close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка методов оценки надёжности и нормирования размеров поверхностных трещин в нефте- и газопроводах

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Глушков Сергей Валериевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НАДЁЖНОСТИ
И НОРМИРОВАНИЯ РАЗМЕРОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН
В НЕФТЕ– И ГАЗОПРОВОДАХ
01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов
и аппаратуры
Автореферат
диссертации на соискание учѐной степени
кандидата технических наук
Самара – 2016
Работа выполнена в федеральном государственном автономном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Самарский
государственный
аэрокосмический
университет
имени
академика
С. П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на
кафедре космического машиностроения имени Генерального конструктора
Д. И. Козлова.
Научный руководитель:
заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук,
профессор Тарасов Юрий Леонидович ч
доктор технических наук, доцент Перов Сергей Николаевич.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Радченко Владимир Павлович,
заведующий кафедрой «Прикладная математика и информатика» федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Самарский государственный технический университет»;
доктор технических наук, профессор Разумовский Игорь Александрович,
заведующий лабораторией механики разрушения и живучести федерального
государственного бюджетного учреждения науки Институт машиноведения
им. А. А. Благонравова Российской академии наук.
Ведущая организация:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет
Петра Великого», г. Санкт-Петербург.
Защита состоится 15 апреля 2016 года в 1000 на заседании
диссертационного совета Д 212.215.08, созданного на базе федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего
образования «Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский
университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего
образования «Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский
университет)» и на сайте: http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/glushkov/
Автореферат разослан «___» __________ 20__ г.
Учѐный секретарь
диссертационного совета Д 212.215.08
доктор технических наук, доцент
2
Г. М. Макарьянц
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Обеспечение надѐжности и безопасности трубопроводных систем является одним из важнейших направлений и играет ключевую роль в экспортно-ориентированной сырьевой отрасли экономики РФ. Протяжѐнность линейных частей магистральных нефте- и газопроводов превышает
240 тыс. км, а промысловых и технологических трубопроводов – 350 тыс. км.
По статистическим данным одной из основных причин разрушения трубопроводных систем является ослабление линейной части трубы, обусловленное наличием острых трещиноподобных дефектов, различного происхождения. Процесс длительной эксплуатации сопровождается деградацией трубной стали, при
этом изменяются механические характеристики материала и сварных швов. Несовершенство имеющейся нормативной базы по проектированию и эксплуатации, а также продолжительный срок жизни объектов трубопроводного транспорта выдвигают на первый план необходимость совершенствования методов
расчѐта надѐжности таких сооружений. Существующие отраслевые нормы и
правила рассматривают трубопровод как сугубо бездефектную конструкцию,
вследствие чего отсутствуют проработанные до практической применимости
методики расчѐта степени опасности обнаруживаемых дефектов и оценки их
влияния на живучесть конструкции.
Степень разработанности темы. Действующие нормы и правила обеспечения надѐжности трубопроводных систем как на этапе проектирования, так
и в процессе эксплуатации, основываются на нормативном методе расчѐта конструкции по предельным состояниям и реализуются за счѐт применения коэффициентов запаса прочности, которые выбираются экспертным путѐм. Это приводит к существенному увеличению металлоѐмкости трубопроводов. Данный
подход не учитывает в явном виде не только временные факторы, но и вероятностную природу характеристик несущей способности, а также стохастический
характер нагружения.
Современные вероятностные методы оценки надѐжности этих недостатков лишены, однако на данный момент их применимость на практике редка
вследствие ряда причин: высокой трудоѐмкости построения математических
моделей для протяжѐнных трубопроводных систем; больших вычислительных
затрат при определении параметров механики разрушения для трубопроводов,
эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной; сложности
моделирования и идентификации законов распределения внешних нагрузок,
обусловленных нестационарной или циклической нагруженностью и прочими
внешними факторами.
Цель и задачи. Цель диссертации – разработка и апробация перспективных методов количественной оценки надѐжности трубопроводных систем и
нормирования размеров поверхностных трещиноподобных дефектов производственной или эксплуатационной природы в трубопроводах по остаточному ресурсу в стохастической постановке с учѐтом пространственно-временного изменения параметров нагружения и рассеивания характеристик трещиностойкости материала конструкции.
3
Задачи исследования:
1) разработка методов высокоточного компьютерного моделирования
поверхностных трещин в стенках труб и технологии расчѐта параметров механики разрушения в точках вдоль фронта пространственного дефекта на базе современных достижений в данной области;
2) проведение вычислительного эксперимента по расчѐту параметров механики разрушения в точках фронта дефекта для широкого набора применяемых типоразмеров труб, содержащих различные поверхностные трещины, с использованием суперкомпьютерной техники и CAE-системы ANSYS;
3) составление на основе результатов параметрических расчѐтов таблиц
безразмерных коэффициентов, инвариантных к типоразмерам труб и входящих
в универсальные формулы для вычисления коэффициентов интенсивности напряжений в характерных точках фронта дефекта;
4) разработка методов оценки ресурса трубопровода с развивающейся
поверхностной трещиной при случайных внешних воздействиях произвольной
конфигурации;
5) составление алгоритмов и разработка прикладной программы для реализации процесса вычислительной оценки вероятности безотказной работы
(ВБР) повреждѐнного участка трубопровода, а также прогноза живучести конструкции;
6) разработка методики нормирования дефектов типа поверхностных
трещин в стенках трубопровода по величине остаточного ресурса.
