Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях




Скачать 18,93 Kb.
НазваниеМоделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях
страница1/3
Дата03.02.2016
Размер18,93 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3



УДК 539.3:621.81 На правах рукописи


ШЕВЦОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ


Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях


01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Республика Казахстан

Шымкент, 2010


Работа выполнена в Таразском государственном университете им.М.Х.Дулати.


Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

Джунисбеков Т.М.

доктор технических наук, профессор академик НИА РК

Жунисбеков С.


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

Сейтказенова К.К.

кандидат технических наук

Саржанова М.Ж.


Ведущая организация:

Казахский Национальный технический университет им К.Сатпаева



Защита состоится 12 марта 2010г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О.Ауезова в ауд. 342 главного корпуса по адресу: 160012 г.Шымкент, пр.Тауке хана 5.


С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О.Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр.Тауке хана 5, ауд.215.


Автореферат разослан «___» февраля 2010г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 14.23.01

доктор технических наук, профессор А.А. Волненко


Введение


Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена моделированию устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала. Основу исследований составляют теоретический анализ и компьютерное моделирование устойчивости подземных трубопроводов, позволяющие производить их расчет на устойчивость при эксплуатационных воздействиях и с учетом физико-механических параметров материала трубы. Особое внимание уделено разработке методов вычисления критических нагрузок, предотвращающие потери устойчивости формы сечения подземных трубопроводов.

Актуальность проблемы. При проектировании подземных трубопроводов различного назначения необходимо решать задачи, связанные с их надежностью при различных эксплуатационных воздействиях. Под влиянием внешних статических, динамических нагрузок и температуры трубопровод может внезапно искривиться, приобрести гофрированную поверхность – т.е. потерять устойчивость. Применение ортотропных материалов обусловленное малой толщиной стенки трубы при большом радиусе только увеличивает риск возникновения деформаций при эксплуатации нефтегазопроводов. Поэтому задача расчета устойчивости является актуальной для надежного и долговременного использования трубопроводов в нефтегазовой и химической промышленности

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой, включенной в тематический план научно-исследовательской работы Таразского государственного университета им.М.Х.Дулати шифр №XIII.3 на кафедре «Теоретической и прикладной механики». «Напряженно деформированное состояние многослойных труб из ортотропного материала находящихся под воздействием жидкой среды», на 2002-2007гг; государственной научно-технической программой Министерства науки РК по плану НИР НИИ новых химических технологий и материалов (шифр №0222) на тему «Разработка технологий создания коррозионно-стойких труб для транспортировки нефти» на 2000-2003г.г.

Целью работы является моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала под воздействием различных технологических факторов.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

- создание математических моделей расчета сечения подземного трубопровода на устойчивость с учетом экспуатационных воздействий;

- получение решений дифференциальных уравнений устойчивости сечения трубопровода, с учетом граничных условий;

- разработка инженерных методов расчета на устойчивость сечения подземных трубопроводов;

- разработка методов, алгоритмов и соответствующих компьютерных программ для исследования устойчивости подземного нефтепровода.

Научная новизна исследований

- разработаны математические модели устойчивости сечения подземного трубопровода из ортотропного материала при неоднородной, в окружном направлении, внешней нагрузке грунта и внутренней нагрузке нефти;

- определен аналитический вид функции внешнего давления грунта по периметру трубы, учитывающей объемный вес грунта в естественном состоянии, глубину заложения трубы до ее оси, внешний радиус трубы и коэффициент силового давления, а также аналитический вид функции внутреннего давления нефти по периметру трубы;

- разработаны методы численной реализации полученных дифференциальных уравнений устойчивости подземного трубопровода из ортотропного материала для учета воздействия эвсплуатационных факторов;

- установлена закономерность изменения критической нагрузки от различных геометрических параметров и упругих постоянных материала трубопровода;

- усовершенствована методика инженерного расчета критической нагрузки потери устойчивости сечения трубопровода.

Основные научные положения выносимые на защиту:

- математические модели и методы расчета устойчивости сечения подземного трубопровода из ортотропного материала, подвергнутого воздействию грунта, окружающей среды и температуры;

- системы уравнений, описывающих закономерность протекания процесса потери устойчивости сечения трубопровода под влиянием эксплуатационных воздействий;

- алгоритмы, программное обеспечение и результаты численных расчетов устойчивости сечения трубопровода при воздействии нагрузок от грунта, нефти, окружающей среды и температуры;

- инженерная методика расчета на устойчивость сечения подземного трубопровода;

- установленные закономерности изменения критической нагрузки от геометрических параметров, температуры, характеристик материала, грунта, нефти, влияния жидкой среды.

