Lyapichev_D.M._i_dr._Ocenka_napryazhenno-deformirovannogo_sostoyaniya_truboprovoda

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

имени И.М. ГУБКИНА

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

Д. М. Ляпичев

Д.П. Никулина

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА

С ПРИМЕНЕНИЕМ СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА

Учебно-методическое пособие

Москва 2020

1.3.Учет нагрузок и воздействий до ввода в эксплуатацию трубопровода20

2.УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ

3

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечениебезопаснойиэффективнойработымагистральныхитехнологическихгазопроводовнапротяжениивсегосрокаихэксплуатациипредставляет одну из основных задач эксплуатирующих организаций.

Необходимым элементом решения данной задачи является их системное диагностическое обследование, цель которого – оценка технического состояния, определение остаточного ресурса и срока безопасной эксплуатации, а также получение исходных данных для планирования работ по техническому обслуживанию и ремонту.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции газопроводов, для достоверной оценки их технического состояния необходимо применение комплекса различныхтехнологийдиагностирования, направленныхнетольконавыявление дефектов с определением их геометрических размеров, но и на анализ фактических условий работы конструкций, оценку их напряженно-деформированного состояния, атакжетекущих механических ихимических характеристикметалла.

Разработкатехнологий, методовисредствтехническогодиагностирования трубопроводов ведется множеством научных и научно-производственных организаций, в том числе РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ООО «НИИ Транснефть», АО «Газпром оргэнергогаз», АО «Транснефть – Диаскан» и др.

Нельзя не отметить, что ядро существующей системы диагностического обеспечения систем транспорта газа было сформировано еще в конце прошлого века при непосредственном участии специалистов РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина [1, 2, 3].

Классические подходы к техническому диагностированию газопроводов и опыт их применения достаточно подробно изложены в учебной литературе [4, 5, 6 и др.]. Вместе с тем бурное развитие вычислительной техники, прорыв в области обработки больших массивов данных, а также другие достижения научнотехнического прогресса последних лет позволили внедрить новые технологии

4

контроля и непрерывного диагностирования технического состояния газопроводов, вчастности, системмониторинганапряженно-деформированногосостояния газопроводов [7, 8].

Приэтомвучебнойи методическойлитературетеоретическиеи практические аспекты оценки напряженно-деформированного состояния газопроводов с применением современных средств контроля и мониторинга практически не освещены.

Исходяизизложенногобылоразработаноданноепособие, цельюкоторого является анализ различных методов и средств оценки напряженно-деформиро- ванного состояния, выделение их достоинств и недостатков, а также описание методики расчетно-экспериментальной оценки напряженного состояния сегмента трубопровода методом тензометрии с применением встроенного средства технического диагностирования трубопроводов – патрубка измерительного интеллектуальной вставки.

5

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

1.1. Общие сведения

Известно, что нагружение металла приводит к его деформации и возникновению и/или перераспределению в нем внутренних усилий, для характеристики которых удобно воспользоваться удельной величиной – механическими напряжениями.

Рассмотрим твердое тело произвольной формы, на которое действуют внешние силы F1, F2, …Fn (рис. 1.1, а).

Рис. 1.1 Твердое тело под действием внешних сил (a) и напряжения в окрестности точки M (б) данного тела

Мысленнорассечемтелопроизвольнойплоскостьюнадвечасти, отбросим одну из частей и рассмотрим оставшуюся. Для того, чтобы компенсировать отсутствиеотброшеннойчасти, заменимеедействиенаоставшуюсячастьвнутренними силами.

Рассмотрим точку М, лежащую на поверхности разреза. Выделим в сечении тела площадку P, контур которой окружает выбранную точку. Результирующую внутренних сил, действующих на площадку, обозначим вектором R. Разделим R на P и получим новый вектор – σ*, который называют средним напряжениям на площадке P (рис. 1.1, б).

6

Еслиначатьстягиватьплощадку P кточкеМ, товекторσ* будетменяться как по величине, так и по направлению. Предел отношения результирующих внутренних сил к величине площадки P при ее стягивании в точку М называют истинным напряжением в точке М:

Если провести любое другое сечение, проходящее через точку М, и определитьвеличинунапряжениянаплощадкеданногосечения, товеличинавектора напряжения будет отличаться от полученной ранее.

Учитывая, что через одну точку может проходить бесконечное множество сечений, может быть найдено бесконечное число векторов истинных напряжений для выбранной точки. Совокупность всех этих векторов характеризует

напряженное состояние в выбранной точке.

