Совершенствование научных основ управления конструктивно-технологическими принципами создания композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения
Разработка научных основ управления принципами создания герметичных и трещиностойких композиционных труб нефтегазового назначения. Обоснование технико-экономической целесообразности применения композиционных труб в нефтяной и газовой промышленности.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.02.2018 |
| Размер файла | 1,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ УПРАВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРИНЦИПАМИ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННО-ВОЛОКНИСТЫХ ТРУБ НЕФТЕГАЗОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Ягубов Эмин Зафар оглы
Ухта 2008
Работа выполнена в Находкинском инженерно-экономическом институте (филиал) Дальневосточного государственного технического университета (ДВПИ имени В.В. Куйбышева) на кафедре «Проектирования, сооружения и эксплуатации нефтегазопроводов».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Цхадая Николай Денисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, Перминов Виталий Перфильевич;
доктор технических наук, профессор Кучерявый Василий Иванович;
доктор технических наук, Шарыгин Валерий Михайлович
Ведущая организация Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Защита состоится «16» _октября__ 2008 года в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.291.02 в Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13, зал заседаний.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета.
Автореферат разослан «__» ____________ 2008 года.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, профессор Н.М. Уляшева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Трубопроводный транспорт является наиболее экономичным и эффективным видом транспорта жидких, газообразных и сыпучих сред. Его роль особенно возрастает при транспортировке на большие расстояния и в отдаленные районы.
Россия по протяженности трубопроводов различного назначения занимает второе место в мире после США. В настоящее время на ее территории эксплуатируется более 200 тыс. км магистральных нефтегазопродуктопроводов и 350 тыс. км - промысловых. Между тем около 70 % трубопроводов эксплуатируются более 20 лет, срок службы почти 300 тысяч км нефте-, газо-, продукто-, водо-, канализационных и других технологических трубопроводов диаметром от 219 до 1600 мм истек или истекает в ближайшие годы. Только на замену нефтепромысловых сетейежегодно расходуется около 7 ч 8 тысяч км труб, или более 400 ч 500 тысяч т стали. Ежегодная потребность нефтяной промышленности в трубах составляет около 80 ч 100 тыс. км.
Аналогична ситуация в газопроводном транспорте, особенно в связи с перспективой сооружения восточно-сибирских и дальневосточных трубопроводных магистралей.
Надежность систем трубопроводного транспорта является основным условием для бесперебойной подачи потребителям нефти, газа и нефтепродуктов. Несмотря на внешнюю конструктивную простоту, трубопроводные системы отличаются от других сооружений сложной схемой взаимодействия «трубопровод-грунт», изменчивостью действия силовых факторов, неопределенностью напряженно-деформированного состояния, масштабностью сетей, экстремальностью нагрузок и т.д. Подземное расположение трубопроводов затрудняет их диагностику, увеличивает вероятность возникновения отказов, усложняет проведение ремонтных и восстановительных работ.
Таким образом, проблема повышения долговечности действия трубопроводных систем приобретает стратегическое значение, предотвращающее необходимость поиска и разработки альтернативных материалов и конструкций, способных к сдерживанию темпов роста ремонтных работ из-за старения и предельных перенапряжений трубных конструкций.
К таким материалам на современном этапе следует отнести стекловолокнистые композиты, хорошо зарекомендовавшие себя в авиа- и ракетнокосмической технике.
Опыт создания корпусов ракетных двигателей твердого топлива межконтинентальных баллистических ракет, несущих корпусов летательных аппаратов из композиционно-волокнистых материалов зарубежными и отечественными предприятиями позволил сделать качественный скачок в совершенствовании технологий производства сосудов высокого давления цилиндрической формы. Существующие технологии позволяют создавать высокопрочные конструкции диаметром до 6ч8 метров.
Однако практика создания трубопроводов из композиционно-волокнистых материалов столкнулась с рядом сложных проблем, требующих научного изучения и исследований. К ним относятся:
· низкая трещиностойкость композитных труб при действии внутреннего давления и возникающие в связи с этим проблемы герметичности, надежности и долговечности;
· сложность обеспечения синхронности работы герметизирующих слоев совместном с композиционной стеной из-за различных деформационных характеристик;
· проблемы фазовой и диффузионной проницаемости герметизирующего слоя, возникающие вследствие длительного действия внутреннего давления;
· явление «кессонного отслаивания» и вспучивания герметизирующего слоя при сбросах внутреннего давления, приводящее к разгерметизации трубопровода;
· недостаточная надежность соединительных элементов при длительной эксплуатации композиционных труб.
Исследованию всех этих процессов, а также вопросам совершенствования научных основ управления конструктивно-технологическими принципами создания композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения посвящена диссертационная работа, и в этом заключается ее актуальность.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательскими программами на 1996 - 2007 гг. и в процессе подготовки докторской диссертации выполнялись следующие темы:
? на кафедре технологии машиностроения Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова:
1996 ? 1999 гг.: М3-06-8597 «Технологическое совершенство элементов авиа-ракетно-космической техники из композиционных материалов (методология, теоретические основы, конструктивно - технологические приемы созидания)»;
2000 ? 2002 гг.: НТО по теме Р2-06-0504 «Исследование технологических возможностей повышения надежности и качества объектов производства из органоволокнистых и углеволокнистых композиционных материалов»
2003 ? 2004 гг.: М-06-3503 «Проблемы механики жидкости, газа и плазмы»;
? на кафедре проектирования и эксплуатации магистральных газонефтепроводов Ухтинского государственного технического университета:
1997 - 2000 гг.: 3.03.08 «Совершенствование систем сбора, подготовки и транспорта нефти и газа в условиях Европейского Севера»;
? на кафедре проектирования, сооружения и эксплуатации нефтегазопроводов Находкинского инженерно-экономического института:
2006 - 2007 гг.: «Научные основы создания композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения».
Работа базировалась на результатах, полученных в трудах известных отечественных и зарубежных ученых.
Большой вклад в теорию композиционно-волокнистых материалов и технологий создания из них конструкций внесли такие ученые, как Абибов А.Л., Азиков Н.С., Болотин В.В., Буланов И.М., Бунаков В.А., Ван Фо Фы Г.А., Васильев В.В., Воробей В.В., Грове К.С., Елпатьевский А.Н., Калинчев В.А., Кинлок А. Дж., Колгадин В.А., Куртис П.Т., Макаров М.С., Мэттьюз Ф.Л., Образцов И.Ф., Обухов А.С., Перминов В.П., Пратт П.Л., Протасов В.Д., Росато Д.В., Роулинг Р.Д., Скудра А.М., Смыслов В.И., Тамуж В.П., Тарнопольский Ю.М., Цай Е.В., Цыплаков О.Г., Ходжкинсон Дж.М. и другие.
Цель работы ? совершенствование научных основ управления конструктивно-технологическими принципами создания композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения.
Основные задачи исследований:
1. Анализ концепций и путей совершенствования научных основ управления принципами создания композиционных труб нефтегазового назначения.
2. Формирование методологического комплекса для проведения конструктивно-технологических исследований.
3. Разработка научных основ управления принципами создания герметичных и трещиностойких композиционных труб нефтегазового назначения.
4. Разработка конструктивно-технологических принципов создания композиционных труб нефтегазового назначения.
5. Обоснование технико-экономической целесообразности применения композиционных труб в нефтяной и газовой промышленности.
Объекты исследований ? конструкции композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения для использования при транспортировке агрессивных нефтегазовых под высокими давлениями.
Методы исследования: системный анализ в сочетании с комплексным подходом, структурно-имитационное моделирование и экспериментальная апробация конструктивно-технологических решений и концепций. В работе использовались положения и методы следующих областей знания: теория усталости и разрушения композиционных материалов, механика жидкостей и газа, теории проницаемости и диффузии, технология машиностроения.
Научная новизна:
1. На основе разработанной физико-математической модели процессов трещинообразования в структуре композиционной стенки трубы под действием внутреннего давления эксплуатационной среды получены расчетные характеристики процессов трещинообразования, позволяющие без натурных испытаний прогнозировать параметры проницаемости.
2. Установлено, что оптимальная величина объемного содержания волокон, обеспечивающая минимальные значения коэффициентов проницаемости и диффузии композитного материала составляет 70%.
3. Установлено явление «кессонного отслаивания» внутреннего герметизирующего слоя композитной трубы при резком сбросе давления эксплуатационной среды.