Практическая ценность

- предложена методика расчета на устойчивость сечения подземного нефтепровода из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях, учитывающая влияние геометрических параметров, упругие постоянные материала, внешние и внутренние нагрузки на трубопровод;

- определены значения критической нагрузки потери устойчивости сечения подземного трубопровода от различных факторов: объемного веса грунта, глубины заложения трубы, упругих постоянных материала, геометрических размеров, коэффициента бокового давления грунта, концентрации жидкой среды и температуры;

- разработаны алгоритмы и программное обеспечение на языке «Code Gear Delphi Architect 2009» позволяющие варьировать максимально и минимально возможные характеристики материала, геометрические размеры трубопровода, концентрацию жидкой среды и температуру. Полученные закономерности использованы на стадии разработки и проектирования подземных трубопроводов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов -подтверждается тем, что они были получены на основе известных теоретических и апробированных методов механики деформированного твердого тела, прикладного математического анализа, моделированием условий нагружения на ЭВМ.

Апробация практических результатов работы. Результаты выполненных исследований методики расчета и выбора параметров критической нагрузки, оценки устойчивости подземных трубопроводов, а также программное обеспечение переданы ТОО «Промсвязь» для практического внедрения при проектировании и эксплуатации подземных трубопроводов, с ожидаемым экономическим эффектом от внедрения 1820 тыс. тенге. Результаты работы внедрены в учебный процесс ТарГУ им.М.Х.Дулати и используются при преподавании дисциплин «Сопротивление материалов», «Механика деформируемого твердого тела».

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на международных и республиканских научных конференциях: «VIII Сатпаевские чтения» (Павлодар, 2008г.), «Модернизация науки и образования Казахстана в условиях реализации стратегии индустриально-инновационного развития» (Тараз, 2008г.), «Валихановские чтения – 13» (Кокшетау, 2008г.), «Экономичекое, социальной и культурное развитие Западного Казахстана: история и современность» (Уральск, 2008г.), «Ер усти транспорт тизимлари муаммоларига багишланган илмий-техник конференцияси» (Ташкент, 2008г.), «Наука и образование ведущий фактор стратегии Казахстан-2030» (Караганда, 2008г.), «Современные проблемы механики» (Алматы, 2008г.), «Научно-техническое развитие нефтегазового комплекса»( Алматы-Уральск, 2009г.).


Основная часть.

Во введении содержится оценка современного состояния методов расчета устойчивости трубопроводов из композиционных полимерных материалов (КПМ), излагается основание для разработки темы, исходные данные и дается обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы. Оно также содержит актуальность рассматриваемой проблемы, цели и задачи диссертационной работы, научную новизну, положения выносимые на защиту, обоснованность и достоверность полученных результатов, апробацию практических результатов и практическую ценность работы.

В первом разделе приведен обзор исследований в области расчета устойчивости труб из ортотропных материалов. Значительный вклад в развитие методов расчета на устойчивость ортотропных оболочек внесли ученые: М.Т. Алимжанов, Ш.М.Айталиев, Л.М.Алексеева, А.И. Айнабеков, Б.Д.Аннин, В.Л.Бажанов, И.А.Биргер, В.В.Болотин, Л.Г.Белозеров, В.В.Васильев, Ж.К.Бакиров, Г.А.Ванин, И.И.Гольденблат, Э.И.Григолюк, В.А.Киреев, Ж.С.Ержанов, ЖК.Масанов, Ю.В.Немировский, В.В.Новожилов, Х.М.Муштари, Н.Ф.Образцов, С.П.Тимошенко и др.

В этих исследованиях расчет устойчивости цилиндрических оболочек производится произвольными нагружениями не учитывающими конкретного условия работы трубопроводов, грунта, нефти и воздействия жидких сред и температуры. Степень влияния жидких сред на трубопровод определяется комплексом факторов: активностью среды обусловленной физико-химической природой КПМ и среды, а также характером ее изменения при деформировании. Процессы взаимодействия трубы с окружающей средой относятся к сложным задачам механики. В связи с этим возрастает роль математического моделирования устойчивости трубопровода из ортотропного материала с учетом жидких сред и температуры для обеспечения надежности эксплуатации трубопроводов.

Во втором разделе рассмотрены методы решения дифференциального уравнения устойчивости сечения трубопровода и получены зависимости критической нагрузки от воздействия неоднородного давления грунта на внешнюю поверхность трубы и влияния напряжений, создаваемых нефтью на внутреннюю поверхность подземного трубопровода.

В качестве основного определяющего уравнения устойчивости труб из ортотропного материала использована модель Г.А.Ванина.

Критическая нагрузка определяется из уравнения

(1)

где

(2)

(3)

(4)


- функция докритических усилий

(5)

Внутреннее давление в трубе связано с нефтью, оно распределяется неоднородно по сечению трубы (рисунок 1).




