Бурков П.В., Никулин К.Н., Разгуляев Н.П.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия

Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния участка трубопровода с помощью ANSYS

Магистральные трубопроводы – наиболее капиталоемкие сооружения нефтегазового комплекса. Продлевать «жизнь» трубопроводным системам – важнейшая научная, техническая и экономическая задача.

На эксплуатируемых трубопроводных системах существует большое количество участков со сложными геологическими условиями эксплуатации. Это оползневые участки, зоны газопроводов в пойменных, заболоченных местах и др. В этих случаях трубопровод подвергается воздействию дополнительных непроектных нагрузок, которые носят периодический характер. Для адекватной оценки технического состояния трубопроводов важно знать фактические эксплуатационные нагрузки, действующие на трубопровод.

Как правило, непроектные нагрузки в сочетании с образовавшимися дефектами в процессе эксплуатации, а зачастую и пропущенными строительно-монтажными дефектами, становятся причинами разрушений трубопроводов.

Эксплуатация трубопроводов по техническому состоянию требует перехода от периодического контроля трубопроводов к непрерывному контролю (мониторингу) без остановки технологического процесса.

Важнейшей составляющей, отвечающей за прочность трубопровода, является напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода и его изменение под воздействием эксплуатационных и природно-климатических факторов.

Ввиду того, что аналитические решения ограничиваются задачами с простой геометрией, простыми граничными условиями и простыми моделями поведения материалов, для задачи расчета НДС системы используются численные методы - метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий очень точно моделировать геометрию расчетной области и граничные условия. Таким универсальным расчетным комплексом, предназначенным для моно- и многодисциплинарных расчетов является ANSYS.

Для своего расчета в качестве исходных данных к расчету напряженно-деформированного состояния трубопровода было использовано типичное проектное решение, основанное на технических требованиях СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы, таблица 1 [2, 3].

Таблица 1

Общие параметры и характеристика материала трубопровода

Диаметр трубопровода, d:	420 мм
Толщина стенки, δ	5,7 мм
Длина трубопровода, L	1000 м
Глубина залегания, h0	1,5 м
Плотность природного газа, ρг	0,700 кг/м³
Рабочее давление, P	4,5 МПа
Наименование материала	сталь 14ХГС
Плотность металла, ρм	7850 кг/м³
Предел текучести, σтек	327 МПа

Расчет производится с помощью трехмерного моделирования и решения пространственной задачи определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, находящегося под действием внутреннего давления и веса от толщи грунта. Порядок моделирования напряженно-деформированного состояния в CAE-среде ANSYS Workbench состоит из следующих этапов:

1. Моделирование материала и исследуемой геометрии.

2. Моделирование опор и нагрузок, действующих на трубопровод.

3. Моделирование сетки конечных элементов. Расчет НДС.

4. Анализ получившихся результатов.

Рис.1 Изображение напряжений δx

Как следует из данных на приведенном выше рисунке максимальное значение напряжений SX в сечении, перпендикулярном плоскости ZY, а 124 минимальное значение этих напряжений на внутренней поверхности цилиндра, изменение значений напряжений, возникающих при эксплуатации трубопровода, может достигать величин близких к пределу текучести стали, что снижает уровень надежности трубопровода; суммарные перемещения переменны по длине трубы и существенно зависят от действия распределенных нагрузок.

Еще одним важным моментом при эксплуатации трубопроводов является возникновение кольцевых и продольных напряжений, являющиеся опасными с точки зрения увеличения коррозионного растрескивания. Кольцевые напряжения возникают в стенках труб от воздействия внутреннего давления примерно в 1,5 - 2 раза ниже предела текучести и нормального сопротивления при работе металла труб на разрыв. Для определения значения их величины учитывается рабочее давление среды, наружный диаметр и толщина стенки.

Определение же продольных напряжений для общего случая

s_пр = 0,5s_кц =0,5161,3 = 80,65 МПа.

Определение кольцевых и продольных напряжений, считается проверочным расчетом и является одним из этапов в подготовке конечных проектных расчетов, что позволяет оценить реальную несущую способность существующих трубопроводов с учетом фактической прочности строительных материалов, действующих нагрузок, уточненной расчетной схемы, имеющихся дефектов и повреждений.

Оценка напряженно-деформированного состояния и определение наиболее нагруженных участков трубопровода является важным фактором в определении условий безопасной эксплуатации всех магистральных и промысловых трубопроводов. Данные расчеты позволяют проводить исследования в области применения новых систем.

Перечень использованной литературы:

1. Родионов Н.В., Суховерхов Ю.Н. (ЗАО «Дигаз»). Оценка напряженно-деформированного состояния линейной части магистральных трубопроводов.

2. СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы.

3.СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия.

4. Ильин В. П. К расчету устойчивости длинной цилиндрической оболочки при чистом изгибе // Теоретическая механика, сопротивление материалов, строительная механика. 1964. С. 27-32.

5.Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справ.пособие. –М.: Машиностроение 1, 2004.-512с.