4. Показано, что механизм «кессонного отслаивания» по методу гипотетического моделирования имеет комплексную природу и зависит от энергии высвобождения диффундированного газа , величины квазиупругих колебаний каркаса слоев, разности их упругостей , интенсивности набухания структуры и разновекторности сил разрежения в разных слоях композиции.
5. Обнаружен эффект снижения утечек транспортируемой среды через стенки композитных труб при возрастании внутреннего давления, активирующего процесс набухания структуры композитного материала, сужающего каналы проникновения.
6. Установлена зависимость снижения предела трещиностойкости композитной трубы от числа циклов внутреннего нагружения при насыщении напряженного композита твердеющим анаэробным герметиком.
7. Экспериментально установлено, что скорость потока в спирально-рифленом канале композитной трубы устойчиво превышает то же значение в гладком эластомерном канале на величину до 5% при относительной погрешности измерений не более + 0,5%.
Практическая ценность:
1. Разработана конструкция рифленого герметизирующего слоя, позволяющая избегать «кессонного явления», повышая тем самым срок службы композиционной трубы.
2. Предложены новые материаловедческие и конструктивно-технологические принципы повышения герметичности стеклопластиковых труб.
3. Разработаны конструкции стеклопластиковых труб с повышенными герметичными свойствами:
· базовая конструкция с рифленым герметизирующим слоем (патент РФ № 2117206);
· конструкция с анаэробной технологией герметизации каналов проницания;
· конструкции многослойной стеклопластиковой трубы и трубопровода (патенты РФ № 2117205 и № 2183784).
4. Разработана конструкция многоканального стеклопластикового трубопровода, позволяющая улучшить характеристики герметичности, повысить пропускную способность и функциональность трубопровода (патент РФ № 2140605).
5. Разработана конструкция устройства соединения стеклопластиковых труб (патент РФ № 2191947).
6. Обоснована технико-экономическая целесообразность использования стеклопластиковых труб в нефтегазовой промышленности.
Защищаемые положения:
1. Физико-математические модели процессов трещинообразования композиционных стенок труб и их проницаемости.
2. Модели (гипотезы) возникновения процессов вздутия (вспучивания) внутренних герметизирующих слоев труб из композиционно-волокнистых материалов.
3. Концептуальные решения проблемы обеспечения герметичности композиционных труб нефтегазового назначения.
4. Базовая конструкция композиционной трубы нефтегазового назначения с внутренним рифленым герметизирующим слоем, а также конструкции многослойной трубы и с анаэробной технологией герметизации.
5. Конструктивно-технологические принципы создания многоканальных трубопроводов из композиционно-волокнистых материалов для транспортировки нефтегазосодержащих сред под высокими давлениями.
6. Конструкция устройства для соединения композиционных труб.
7. Технико-экономическое обоснование целесообразности применения стеклопластиковых труб в нефтегазовой промышленности.
Апробация работы. Материалы, отдельные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 98» (г. Москва, 1998), на Второй региональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы геологии нефти и газа» (г. Ухта, 1999), на Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы» (г. Пенза, 2000), на Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы добычи, подготовки и транспорта нефти и газа» (г. Ухта, 2000), на ежегодных Всероссийских научно-технических конференциях «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (г. Красноярск, 1999 2001), на V Международной научной конференции «Биосфера и человек - проблемы взаимодействия» (г. Пенза, 2001), на Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмичес-кая техника и высокие технологии» (г. Пермь, 2001, 2002), на Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии Прииртышья» (г. Павлодар, 2001), на II Международной научной конференции творческой молодежи (Хабаровск, 2001), на Международных научно-технических конференциях «Наука - Техника Технологии» (г. Находка, 2001, 2002), на Всероссийском симпозиуме «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2002), на Международной научно-технической конференции «Наука и Образование - 2007» (г. Мурманск, 2007), на объединенном научном семинаре кафедр ПЭМГ, МОН, РЭНГМ, ГНГ, ЭАТП УГТУ (2005, 2007), на научном семинаре кафедры ПСЭН филиала ДВГТУ в г. Находка (2006).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 2 монографиях и 55 печатных работах (в том числе 12 ? в изданиях, рекомендованных ВАК).