Рисунок 1 - Распределение функции напряжения по внешней и внутренней поверхности трубы

Из этого рисунка подобрана функция распределения напряжений по внутренней поверхности трубы в виде

(6)

Определен аналитический вид нагрузки на трубу через функцию

(7)

С учетом внутреннего и внешнего давления, считая состояние оболочки безмоментным, получили следующие выражения для докритических усилий:


(8)

(9)

(10)


Выражение для прогиба и функцию усилий задаем в виде двойных рядов

(11)

(12)


Применяя процедуру метода Бубнова-Галеркина решена система дифференциальных уравнений устойчивости ортотропной трубы. Получена следующая система, из которой последовательно увеличивая число членов определителя можно найти значение критической нагрузки.

(13)

где

(14)

(15)

(16)


При расчетах критической нагрузки точность расчета ограничена на десятом порядке определителя, т.е. в уравнение входит вплоть до десятой степени. Расчет устойчивости ортотропного подземного трубопровода проводился при следующих параметрах: жесткость трубы ,, , плотность грунта обратной засыпки от до , шаг изменения плотности , , модули упругости материала в различных направлениях , плотность нефти , толщина стенки .

Расчет критической нагрузки при внутреннем давлении равном 0,5 МПа и глубине заложения равной 0,8 м (от поверхности грунта до вершины трубы) приведен на рисунке 2. При увеличении плотности грунта возрастает его давление на трубопровод и соответственно надо приложить меньшую нагрузку для того чтобы трубопровод потерял устойчивость. Полученная зависимость имеет нелинейный характер, и в промежутке от 1 т/м3 до 1,7 т/м3 (плотность воды и грунта соответственно) меняется плавно.

Глубина на которой прокладывают трубопровод также существенно влияет на устойчивость. В приведенных расчетах диаметр трубопровода равен 1,4 м и уже на глубине в 5м критическая нагрузка равна 0,1МПа, а при наземной прокладке критическая нагрузка равна 0,5 МПа, т.е. в пять раз больше.


Критическая нагрузка, МПа



Плотность грунта, кг/м3


Рисунок 2 - Распределение критической нагрузки для различной плотности грунта обратной засыпки трубы
При глубине прокладки трубопровода 0.8м (расстояние от поверхности грунта до верхней части трубы) критическая нагрузка растет с увеличением внутреннего давления нефти по нелинейному закону. На рисунке 3 представлены зависимости критической нагрузки от геометрических размеров трубы, внешнего радиуса трубы и модуля упругости материала трубы.

Критическая нагрузка, МПа



Критическая нагрузка, МПа






Радиус трубопровода, м




Модуль упругости, МПа


Рисунок 3 - Зависимости критической нагрузки от внешнего радиуса и модуля упругости материала

  1   2   3

Похожие:

Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconСвод правил по проектированию и строительству
Проектирование и монтаж подземных трубопроводов водоснабжения из стеклопластиковых труб
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconСвод правил по проектированию и строительству
Проектирование и монтаж подземных трубопроводов канализации из стеклопластиковых труб
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconТранспорт. Строительство. Горные машины
Отдельные участки трубопроводов работают в условиях высоких температур, что существенно влияет на их долговечность. В работе представлен...
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconГеометрически нелинейная стержневая модель в задачах расчета подземных трубопроводов
Работа выполнена в фгбоу впо «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре «Строительная механика...
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconМоделирование эрозионных процессов в каналах и руслах различной площади поперечного сечения с учетом кориолисовой силы
В работе представлено моделирование гидродинамических процессов влияющие на размыв и деформацию каналов/русел с различной геометрией...
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconСовершенствование методов оценки устойчивости и эксплуатационной надежности морских трубопроводов
Специальность: 25. 00. 18 – «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых»
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconДоклады на бумажном носителе дублируются диском
Прикладные исследования по обнаружению полезных ископаемых. Мониторинг подземных и подводных трубопроводов, автодорожных покрытий,...
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconРасчет на прочность лезвия дереворежущего инструмента от действия изгибающей силы
Эти условия могут резко изменяться в зависимости от обрабатываемого материала, геометрии и материала режущего инструмента, режимов...
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconМатематическое моделирование аэродинамических систем при создании средств очистки атмосферного воздуха
Специальность 05. 13. 18. – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
Моделирование и расчет устойчивости сечения подземных трубопроводов из ортотропного материала при эксплуатационных воздействиях iconСписок работ д ф. м наук В. Л. Бычкова Авилова И. В., Бычков В. Л., Касьянов В. А., Подлубный Л. И. Расчет вероятностей радиационных процессов при помощи метода
Авилова И. В., Бычков В. Л., Касьянов В. А., Подлубный Л. И. Расчет вероятностей радиационных процессов при помощи метода модельного...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница