и эксплуатационных факторов.

Анализ технической литературы (работы Блехмана И.И., Дерягина Б.В., Костерина Ю.Н., Крагельского И.В., Волосова В.М., Моргунова Б.И., Лудемы К.С., Харионовского В.В., Рубцова В.Е., Колубаева А.В., Финогенко И.А. и др.) показывает, что к динамическим процессам в системах с трением про­является повышенный интерес. Они достаточно широ­ко исследуются и экспериментально, и теоретически. Исследования проводятся с целью изучения причин возникновения колебаний в трибологической системе, условий ста­бильности различных колебательных режимов, выявле­ния критических значений параметров и их сочетаний, переводящих систему в тот или иной режим трения. В процессе контактного взаимодействия, особенно в случае «сухого» трения, экспериментально наблюдаются квазипериодические либо периодические изменения ско­рости относительного перемещения поверхностей. На макроуровне это проявляется в виде релаксационных либо квазигармонических фрикционных автоколебаний. Рассматриваются подходы к объяснению причин возникновения колебаний в системах с трением. Все они связывают развитие колебаний с изменением коэффици­ента трения в процессе фрикционного взаимодействия.

Во второй главе рассматривается объект исследования – типовой участок линейной части магистральной газотранспортной системы, реализованной на Таймыре (рис. 1), и его расчетная модель (рис. 2).

 Участок надземного магистрального-0

Рис.1. Участок надземного магистрального газопровода

 Расчетная схема участка-1

Рис. 2. Расчетная схема участка газопровода. Вид в плане

Типовой участок газопровода состоит из двух прямолинейных труб и слабоизогнутого в плане -образного компенсатора температурных деформаций, расположенного между ними. Прямолинейные трубы уложены на продольно-подвижные опоры, а температурный компенсатор - на свободно-подвижные опоры; на границах участка установлены неподвижные («мертвые») опоры. Обсуждаются конструктивные особенности опорно-ригельных устройств, схемы монтажа трубопровода на типовом участке, определены нормативные значения изменения температуры воздуха в течение года в условиях Таймыра.

Даётся подробное описание разработанных конечно-элементных моделей типового участка реального газопровода, позволяющих адекватно учитывать конструктивные особенности и взаимодействия трубопровода с опорно-ригельными устройствами (геометрию трубопровода, наличие ограничений, односторонность связей, наличие трения в контактных парах «трубопровод – опоры», зависимость коэффициента трения от скорости отно­сительного перемещения контактирующих пар), а также дейст­вующие эксплуатационные нагрузки и природно-климатические воздействия (гравитацию, собственный вес, температуру трубопро­вода, перемещения опор и т.д.) и их изменение во времени.

Используемые в моделях контактные элементы «точка–точка» позволяют описать процесс движения находящихся в контакте поверхностей в предположении, что коэффициент «сухого» трения = const, а в элементах «точка – поверхность» учесть зависимость трения от скорости относительного движения контактируемых поверхностей (рис. 3). Эта зависимость аппроксимируется экспоненциальной моделью снижения трения.

 Зависимость коэффициента трения от-3

Рис.3. Зависимость коэффициента трения от относительной скорости
движения точки контакта

Уравнения динамического равновесия конечно-элементной модели трубопровода в матричной форме имеют вид: , где , , – матрицы масс, демпфирования, жесткости; – векторы узловых перемещений, скоростей, ускорений; – вектор приложенной в узлах внешней нагрузки. Точкой обозначено дифференцирование по времени. Матричное уравнение решается методом Ньюмарка, который реализует метод конечных разностей на временном интервале Дается описание реализации решения используемых в работе уравнений динамического и статического равновесия, обсуж­даются особенности формулировок граничных и начальных условий, задания параметров решения задачи.

Обсуждаются особенности, которые должны быть учтены при формулировке граничных и начальных условий, задании параметров решения. Первая – это неопределенность граничных условий в местах опирания трубопровода на промежуточные опоры на всех стадиях нагружения. Известно только частично или полностью положение трубопровода в крайних «мертвых» опорах и положение остальных промежуточных опор (ригелей), которое определяется на стадии проектирования из чертежа, при строительстве – из строительной документации, на стадии эксплуатации – по данным геодезических измерений (в реализованных моделях их линейные и угловые перемещения полагаются равными нулю). Фактическое положение трубопровода на опорах определяется из решения многоконтактной задачи с использованием алгоритмов, реализующих методы штрафных функций или Лагранжа решения контактных задач. Вторая особенность – необходимость отслеживания истории нагружения трубопровода, которая обусловлена сильной физической нелинейностью задачи (наличием трения в опорах). Этот фактор проявляется как при решении задач в статической постановке, так и в динамической.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.