В настоящее время для капитального ремонта трубопровода внедрена новая технология ремонта в траншее с сохранением его пространственного положения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, которая приводит к снижению дополнительных ремонтных напряжений в стенке трубы при производстве ремонтных работ.
Существующие методики по расчету трубопроводов, находящихся в эксплуатации в течение многих лет, не в полной мере учитывают влияние объемных и поверхностных нагрузок, а также наличие дефектов различной природы, а именно: влияние степени защемления трубопровода грунтом в процессе ремонта; дефекты коррозионного вида, которые составляют более 50% от всех дефектов; неравномерность распределения ремонтных нагрузок и напряжений на трубопроводе; пространственное положение до, во время и после ремонта.
Учет этих факторов позволит более точно оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) ремонтируемого трубопровода и предсказать допустимые отклонения от заданных параметров, что в свою очередь, на практике приведет к уменьшению максимальных напряжений в стенке трубы.
В общей постановке, задача определения НДС пространственной конструкции при действии объемных и поверхностных нагрузок, является краевой задачей механики деформируемого твердого тела. Существуют различные исходные уравнения, описывающие НДС трубопровода в декартовой системе координат.
1) Дифференциальные уравнения Навье:
;
;
,
(1)
где
,
,
,
,
,
– нормальные и касательные напряжения;
,
,
– компоненты вектора объемных сил.
2) Уравнение Коши:
;
;
;
;
;
,
(2)
где
,
,
,
,
,
– нормальные и касательные (сдвига) деформации;
,
,
– перемещения.
3) Уравнение неразрывности (сплошности) деформаций Сен-Венана:
;
;
(3)
4) Уравнения закона Гука (прямая форма) для изотропного материала:
;
;
;
;
;
(4)
где
– модуль Юнга;
– коэффициент Пуассона;
– модуль сдвига;
– коэффициент температурного расширения;
– изменение температуры.
Рассмотрим поведение ремонтируемого участка трубопровода совместно с примыкающими подземными участками под действием равномерно распределенной поперечной нагрузки, изменения температуры и внутреннего давления. Расчетная модель грунта принимается в виде упругого основания, т.е. считается, что сопротивление грунта в продольном и поперечном перемещениях в вертикальной и горизонтальной плоскостях пропорционально соответствующим перемещениям трубы, уравнения (6)-(13). Такая модель достаточно хорошо описывает работу трубопровода на примыкающих подземных участках, в силу малости продольных и поперечных перемещений. Расчетная схема ремонтируемого участка приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Расчетная схема ремонтируемого участка
Для практической реализации разработанного метода МКЭ ремонтируемый участок рассматривается как упругая балка достаточно большой длины, при изменении которой НДС стенки трубы не должно изменяться. Граничные условия должны выбираться из физических условий рассматриваемых участков, из которых следует, что правая и левая стороны трубопровода прямолинейны, не имеют прогибов и углов поворота. Длина смежных участков существенным образом зависит как от геометрических параметров и условий нагружения трубопровода, так и от физико-механических характеристик окружающего грунта. В результате проведенных расчетов установлено, что длина примыкающих участков должна составлять в среднем от 2 до 4 длин ремонтируемого участка, при этом погрешность в определении перемещений и напряжений составляет от 1% до 3% соответственно.
Рассмотрим результаты моделирования ремонтируемого участка
трубопровода. Входные параметры: внешний параметр трубы
=1220
мм, толщина стенки
= 12 мм, длина участка
= 50 м, давление в трубопроводе
,
обобщенный коэффициент нормального сопротивления грунта
=
3,5·106 Н/м2, обобщенный коэффициент
касательного сопротивления грунта
= 3,5·106 Н/м2.
На рисунке 2 получено распределение прогибов вдоль всего участка при
различных значениях
=
0, 20, 40, 60°С. На границе перехода трубопровода в грунт
наблюдается просадка трубы, которая составляет от 0,013÷0,018
м. В грунте трубопровод имеет подъем, равный 3,4·10-3
м. В центре ремонтируемого участка прогиб увеличивается от 0,083 до
0,136 м. Следует отметить, что по сравнению с жестко защемленным
трубопроводом прогиб увеличивается в 3 раза.
Рис. 2. Прогиб трубопровода при измерении температуры
1 – (0ºС); 2 – (+20ºС); 3 – (+40ºС); 4 – (+60ºС)
На рисунке 3 отображен трехмерный график
распределения прогибов вдоль продольной оси трубопровода при
изменении температуры от 0 до 60°С. С увеличением
прогиб увеличивается.
Рис. 3. Прогиб трубопровода при изменении температуры
Литература:
Халлыев Н.Х., Калошин К.И. Определение параметров капитального ремонта трубопроводов на весу // Строительство трубопроводов. 1969, № 12.
Халлыев Н.Х., Афлетонов Ф.С., Ермаков А.А., Мухаметшин А.М. Результаты проверки новой технологии подъема ремонтируемого газопровода // Газовая промышленность. 1981, № 2.
Халлыев Н.Х., Кошелев Р.В. Математическая модель расчета напряженно-деформированного состояния линейной части магистрального газопровода при капитальном ремонте с сохранением его пространственного положения в горизонтальной и вертикальной плоскостях // Трубопроводный транспорт [теория и практика]. 2007, № 1.