Оригинальность полученных в ходе работы над диссертацией разработок подтверждены 5 патентами РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 167 наименований и одного приложения. Объем работы составляет 325 страниц, в том числе 88 рисунков и 33 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность за научное сотрудничество доктору технических наук, профессору Цхадая Николаю Денисовичу, доктору технических наук, профессору Быкову Игорю Юрьевичу.
Особо признателен автор своему учителю, доктору технических наук, профессору Цыплакову Олегу Георгиевичу.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
композиционный труба нефтегазовый промышленность
Во введении изложены актуальность темы диссертации, цель работы, основные задачи исследований, научная новизна, практическая ценность полученных результатов и апробация работы.
В первой главе выполнен анализ агрессивности нефтегазовых сред, вызывающих коррозию трубопроводных систем и оборудования; рассмотрены и обобщены существующие и применяемые технологии создания трубопроводов из различных материалов; особое внимание уделено опыту использования неметаллических трубопроводов (полимерных и композиционных) в нефтегазовой промышленности и связанных с ними сопутствующих проблем обеспечения их герметичности и соединения.
Основной эксплуатационный недостаток стальных труб, применяемых в нефтегазовой промышленности, - это коррозия. Причиной коррозии является содержание в жидких и газообразных продуктах нефтегазовых месторождений таких веществ, как сероводород, двуокись углерода, соленая вода, двуокись серы, различные кислоты, а также грунтовые среды. Коррозионные процессы создают постоянную потребность либо в замене стальных труб, либо в их ремонте, либо в использовании различных методов защиты от коррозии.
Активность коррозионных разрушений трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности требует поиска альтернативных решений, способных изменить ситуацию в нефтегазовой промышленности в лучшую сторону. Используемые способы защиты металлических трубопроводов от коррозии (станции катодной защиты, протекторная защита, ввод в транспортируемую среду ингибиторов коррозии, различные типы покрытий) не позволяют достичь необходимой степени эффективности. Если учесть, что в эксплуатации находится огромная масса труб, которые имеют фактический срок службы в два, три, а то и более раз ниже нормативного, то становится вполне очевидным, что экстенсивный путь наращивания выпуска традиционных стальных труб является неэффективным и требует поиска инновационных решений.
Одним из направлений таких решений является использование композиционно-волокнистых материалов, отвечающих требованиям прочности и коррозионной устойчивости. Показано, что композиционные материалы обладают рядом неоспоримых преимуществ перед металлическими материалами:
высокая коррозионная стойкость и инактивность по отношению к парафиновым и другим видам отложений в связи с высокой чистотой внутренней поверхности получаемых изделий, что значительно повышает пропускную способность трубопроводов и снижает потребление энергетических ресурсов;
низкая пассивная масса изделий благодаря высоким физико-механическим показателям, таким как удельная прочность, жесткость и т.д. (например, масса трубы диаметром 200 мм, толщиной стенки 10 мм и длиной 12 м составляет всего около 140 кг, что в 4 раза меньше массы такой же стальной трубы);
повышенный коэффициент использования материала в различных изделиях, достигающий значений 0,8 ч 0,9 вместо 0,5 у металлических конструкций;
способность к формированию конструкций с заданными свойствами;
малая чувствительность к концентрации напряжений и высокая усталостная прочность;
безосколочность разрушения;
простота создания монолитных конструкций сложных;
относительно низкая теплопроводность (например, коэффициент теплопроводности у стеклопластика составляет 0,28 ч 0,43 Вт/(мК); у сплавов алюминия этот показатель составляет 83,75 ч 217,50 Вт/(мК); у сплавов титана - 7,54 ч 14,54 Вт/(мК); у стали - 14,65 ч 57,00 Вт/(мК));
вибростойкость;
теплостойкость.
Несомненные преимущества композиционных материалов были замечены при создании современных высокотехнологичных конструкция в авиационном, ракетно-космическом и судостроительном машиностроении. Эти доведенные до совершенства технологии следует принимать за базовые при разработке инновационных концепций на текущее столетие в области коренного перевооружения систем трубного транспорта.
