Тесленко Е.С.

Национальный Исследовательский Томский Политехнический университет

Влияние типа грунта на изменение НДС стенки трубопровода

Целью работы является совершенствование методов расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода, учитывающего характеристики грунта.

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.

Отказам и авариям трубопроводов, проложенных в сложных условиях, наряду с другими факторами, способствует их чрезмерный изгиб, который сопровождается неравномерной осадкой и нестабильным положением системы грунт-труба-жидкость или газ. Чрезмерный изгиб трубопровода на потенциально опасных участках подтверждается также данными замеров продольных напряжений стенки трубы, величины которых соизмеримы с кольцевыми напряжениями от воздействия на стенку трубы рабочего давления.

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. Нахождение этих участков, наряду с техническими средствами, осуществляется расчетным путем из решения задачи прочности и устойчивости. Анализ постановок этих задач, содержащихся в исследованиях последних лет, показывает, что они выполнены принятием упрощающих предположений по конструкции трубопровода и схеме его нагружения. Отсутствуют теоретические или экспериментальные обоснования принятия этих предположений, не установлены границы применения результатов решения задач. Сами расчеты осуществляются в основном аналитическими методами без исследования решений дифференциальных уравнений или численными методами, в которых используется решение уравнения продольно-поперечного изгиба стержня в конечных аналитических выражениях, имеющего место только при выполнении условия о постоянстве продольной силы.

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 пренебречь. 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, а также давлением, действующим на внутреннюю поверхность стенки. Все расчеты проведены согласно исходным данным, а также рекомендациям по проверке прочности и устойчивости магистральных газопроводов.

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.

Соответствующая стрела прогиба, вызванная расчетной нагрузкой :

Где осевой момент инерции поперечного сечения:

Рис. 1.Эпюра изгибающих моментов

Расчет НДС трубопровода в упругой среде (песчаник)

_{а) б)}

Рис. 2

а) Эпюра напряжений, возникающих в трубопроводе в упругой среде

б) Эпюра деформаций, возникающих в трубопроводе в упругой среде

Расчет НДС трубопровода в упругопластичной среде (глины)

а) б)

Рис. 3

а) Эпюра напряжений, возникающих в трубопроводе в упругопластичной среде

б) Эпюра деформаций, возникающих в трубопроводе в упругопластичной среде

а) б)

Рис. 4

а) Напряжения в упругопластичной среде

б) Деформации в упругопластичной среде

а) б)

Рис.5

а) Напряжения в упругой среде

б) Деформации в упругой среде