Влияние типа грунта на изменение напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода

Аннотация

Целью статьи является совершенствование методов расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающего особенности конструкции последнего и нелинейный характер воздействия на стенку трубы изменяющихся грунтовых условий.

Введение

Повышение надежности и безопасности трубопроводного транспорта является одной из наиболее актуальных задач в нефтегазовой промышленности. Особую трудность представляет обеспечение надежности подземных участков линейной части магистральных трубопроводов, проложенных в сложных инженерно-геологических условиях.

Для предотвращения аварий трубопроводов, проложенных в сложных инженерно-геологических условиях, необходимо установить влияние изменения условий и параметров эксплуатации на прочность и устойчивость трубопровода, а также найти потенциально опасные участки.

Основные расчетные модели грунтов

По характеру изменения свойств под действием внешних деформаций породы разделяют на 3 типа:

-недеформируемые среды;

-упругие среды;

- пластичные среды.

У недеформируемых сред изменением объема пор можно принебреч. Упругие (кулоновские) среды линейно изменяют объем пор под действием нагрузки и полностью восстанавливают его после разгружения. К таким средам относятся песчаники, известняки, базальты. Пластичные (глины) и текучие (несцементированные пески) породы деформируются с остаточным изменением объема.

Исходные данные к расчету

В качестве исходных данных к расчету напряженно-деформированного состояния трубопровода было взято типичное проектное решение, основанное на технических требованиях СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы.

Общие параметры трубопровода:

Внутренний диаметр, d:	530 мм
Толщина стенки, δ:	11 мм
Длина трубопровода, L:	12 м
Глубина залегания по верхней образующей, h0:	1,5 м
Плотность природного газа, ρг :	0,770 кг/м³
Рабочее давление, P:	8,5 МПа

Характеристики грунта :

Тип:	Песок мелкозернистый
Удельный вес, ϒ:	19000 Н/м³
Угол внутреннего трения, ϕгр:	24°
Модуль деформации Е	48 Мпа
Сцепление грунта с	0
Тип:	Глина мягкопластичная
Удельный вес, ϒ:	18000 Н/м³
Угол внутреннего трения, ϕгр:	0
Сцепление грунта с	21

Характеристика материала трубопровода:

Наименование материала:	Сталь 17Г2С
Плотность металла, ρм:	7850 кг/м³
Предел текучести, σтек:	355 МПа

Расчет нагрузок, действующих на трубопровод

После расчета всех геометрических параметров исследуемого участка трубопровода, необходимо задаться нагрузками, действующими как со стороны грунта, так и со стороны , транспортируемого продукта, изоляционного покрытия и металла трубы (см. рис 1), а также давлением, действующим на внутреннюю поверхность стенки. Все расчеты проведены согласно исходным данным, а также рекомендациям по проверке прочности и устойчивости магистральных газопроводов.

Рис. 1. Нагрузки, действующие на стенку трубопровода

Одна из особенностей данного расчета состоит в использовании соотношений, дающих величину в размерностях силы - Н. Это связано с тем, что моделирование напряженно-деформированного состояния трубопровода проводилось в среде ANSYS Mechanical, где данный вид нагрузок удобнее задавать в размерностях силы. Следует помнить, что расчетная сила действует на всю полуплощадь трубопровода.

Сила, действующая со стороны грунта сверху:

где n_гр - коэффициент надежности по нагрузке от веса грунта; D - наружный диаметр трубопровода, м.

Сила (реакция), действующая со стороны грунта, веса транспортируемого продукта, изоляционного покрытия и материала трубопровода:

где n_св - коэффициент надежности по нагрузкам от действия собственного веса.

Вес изоляционного покрытия учитывается как 0,1 от веса металла трубы. Избыточное давление задается в единицах давления (Па), также вследствие особенностей расчетной оболочки ANSYS Mechanical.

Расчетная модель

В качестве модели исследования влияния типа грунта на НДС стенки трубопровода возьмем модель защемленной балки круглого сечения

Рис. 2.Эпюра изгибающих моментов

Соответствующая стрела прогиба, вызванная расчетной нагрузкой :

Где осевой момент инерции поперечного сечения:

Расчет НДС трубопровода в упругой среде (песчаник)

Рис. 3.Эпюра напряжения, возникающие в трубопроводе в упругой среде

Рис. 4. Эпюра деформаций, возникающих в трубопроводе в упругой среде

Рис.5. Деформация в упругой среде (Ansys)

Расчет НДС трубопровода в упругопластичной среде (глины)

Рис. 6.Эпюра напряжения, возникающие в трубопроводе в упругой среде

Рис. 7. Эпюра деформаций, возникающих в трубопроводе в упругопластичной среде

Рис. 8. Деформация в упругопластичной среде (Ansys)

Выводы

Участки трубоопровода, расположенные в зоне перехода слабых грунтов и грунтов, обладающих достаточно большой несущей способностью, характеризуются повышенным уровнем напряжения, что может привести к аварийным ситуациям.

Корректное задание модели грунта при расчете трубопровода является основной задачей при моделировании подземных трубопроводов, так как именно характеристики грунта (механические свойства) определяют НДС МН.

Список используемых источников

1. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепродуктопроводов. Учебное пособие для ВУЗов. В.Е. Губин, П.И.Тугунов, В.Ф.Новоселов. Изд-во «Недра». 1968 – 154 стр.
2. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Учебное пособие для ВУЗов. П.И. Тугунов, В.Ф. Новоселов, А.А. Коршак, А.М. Шаммазов. Уфа. ООО «Дизайн Полиграф Сервис». 2002 – 658 стр.
3. Строительные нормы и правила (СНиП) 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы».
4. Типовые расчеты при сооружении трубопроводов. Л.А. Бабин, П.Н. Григоренко, Е.Н. Ярыгин. М. Недра. 1995 – 245 стр.
5. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов: учебник для вузов/А.А. Коршак, А.М. Нечваль – СПб.: Недра, 2008 – 486 с.: ил.