Сравнительная характеристика свойств композиционных и металлических материалов приводится в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительная характеристика свойств различных материалов
|
Материал |
, г/см3 |
р, МПа |
Е, ГПа |
Удельная прочность/, МПа•см3/г |
Удельная жесткостьЕ/, ГПа•см3/г |
|
|
Сталь ХГСА |
7,85 |
1200 |
2100 |
150 |
270 |
|
|
Титан ВТ 4 |
4,5 |
1800 |
1100 |
400 |
245 |
|
|
Алюминиевый сплав Амг6 |
2,7 |
1800 |
700 |
670 |
260 |
|
|
Стеклопластик на основе: |
||||||
|
хаотичных волокон |
1,75 |
270 |
240 |
155 |
140 |
|
|
ткани ТС 8/3 |
1,8 |
500 |
250 |
280 |
140 |
|
|
однонаправленных волокон |
2,21 |
1600 |
600 |
725 |
270 |
Однако основной недостаток всех изделий из композиционных материалов, эксплуатирующихся под действием нагрузок, в частности, под действием внутреннего давления, - низкая стойкость к трещинообразованию при действии нагрузки поперек волокон. При растяжении композиционного материала на кривой ~ (рис. 1) появляется характерный перегиб в точке с координатами (разг;разг), выше которой модуль упругости заметно уменьшается. Перегиб на прямой связан с нарушением сплошности композита в связи с процессами трещинообразования в связующем. Это не вызывает заметного снижения прочности материала в целом, т.к. доля связующего в восприятии нагрузок составляет не более 3 % от прочности волокон, но приводит к разгерметизации изделий (в частности, сосудов, работающих под высоким внутренним давлением: трубопроводы, баллоны различного назначения и т.д.), что совершенно недопустимо.
Рисунок 1 Зависимость ~ композиционно-волокнистого материала
Как показывает практика, начало заметного растрескивания стенок изделий из композиционных материалов под действием внутреннего давления наступает уже при Рраст = (0,15 ч 0,18)Рраб, а если используются связующие материалы с повышенной жесткостью, то и раньше.
Таким образом, наиболее сложной и ответственной задачей при проектировании и изготовлении композитных труб является обеспечение их герметичности. В связи с этим в первой главе был проведен анализ имеющихся в настоящее время способов герметизации композитных труб, который выявил ряд имеющих место негативных явлений: отслаивание и вздутие резиноподобных герметизирующих слоев от внутренних стенок композитной трубы при сбросах давления, приводящее к разгерметизации изделия; сложность обеспечения совместности (синхронности) деформаций металлического герметизирующего слоя и композитной стенки; нецелесообразность использования анаэробных герметиков для композитных изделий многократного применения.
Кроме этого, определенные сложности связаны с созданием разъемных соединений для композиционных труб. Это один из нерешенных пока вопросов их конструирования. В целом, говоря о соединениях конструкций из композиционно-волокнистых материалов, следует учитывать тот немаловажный факт, что, существенно отличаясь по физико-механическим свойствам от металлов (в частности, анизотропия упругих и прочностных свойств, гетерогенность структуры, невысокая межслоевая прочность), эти материалы хуже, чем металлы, приспособлены к передаче усилий (особенно сосредоточенных) от одного элемента к другому.
Прочность наиболее распространенных металлических соединений (клепаных, болтовых, резьбовых) значительно превосходят прочность аналогичных соединений конструкций из композитов. К примеру, для полимерных соединений специфической проблемой является сохранение герметичности стыка и обеспечение стабильности затяжки болтовых соединений из-за ползучести и релаксации напряжений в соединении. Эти и другие особенности следует учитывать при проектировании и выборе вида соединений и оценке их эффективности. Как показал анализ типов соединений, проведенный в первой главе диссертации, вопрос создания простого и в то же время надежного соединения композиционных труб пока остается открытым.
На основании выполненного в первой главе методологического анализа была принята следующая структура диссертационной работы:
1. Анализ механизмов поведения и трещинообразования стенок трубопроводов из композиционно-волокнистых материалов и проницаемости герметизирующего слоя под внутренним давлением транспортируемой среды.
2. Разработка и исследование конструктивно-технологических концепций герметизации композиционных стенок трубопроводов.
3. Разработка и исследование конструктивно-технологических предложений по созданию многофункциональных, надежных и экологически безопасных трубопроводных транспортных систем из композиционно-волокнистых материалов.
4. Предложение технологических приемов реконструкции и восстановления изношенных трубопроводных систем на базе усовершенствованных в диссертационной работе конструкций стеклопластиковых трубопроводов.
Во второй главе рассмотрены и обобщены методики расчета и испытаний композиционно-волокнистых труб на длительную и кратковременную прочность. Описаны имеющиеся методики расчета коэффициента запаса прочности композитных труб, методы проведения испытаний на прочность, герметичность и долговечность, проведен анализ методики расчета проницаемости герметизирующих слоев, а также изложена разработанная автором физико-математическая модель процессов (и возможных причин) трещинообразования композиционных труб при действии внутреннего давления и анализ результатов проведенных исследований.
Поскольку стенка стеклопластиковой трубы проектируется на основе принципа равнопрочности конструкций, то интенсивность и частота микротрещин, возникающих в стенке при нагружении ее внутренним давлением для продольных и поперечных слоев структуры (равно как и для перекрещивающихся слоев структуры стенки, изготовляемой методом спиральной намотки) будут в среднем одинаковы. Таким образом, возникающие в перекрещивающихся слоях структуры композиционной стенки микротрещины, встречаясь друг с другом, образуют сквозные каналы (или капилляры), пронизывающие стенку трубы насквозь или на некоторую глубину. Причем часть из них может иметь скрытый (серединный) характер, т.е. не иметь выхода ни на внутренней, ни на наружной поверхности композиционной стенки (рис. 2).
Рисунок 2 Схема образования сквозных капилляров проницания (в т. В) в структуре стенки трубы из композиционно-волокнистых материалов под действием внутреннего давления
Детальный анализ процессов трещинообразования связующего убедительно свидетельствует о квазирегулярности расположения трещин и сравнительно равномерном их распределение по всем слоям и объему композиционно-волокнистого материала.
Это явление носит четкий характер и отмечалось в ходе экспериментальных работ. В частности, картина регулярности расположения трещин как в поперечных, так и продольных слоях отчетливо видна на микроструктурном снимке (рис. 3) стеклопластиковой стенки трубы после ее нагружения внутренним давлением 0,7 от разрушающего.
Рисунок 3 Расположение трещин в структуре стенки композиционной трубы
В результате такого распределения в точках пересечения продольных и поперечных трещин образуется семейство прямых капилляров, которые пронизывают всю стенку трубы и приводят, в конечном счете, к ее разгерметизации.
Суммарные размеры сечений капилляров , образовавшихся в процессе растрескивания композиционного материала, будут пропорциональны величинам действующих продольных 1 и поперечных 2 напряжений
, (1)
где Vв1,2 - объемное содержание волокон в направлениях действия напряжений 1 и 2 соответственно; деформация связующего; Ев - модуль упругости волокон.
Вместо Vв1,2 можно воспользоваться величиной относительного содержания волокон в единице объема Hв1,2.
Такое представление процессов трещинообразования дает возможность в качестве основной модели для исследования проницаемости конструкций из композиционного материала, в частности труб, принять наиболее простую из них модель из прямых капилляров, значительно упрощающую исследовательскую работу, но, несмотря на это, обеспечивающую подобие топологии трещин (капилляров) в стенке изделия.
Сущность модели сводится к тому, что стенка трубы рассматривается как пучок прямых трансверсальных параллельных друг другу капилляров и представляет собой пористую среду с незначительными размерами пор.
Расчет параметров процессов трещинообразования (напряжения разг и деформации разг потери сплошности, времени наступления разгерметизации и разрушения композиционной стенки tразг, а также нахождение порога трещинообразования Рразг) основан на теориях потери сплошности ортогонально-армированных пластиков, в основе которых лежит гипотеза, согласно которой полимерное связующее разрушается, если работа напряжений Wa(t) достигает своей предельной величины Wamax, которая для данного связующего является постоянной:
(2)
Автором была составлена программа расчета параметров трещинообразования и проницаемости стеклопластиковой трубы на языке Паскаль. При расчетах за основу были приняты физико-механические характеристики стеклопластика (намоточного) на основе стеклоткани Т1080 и эпоксифенольного связующего ЭТФ. По результатам проведенных исследований были построены и проанализированы ряд зависимостей (рис. 4 - 7). Полученная с погрешностью 8 ч 10 % сходимость с экспериментальными данными, позволяет рекомендовать разработанную модель для вычисления деформации разгерметизации и параметров проницаемости на первоначальном этапе проектирования изделия без проведения модельных (натурных) испытаний. Основные результаты проведенных исследований приводятся ниже.
Преимущественное разрушение происходит в зоне адгезионных сил, т.е. в зонах сопряжения «волокно - связующее». Трещины располагаются в направлении, перпендикулярном к действию нагрузки. Таким образом, в начальный момент с ростом объемного содержания волокон растут и концентрации напряжений, что приводит к увеличению количества дефектов (дефектных зон) от которых развиваются трещины, что и вызывает увеличение коэффициентов диффузии и проницаемости. Это положение иллюстрируется на рис. 4.
а) б)
Рисунок 4 Зависимость параметров проницаемости метана через стенку стеклопластиковой трубы от объемного содержания волокон в КВМ при Рраб = 10 МПа
Далее количество этих трещин изменяется незначительно (см. участок графика в пределах 0,4 ч 0,5 от объемного содержания волокон), поэтому график сохраняет практически прямолинейный характер. С дальнейшим увеличением объемного содержания волокон, магистральные размеры трещин увеличиваются за счет извилистости, т.к. трещина обходит волокна. При приложении нагрузки эти трещины смыкаются за счет сдвига волокон, что приводит к снижению коэффициентов диффузии и проницаемости. И как видно на графике, наименьшего значения эти параметры достигают при 70%-ном объемном содержании волокон, считающимся оптимальным с точки зрения прочности конструкции.
При последующем увеличении объемного содержания волокон уменьшается объемное содержание связующего, что приводит к снижению эластичности материала в направлении перпендикулярном действию нагрузки и увеличению количества трещин, сопровождающееся ростом коэффициентов диффузии и проницаемости. А на последнем участке, когда объемное содержание волокон больше 0,8, незначительное снижение процессов проницаемости происходит за счет эффекта «пожарного рукава», или облитерации, заключающейся в насыщении и набухании стенок, что приводит к закупориванию части каналов фильтрации за счет поверхностных сил смачивания. Это явление впервые отмечено автором в процессе исследований, связанных с закономерностями зарождения и динамики развития трещиноватости в композиционно-волокнистых средах под влиянием нагрузочных эксплуатационных факторов.
Механизм нарушения сплошности композиционно-волокнистых структур исследован методом газопроницаемости стеклопластиковых труб с объемным содержанием волокон H=0,7 в зависимости от внутреннего давления рабочей среды (рис. 5). Установлено, что с ростом давления коэффициенты проницаемости и диффузии возрастают, причем резкий рост этих параметров, и следовательно раскрытие трещин, отмечается при давлении около 10 МПа и выше.
...Подобные документы
Рациональные технические решения по нанесению на трубы теплоизоляционного покрытия, повышение качества выпускаемых теплоизолированных труб. Виды, конструктивные схемы и материалы теплоизоляции для трубопроводов. Технологическая линия теплоизоляции труб.
реферат [499,1 K], добавлен 01.09.2010Применение пластмассовых труб в строительстве. Технология сварки полиэтиленовых труб, специальные методы контроля сварных соединений полиэтиленовых газопроводов. Монтажные работы на полиэтиленовых газопроводах, устройство вводов, переходы через преграды.
курс лекций [182,8 K], добавлен 23.08.2010Объем работ при строительстве магистральных трубопроводов. Расчистка и планировка трасс. Разработка траншеи, сварка труб в нитку. Очистка и изоляция труб, их укладка в траншею. Испытание трубопровода на прочность и герметичность, его электрозащита.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 03.03.2015Назначение и область применения дренажных труб. Технические характеристики двухсойных гофрированных дренажных труб. Прокладывание дренажных систем, их типы. Обслуживание и профилактика инженерных сетей. Пример установки систем поверхностного водоотвода.
реферат [1,1 M], добавлен 15.02.2011Техническая характеристика железобетонных преднапряженных труб, сырье и полуфабрикаты для их изготовления. Технологические расчеты по определению рецептуры формовочных масс. Методы контроля технологического процесса, качества сырья и готовой продукции.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 16.10.2014Технологический процесс изготовления железобетонной безнапорной трубы. Основные требования, предъявляемые к изделию. Выбор материалов для приготовления бетонной смеси. Разработка организационно-технологических карт на производство центрифугированных труб.
