Исследование напряженно-деформированного состояния и оценка прочности трубопроводных систем

• Автор: Ефимов, Артем Игоревич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Оглавление

Введение
Принятые сокращения и обозначения
Глава I. Оценка работоспособности трубопроводов нефтегазовых сооружений
1.1. Состояние проблемы
1.2. Выбор расчетно-экспериментального подхода для
исследований
1.3. Техническая диагностика трубопроводных систем различного функционального назначения
Глава II. Исследование прочности трубопроводных систем
2.1. Исследование коэффициентов концентрации напряжений в трубопроводах с дефектами
2.2. Выбор критериев прочности
2.3. Трубопроводы из полимерных и композиционных материалов
2.4. Оценка работоспособности полимерного армированного трубопровода
Глава III. Разработка методики оценки работоспособности трубопроводов при динамическом нагружении
3.1. Работоспособность трубопроводных систем при динамическом нагружении
3.2. Влияние различных дефектов на работоспособность конструкций трубопроводов
3.3. Техническая диагностика и оценка ресурса технологических трубопроводов узлов редуцирования
3.4. Методика оценки остаточного ресурса технологических трубопроводов
Выводы
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Трубопроводный транспорт играет одну из решающих ролей в современной технике. В настоящее время Россия имеет надежную систему трубопроводного транспорта для нефти и газа и продуктов их переработки -самую протяженную в мире. Реализуются крупные проекты по новой газотранспортной системе, не имеющие мировых аналогов. С другой стороны, трубопроводные системы жилищно-коммунальной отрасли и реального сектора экономики страны практически не модернизировались в течение последних пятнадцати лет и их техническое состояние оставляет желать лучшего. Из изложенного следует актуальность и современность задачи оценки прочности и ресурса трубопроводных систем различного функционального назначения.
Основной целью работы является исследование прочности
трубопроводов различного назначения для прогнозирования срока их ремонта или замены. Поставленная цель достигается путем
последовательного решения следующих задач:
- разработки методик математического моделирования задач исследования напряженно-деформированного состояния (НДС)
трубопроводов в статической постановке с учетом возможных дефектов в трубе;
- оценки влияния динамических нагрузок на прочность трубопроводов;
- проведение комплекса работ по техническому диагностированию трубопроводных систем различного назначения;
- обоснованию критерия прочности трубопроводов (в том числе и из полимерных и композиционных материалов) и разработки подходов для оценки остаточного ресурса их эксплуатации.
Работа в целом является теоретико-экспериментальной. Теоретические разработки состоят в математическом моделировании методом конечных элементов (МКЭ) трубопроводных систем для исследования их напряженно-
деформированного состояния. Экспериментальные подходы использовались при технической диагностике трубопроводных систем и обосновании критерия прочности трубы.
На защиту выносятся следующие положения:
-подход для комплексного диагностического сопровождения трубопроводных систем различного функционального назначения;
- алгоритм и программный комплекс стохастического метода конечных элементов, позволяющий при расчете наряду с номинальными значениями искомых величин (математические ожидания) получать и их дисперсии;
-установленные закономерности поведения коэффициентов концентрации напряжений в дефектах стальных трубопроводных систем;
-обоснованный критерий прочностной работоспособности трубопроводов, в том числе и из композиционных материалов.
Основными научными результатами, полученными в работе, являются:
- предложенный алгоритм стохастического метода конечных элементов, позволяющий наряду с математическими ожиданиями искомых величин единой процедурой определять и их дисперсии, что важно для вероятностных оценок прочностной работоспособности конструкций;
-установленный эффект снижения уровня коэффициента концентрации напряжений в стальных трубопроводных системах с дефектами в 1,2... 1,5 раза при учете реальных диаграмм деформирования трубных сталей с пределом текучести в интервале 380.. .450 МПа;
-сформулированные и обоснованные допустимые уровни напряжений при динамическом нагружении трубопроводов для обеспечения прочности, которые должны составлять аДШ!. < 0,1астэт. при скорости вибрации трубы не более 10 мм/с.
Практическая значимость работы состоит в решении задач, позволяющих:
-оперативно исследовать влияние дефектов на прочность трубопроводов с выдачей рекомендаций по их ремонту, либо замене дефектных участков;

где индексы «Ь> и <ф> принимают все значения от 1 до п + N. число независимых переменных увеличивается по сравнению с п на величину
МР + М-.
В данном выражении неизвестен вектор {Ф°} размерностью N. а также
—1 —2
матрицы [Ф ] размерностью -V х (п + /V) и [Ф ] размерностью N х (п + У). Часть вектора является заданными кинематическими граничными условиями.
Из матричной системы получаем уравнение для определения неизвестного вектора {Ф}, }:
[Ог]{Ф7}+[о^]{фГ}={Рр}.
Опуская далее дальнейшие громоздкие выражения матричной «кухни», которые приведены в нашей работе [103] с реализацией метода стохастического конечного элемента для типовой машиностроительной конструкции, отметим следующее. Невзирая на громоздкость и большую размерность матриц, а также повышенную трудоёмкость при реализации метода в виде программного комплекса на ПЭВМ, где необходимо получить количественный показатель - вероятность безотказной работы по прочности конструкции в виде набора девяток после нуля.
Общая блок-схема технической диагностики исследуемых конструкций показана на рис. 1.10. При этом наиболее важным элементом, исходя из поставленных задач оценки прочностной работоспособности, является прямое измерение напряжений. Как показал анализ, прямые измерения целесообразно производить магнитно-шумовым методом [40], а контроль состояния металла и сварных соединений магнитопорошковым и ультразвуковым методами. Для этого используем измерители напряжений, прибор ультразвукового контроля (УЗК), например, «СКАРУЧ» и магнитопорошковую дефектоскопию (рис. 1.10).
Следует отметить, что определение величин напряжений (монтажных, эксплуатационных, технологических остаточных и т.п.) в магистральных трубопроводах и других ответственных деталях (дисках и лопатках, валах, шестернях, подшипниках) газотурбинных двигателей и газотурбинных