Напряженноесостояниевыбраннойточкителавобщемслучаеоднозначно определяется тензором напряжений:

на элементарных площадках, перпендикулярных к координатным осям 0x,0y,0z; ( ij – обозначение компонент тензора напряжений, принятое в ряде работ по ме-

ханике деформируемого твердого тела, i=1,2,3; j=1,2,3), размерность напряжений в системе СИ – Н/м2 (Па).

Из курса сопротивления материалов известно, что можно подобрать направление координатных осей таким образом, что на перпендикулярных им элементарных площадках касательные напряжения будут равны нулю, при этом тензор напряжений принимает следующий вид:

7

где 1, 2 , 3 – главные напряжения, при этом обозначения выбраны так, что

1 2 3 .

В качестве характеристики деформированного состояния металла при малых перемещениях используется тензор деформаций:

компонентов тензора деформаций, аналогичное обозначению ij .

Такжекакитензорнапряжений, тензордеформацийсимметричениможет бытьприведенкглавнымосям, когдасдвиговыедеформациинаплощадках, перпендикулярных к осям, будут равны нулю:

Таким образом, аналогично напряженному, деформированное состояние в точке также может быть однозначно охарактеризовано тремя независимыми величинами.

Учитывая, чтонапряженноеидеформированноесостояниевточкесвязаны

8

между собой, часто используется термин напряженно-деформированное состояние(НДС), котороевточкехарактеризуетсяшестьюнезависимымивеличинами

– тремя главными напряжениями и тремя главными деформациями.

Напряженное состояние металла труб газопроводов изменяется на всех этапах жизненного цикла трубы, начиная от момента проката листа [7]:

исходное напряженное состояние металла трубы, обусловленное технологией производства проката и труб; ij – изменение напряженного состояния при монтажетрубопровода; ij – изменениенапряженногосостоянияприиспыта-

ниях газопровода; ij – изменение напряженного состояния под действием эксплуатационных нагрузок и воздействий, в том числе переменных во времени.

Согласно современным представлениям механики деформируемого твердоготела, разрушениеконструкцииподдействиемнагрузокнепроисходит, пока уровень напряженно-деформированного состояния в металле не достигает критического.

Таким образом, оценка напряженного и деформированных состояний металла труб является актуальной задачей на всех этапах жизненного цикла трубопроводов.

В настоящее время оценка НДС конструкций выполняется расчетным,

экспериментальным и расчетно-экспериментальными методами.

Расчетный метод основан на аналитическом или численном решении систем дифференциальных уравнений механики деформируемого твердого тела

[9].

При этом расчетная схема трубопровода включает, как минимум, данные:

-о геометрической форме ненагруженного трубопровода;

-о свойствах применяемых материалов;

9

- о нагрузках и воздействиях на трубопровод.

При расчетной оценке НДС эти данные берутся из проекта и не всегда точно соответствуют фактическим. Вследствие чего данный метод применяется, как правило, только при проектировании и экспертизе проектов.

В отличие от расчетного метода, расчетно-экспериментальный метод основан на использовании данных, полученных в результате натурных измерений планово-высотного положения трубопроводов, оценке режимов и условий их нагружения. Такжевпроцессерасчетно-экспериментальнойоценкиНДСрасчет- ная схема трубопровода корректируется до достижения максимального соответствия результатов расчета НДС локальных областей с результатами его экспериментальной оценки в этих областях.

Среди экспериментальных методов оценки НДС трубопроводов необходимо выделить тензометрию, магнитные и акустические методы.

Также к методам экспериментальной оценки НДС могут быть отнесены методы оценки планово-высотного положения трубопровода, так как компоненты тензора деформации неразрывно связаны с относительными смещениями точек тела следующим выражением:

где xi – координатные оси, i=1..3, j=1..3.

Средисовременныхметодовоценкипланово-высотногоположениятрубо- проводов одним из перспективных методов можно выделить позиционирование с использованием спутниковых (GNSS) технологий.

Сущность данногометода состоит в том, что в непосредственной близости от объекта контроля устанавливается базовая (референсная) станция, координатыкоторойизвестны, анасамобъектконтроляустанавливаетсяприемниксигнала(рис. 1.2), связанныйбеспроводнымканаломсвязисбазовойстанцией. Приемник принимает сигнал со спутников, определяет свое положение, и уточняет его, связываясь с базовой станцией.

10