курсовая работа [280,0 K], добавлен 28.05.2014Элементы наружной и внутренней системы канализации. Чистка канализационных труб во избежание засорения. Трос сантехнический и его применение для очистки труб. Варианты улучшения работы канализационной системы. Нормативы скорость потока в трубах.
презентация [6,9 M], добавлен 05.09.2013Выбор, размещение и прокладка магистральных труб, стояков и отопительных приборов. Размещение запорно-регулирующей арматуры. Удаление воздуха из системы отопления. Компенсация температурных удлинений труб. Расчет главного и малого циркуляционного кольца.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 26.03.2012Ознакомление с основными требованиями по охране труда для машиниста автовышки. Рассмотрение и характеристика технологической последовательности и главных необходимых технических требований при проведении работ по монтажу наружных водосточных труб.
курсовая работа [634,9 K], добавлен 12.12.2022Основные материалы, изделия, машины и механизмы, применяемые при строительстве объектов нефтяной и газовой промышленности. Порядок включения национальных стандартов в базу нормативных документов в области проектирования и эксплуатации объектов "Газпром".
курсовая работа [330,0 K], добавлен 13.02.2016Разработка проекта интерьера лестничного пролета и лестничной площадки образовательного учреждения. Исследование композиционных основ дизайнерской деятельности. Влияние цвета и света на восприятие объемов в пространстве. Формирование эстетической среды.
дипломная работа [81,5 K], добавлен 08.11.2014Сведения о композиционных материалах, имеющих две составляющие: армирующие элементы и матрица. Их преимущества. Механическое поведение композита, эффективность и работоспособность материала. Состав и строение композита. Свойства композиционных материалов.
реферат [1010,1 K], добавлен 08.02.2009Исследование основ организации строительства систем вентиляции и кондиционирования воздуха зданий различного назначения. Обоснование конструктивных решений вентиляционных систем жилых, общественных и промышленных зданий. Приточные и вытяжные установки.
реферат [20,7 K], добавлен 14.12.2010История строительства общежитий. Типы общежитий, назначения и классификация. Архитектурно-планировочные решения общежитий для учащихся. Примеры архитектурно-композиционных решений общежитий, их интерьеры и оборудование в СССР. Современный мировой опыт.
дипломная работа [29,2 M], добавлен 18.09.2019Область применения и преимущества системы КАСАФЛЕКС. Номенклатура труб с изоляцией из пенополиизоцианурата и озонобезопасного пенополиуретана. Комплекты для изоляции стыков. Уплотнительное кольцо для прохода стен. Гидравлический расчёт трубопроводов.
реферат [3,1 M], добавлен 24.12.2013Функции и виды изоляционных материалов для защиты газонефтепроводов. Особенности применения полимерных лент, битумных и лакокрасочных материалов, стеклянных покрытий. Промышленное остеклование труб. Расчет тепловых потерь теплоизолированного трубопровода.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 25.10.2012Расчет расходов воды на нужды населения города и промышленности в часы максимального водопотребления. Трассировка и гидравлический расчет водопроводной сети. Спецификация труб и фасонных частей. Построение профиля главного коллектора. Расходы сточных вод.
курсовая работа [91,4 K], добавлен 15.07.2010Географическое место расположения населенного пункта. Характеристика степени благоустройства районов жилой застройки. Обоснование системы и схемы канализации. Выбор материала труб. Расчет и конструирование водоотводящей сети поверхностных сточных вод.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 23.05.2013Обоснование параметров автомобильной дороги. Проектирование плана трассы по топографическому материалу. Конструирование и расчёт дорожных одежд не жесткого типа. Подсчёт объёмов земляных работ по таблицам Митина. Расчёт отверстия водопропускных труб.
курсовая работа [497,4 K], добавлен 15.04.2017Расчет теплопотерь отапливаемых помещений, диаметров труб. Определение характеристик сопротивления этажестояка. Подбор водоструйного насоса элеватора. Разработка индивидуального теплового пункта. Расчет теплоотдачи и поверхности нагревательных приборов.
курсовая работа [256,0 K], добавлен 15.02.2016
