Технические науки/5. Энергетика

К.т.н. Семеген М.М.

Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Украина

Пространственное распределение напряжений вдоль участка магистрального трубопровода и его определение

Введение

Газотранспортная система Украины тесно связана с газотранспортными системами соседних европейских стран и играет значительную роль в европейской энергетической безопасности. Безопасная и надёжная эксплуатация объектов газотранспортных систем невозможна без проведения диагностического контроля технического состояния трубопроводов, в том числе напряжённо-деформированного состояния участков магистральных трубопроводов.

Актуальность

Своевременное оценивание напряжённо-деформированного состояния трубопроводов позволит предусматривать значительное количество аварий и отказов, а также разработать комплекс ремонтно-восстановительных мероприятий по их предупреждению и уменьшению эксплуатационных рисков до приемлемых. В связи с этим, становится актуальной задача создания системных устройств и методик, которые стали бы неотъемлемой частью технологических систем при обработке и определении данных напряжённо-деформированного состояния трубопроводов на ремонтных участках и адекватной интерпретации ситуаций в аварийных условиях.

Обзор и анализ известных решений

Одним из методов определения величины напряжений в стенке трубопровода, который эксплуатируется, является ультразвуковой [1]. На основе общих физических соображений можно утверждать, что физическим параметром, который соответствует величине фактических напряжений в исследуемом металле является скорость или время распространения ультразвуковой волны.

Определением зависимости скорости распространения ультразвуковых волн от напряжённого состояния в образцах металла занимались отечественные учёные А. Гузь, А. Гуща и зарубежные Д. Игл и К. Винклер [2]. Известны ультразвуковые отечественные и зарубежные измерительные приборы (типа «Стресскан») в связи с высокой погрешностью (до 40%) не нашли широкого внедрения на практике при выполнении работ по контролю напряжённого состояния трубопроводов в полевых условиях [3]. Совместными усилиями специалистов Ивано-Франковского национального технического университета нефти и газа и научно-исследовательского института «Квант» был разработан ультразвуковой измеритель механических напряжений [3]. Данный измеритель предназначен для определения плоского напряжённого состояния в элементах сварных металлических конструкций без их разрушения, а также исследования физико-механических свойств конструкционных материалов. В указанных работах, в частности [4], разработаны методы определения величины суммарных напряжений в стенках трубопроводов в зависимости от времени или скорости распространения поперечных ультразвуковых волн и групповой скорости распространения нулевых и первых мод пластинчатых волн. Однако до сих пор эффективность различных методов и средств контроля напряжений остаётся низкой при их использовании непосредственно в эксплуатационных условиях.

Постановка задачи

На практике, в частности при выполнении ремонтных работ на участках подземной части трубопроводов, кроме величины суммарного напряжения в стенках трубопроводов необходимо знать и учитывать ещё и величины главных векторов напряжений, что даст возможность определения места и направления приложения усилий, как по окружности трубы так и вдоль неё, установить причины их возникновения для своевременного реагирования на них ремонтно-восстановительными бригадами, существенно влияет на производительность проведения ремонтных работ.

Основной раздел

В некоторых случаях решения таких проблем, как освобождение трубопровода от грунта связано со значительными затратами, поскольку для этого требуется дополнительное оборудование и подготовка поверхности трубопровода для проведения контроля его технического состояния. Интерес в связи с этим представляет возможность выполнять шурфование магистральных трубопроводов и выбор точек проведения контроля на поверхности трубопровода, что существенно повышает производительность выполнения ремонтных работ.

Физическим параметром, который соответствует величине фактических напряжений в исследуемом металле является скорость распространения ультразвуковых колебаний:

, (1)

где - напряжение определённое ультразвуковым методом;

- функция разности скорости распространения ультразвуковой волны в ненапряженном образце и исследуемом объекте.

Разработана математическая модель определения напряжений при использовании продольной ультразвуковой волны, распространяющейся в деформированной среде описана в [5]. В результате получена аналитическая зависимость, которая связывает значения напряжений в среде распространения ультразвуковых продольных волн в окрестности точки контроля в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, которые совпадают с направлениями главных осей трубопровода с изменением значений их скорости:

(2)

где - измеренная разность скорости распространения ультразвуковой продольной волны в среде с приложенной нагрузкой в направлениях осей , , ;

, - соответственно скорость распространения ультразвуковой продольной волны в среде в ненапряжённом состоянии в этих направлениях;

- акустоупругие коэффициенты, определяемые экспериментально соответственно в нормальной плоскости XZ к направлению приложения усилия и под углом α к плоскостям и , [5].

Для получения полной картины распределения напряжений как по окружности трубы так и вдоль неё, одного измерения недостаточно. С этой целью необходимо увеличить количество точек контроля по окружности трубы и по длине, рис. 1.

Рис. 1. Выбор точек контроля напряжений:

1, 2, ... 5 - соответственно точки контроля напряжений в сечениях А-А, Б-Б и В-В; l - расстояние между выбранными сечениями участка трубопровода; φ - угол между двумя соседними точками контроля в направлении по окружности трубы

Увеличение количества точек должно быть обоснованным, поскольку каждое дополнительное измерение увеличивает время проведения контроля.

Определить действительное распределение действующих в стенке трубы напряжений, можно проведя соответствующие замеры, как по окружности трубы так и вдоль её оси в определённых сечениях, при этом освободив от грунта верхнюю образующую трубы, путём шурфования. В результате можно получить пространственный график распределения напряжений участка магистрального трубопровода, анализируя который можно определить место действия силового воздействия на трубопровод. В стенках трубопровода действуют напряжения различной величины и направления. Используя четвертую теорию прочности их можно свести к эквивалентным, рис. 2.

Рис. 2. Распределение напряжений на контролируемом участке трубопровода

Выводы

Описанная методика определения напряжений в стенке металла трубопровода позволяет повысить производительность определения напряжённо-деформированного состояния магистральных трубопроводов и проведения ремонтных работ.

Литература:

1. Гузь А. Н. Основы ультразвукового неразрушающего метода определения напряжений в твердых телах/ А.Н. Гузь, Ф.Г. Махорот, О.И. Гуща, В.К. Лебедев – К.: Наукова думка, 1974. - 108 с.

2. K. W. Winkler. Measurements of third-order elastic constants in rocks / K. W. Winkler, L. Xingzhou // J. Acoust. Soc. Am. – 1996. - v.100. - p. 1392-1398.

3. Л.С. Шлапак. Ультразвуковий вимірювач механічних напружень / Л.С. Шлапак // Трубопровідний транспорт. – 2014. - № 3 (87). – с. 10-13.

4. Лютак І.З. Ультразвуковий контроль параметрів технічного стану магістральних трубопроводів / І.З. Лютак, І.С. Кісіль. – Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2010. – 285 с. – ISBN:978-9-666941-25-4.

5. Семеген М.М. Удосконалення акустичного методу контролю для визначення перерозподілення напружень на ділянці трубопроводу / М.М. Семеген, З.П. Лютак, Б.В. Костів // Вісник хмельницького національного університету - 2012. - № 4(191). - С. 22-26.