Пространственное напряженно-деформируемое состояние трубы с ручейковым износом в условиях осадки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРУЕМОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБЫ С РУЧЕЙКОВЫМ ИЗНОСОМ В УСЛОВИЯХ ОСАДКИ

Бурков Пётр Владимирович¹, Буркова Светлана Петровна²

¹Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Доктор технических наук, профессор кафедры транспорта и хранения нефти и газа

²Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной графики и промышленного дизайна

Для предотвращения аварий трубопроводов, необходимо установить влияние изменения условий и параметров эксплуатации на прочность и устойчивость трубопровода, а также найти потенциально опасные участки. Нахождение этих участков, наряду с техническими средствами, такими как внутритрубная диагностика, замеры напряжений в стенке трубы, определение положения трубопровода, осуществляется расчетным путем из решения задачи прочности и устойчивости. Анализ постановок этих задач, содержащихся в исследованиях последних лет, показывает, что тема актуальна и открыта для исследований. Проблема исследования пространственных напряженно-деформированного состояния трубы в связи с его коррозией с учетом различных видов нагружения не было сказано до сих пор. В сущности, проблемы определения отдельных напряженно-деформированных состояний под действием внутреннего давления находятся в стадии рассмотрения[1-6]. Кроме того, проблемы определения состояния напряжение-деформация, как правило, решается в моделях оболочки трубы. Следует отметить, что большинство трубопроводов, подверженных интенсивному внутреннему износу, эксплуатируются без наружной изоляции. Частые порывы трубопроводов, вызванные «канавочным» износом, требуют поиска новых технических решений, направленных на обеспечение их безопасной эксплуатации, повышение долговечности и стабильности функционирования. Опыт эксплуатации трубопроводов сбора нефти показывает, что «канавочное» (ручейковое) коррозионно-механическое разрушение и коррозионная усталость являются наиболее опасными видами разрушения. Ручейковая коррозия - коррозия канавочного типа, образуется вдоль продольных и кольцевых швов, а также в местах расхождения стыков изоляционного покрытия труб. Защита нефтепромысловых трубопроводов от «канавочной» (ручейковой) коррозии, вызванной взаимодействием металла трубы и перекачиваемой коррозионно-активной среды, является актуальной в настоящее время во многих регионах России, особенно на месторождениях Западной Сибири. Поэтому заявление и решения задачи определения трехмерного напряженно-деформированного состояния моделей труб с коррозионным дефектом под действием внутреннего давления, трения, вызванные потоком нефтепродукта и температуры, обсуждаемой в данной статье, важно для трубопроводных систем.

Целью данной работы является оценка данных полученных внутритрубным инспекционным прибором, определение типов дефектов преобладающих на данном участке, получению достоверной информации о техническом состоянии коллектора, постройка 3D модели коллектора с дефектами при помощи компьютерного моделирования в среде Autodesk Inventor, а также расчет нагрузок и напряжений.

За основу для расчетов возьмем реальные данные по глубине и ширине коррозионного повреждения (ручейковой коррозии) из заключений по результатам технического диагностирования трубопровода. Исходные данные для построения и расчета модели трубы с коррозией:

· рабочее давление - 2,5 МПа;

· диаметр трубы - 168 мм;

· толщина стенки трубы - 11 мм;

· марка стали трубы - сталь 20;

· максимальная глубина ручейковой коррозии - 5,8 мм;

· максимальная ширина коррозионного повреждения трубы - 21 мм.

Так как процесс ручейковой коррозии в трубе это сложный физико-химический процесс и при наличии его в трубе возникает канавка сложной формы (Рис. 1).

Рис. 1 - Разновидности ручейковой коррозии

Предугадать какой именно формы будет профиль коррозионного участка в трубе очень сложно, т.к. коррозионное воздействие среды на стенки трубы зависит от многих факторов, изменяющихся со временем. Чтобы упростить задачу, при построении модели трубы с повреждением будем использовать упрощенную схему с размерами коррозионного повреждения приближенным к реальным. Идеализированная схема сечения трубы с повреждением типа ручейковой коррозии приведена на рисунке 2.

Рис. 2 - Упрощенная схема трубы с ручейковой коррозией

D - внутренний диаметр трубы, s - толщина трубы, b - ширина коррозионного повреждения (ширина ручейковой коррозии), h - глубина коррозионного повреждения (глубина ручейковой коррозии)

Так как задача симметрична относительно одной (в нашем случае вертикальной) оси, то при построении модели трубы с дефектом будем использовать только половину сечения трубы (Рис. 3, 4, 5). Для нефтесборного коллектора с параметрами коррозионного повреждения являются - максимальная глубина 5,8 мм, максимальная ширина 21 мм.

Рис. 3 - Модель половины трубы

Рис. 4 - Эпюра эквивалентных напряжений, возникающих в нефтесборном коллекторе при коррозионном повреждении

Рис. 5 - Деформации, возникающие в нефтесборном коллекторе при коррозионном повреждении

Из расчетов видно, что максимальная величина возникших напряжений в трубе с коррозией приходится на нижнюю часть прокорродированной канавки (Рис.6 и Рис.7). деформация ручейковый износ внутритрубный

Рис. 6 - График распределения напряжений по Мизесу

Рис. 7 - График распределения перемещений

Выводы

В комплексной программе Autodesk Inventor получили наглядные картины возникших распределений напряжения по Мизесу и картину распределений перемещения в образце при воздействии на нее давления. С увеличением срока эксплуатации месторождений возрастает объем добываемой минерализованной воды, закачанной в пласт для поддержания пластового давления. При этом возрастает опасность внутренней коррозии трубопровода.

Разрушение ряда трубопроводных систем происходит в срок менее одного года после ввода трубопровода в эксплуатацию. Этой проблеме посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых, однако, в настоящее время она полностью еще не решена и многие вопросы остаются открытыми.

Максимальное значение напряжения по Мизесу для нефтесборного коллектора с выбранными параметрами коррозионного повреждения составляет 1,5 МПа.

Библиографический список

1. Мустафин Ф.М. Технология сооружения газонефтепроводов. - М.: «Издательство Недра», 2007. - 632 с..

2. Бурков П.В., Буркова С.П., Тимофеев В.Ю., Ащеулова А.А. и Клюс О.В. Анализ напряженно-деформированного состояния трубопровода в условиях вечной мерзлоты Вестник Кузбасского государственного технического университета., 2013. -- №. 6., - С. 77-79.

3. P.V. Burkov, D.Y. Chernyavsky, S.P. Burkova, A. Konan Simulation of pipeline in the area of the underwater crossing , IOP Conference Series: E. and Env. Sc. 21 (2014) 1-5.

4. P.V. Burkov, K. G. Kalmykova, S. P. Burkova, T. T. Do, Research of stress-deformed state of main gas-pipeline section in loose soil settlement. IOP Conference Series: E. and Env. Sc. 21 (2014) 5-7.

5. P.V. Burkov, S.P. Burkova, V.Y. Timofeev, Analysis of stress concentrators arising during MKY.2SH-26/53 support unit testing. Appl.ied Mech.anics and Mat.erials: 682 (2014) 216-223.

6. P.V. Burkov, S.P. Burkova, V.Y. Timofeev, Justifying a method of balancing crank-and-rod mechanism of mining roadheader. Applied Mechanics and Materials: 682 (2014) 270-25.

Аннотация

Обоснована актуальность исследований, направленных на решение проблемы определения отдельных напряженно-деформированных состояний. Обозначены пути создания решений это проблемы.

Ключевые слова: концентраторы напряжений, Метод конечных элементов, напряжения, напряжённо-деформированное состояние

Размещено на Allbest.ru