Объектом исследования являются процессы распространения несквозных дефектов типа поверхностных трещин в стенках линейных частей магистральных нефте- и газопроводов, сопровождающиеся снижением надѐжности
конструкции.
Предмет исследования – методы количественной оценки надѐжности и
нормирования размеров поверхностных трещиноподобных дефектов в элементах трубопроводных систем по остаточному ресурсу.
Научная новизна.
1. Разработана компьютерная технология решения трѐхмерной задачи
механики разрушения в CAE-системе ANSYS, позволяющая исследовать несквозные поверхностные трещины в тонкостенных конструкциях, имеющие
произвольное расположение и ориентацию.
2. В результате серии вычислительных экспериментов на суперкомпьютерной технике получены аналитические зависимости для безразмерных коэффициентов, входящих в полуэмпирические соотношения для расчѐта коэффициентов интенсивности напряжений в характерных точках полуэллиптической
трещины.
3. Разработан метод оценки остаточного ресурса трубопровода, содержащего поверхностный трещиноподобный дефект, в условиях стохастического
нагружения сложной конфигурации, основанный на методах интерполяционных полиномов и статистических испытаний.
4
4. Разработана методика построения областей допустимых размеров поверхностных трещин в стенке трубопровода и метод нормирования подобных
дефектов на основе вычислительной оценки остаточного ресурса.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что:
 доказаны состоятельность и эффективность (по скорости и точности
вычислений) методик оценки показателей надѐжности для трубопроводов с
развивающейся поверхностной трещиной, основанные на методах интерполяционных полиномов и статистических испытаний;
 результативно использован комплекс существующих приѐмов и методов общей теории надѐжности, в том числе разработаны эффективные процедуры, алгоритмы и методики расчѐта ВБР и живучести трубопроводов с учѐтом
возможности постепенных отказов в элементах конструкции, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной в условиях циклического
нагружения с постоянной и переменной амплитудами.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
 разработан набор программ-макросов для высокоточного моделирования вытянутых поверхностных трещин в тонкостенных конструкциях и вычисления параметров механики разрушения в точках фронта дефекта;
 создан программный продукт, позволяющий проводить вычислительную оценку ВБР повреждѐнного участка трубопроводной системы, а также
прогнозировать остаточный ресурс конструкции.
Представленные в работе методика, процедуры, алгоритмы и рекомендации использованы в практике проектирования магистральных трубопроводных
систем в ОАО «Оргтехнефтестрой» и в учебном процессе ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика
С. П. Королѐва (национальный исследовательский университет)» при подготовке студентов по направлению 15.03.03 – «Прикладная механика».
Методы исследований. Работа выполнена на основе классических методов и современных достижений в области механики разрушения с применением
математического аппарата теории надѐжности сложных технических систем.
При решении задачи статистической динамики использовались методы МонтеКарло (статистических испытаний) и интерполяционных полиномов. Исследование распределения параметров механики разрушения для несквозных трещин
в тонкостенных конструкциях при квазистатическом и циклическом нагружении проводилось в форме вычислительного эксперимента в CAE-системе
ANSYS с применением разработанных программ-макросов и суперкомпьютерной техники. При анализе и обработке результатов вычислительных экспериментов по определению вероятностных характеристик параметров поведения
исследуемой системы использовались классические статистические методы и
современное программное обеспечение. Для оценки остаточного ресурса участка трубопровода, содержащего поверхностный дефект, разработана прикладная
программа PipeResource.
5
Положения, выносимые на защиту:
1. Компьютерная технология моделирования трѐхмерных поверхностных
трещин и вычисления параметров механики разрушения в CAE-системе
ANSYS.
2. Полученные в результате масштабного вычислительного эксперимента таблицы и аналитические зависимости для безразмерных коэффициентов,
входящих в полуэмпирические соотношения для расчѐта коэффициентов интенсивности напряжений.
3. Метод оценки остаточного ресурса повреждѐнного трубопровода при
стохастическом нагружении сложной конфигурации.
4. Прикладная программа для проведения вычислительной оценки ВБР
повреждѐнного участка трубопроводной системы, позволяющая прогнозировать остаточный ресурс конструкции.
5. Методика построения областей допустимых размеров поверхностных
трещин в стенке трубопровода.
6. Метод нормирования размеров несквозных трещиноподобных дефектов на основе вычислительной оценки остаточного ресурса повреждѐнного трубопровода.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью
постановки задач исследования, использованием научно обоснованных расчѐтных схем, применением апробированных аналитических и численных методов
анализа и расчѐта, реализацией алгоритмов и процедур расчѐта на современной
вычислительной и суперкомпьютерной технике, корректным заданием исходных данных и объективным анализом полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: XXVIII Российской школе по проблемам
науки и технологий (Миасс, МСНТ, 2008); Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые
задачи» (Самара, 2009); XXIX Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2009); XII Всероссийской научно-технической конференции
«Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2011); XII Всероссийском
Симпозиуме по прикладной и промышленной математике (весенняя сессия)
(Казань, 2011); Международной научно-технической конференции «Проблемы
и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2011); IV Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (2011); Международной заочной научной конференции «Технические науки: теория и практика» (Чита, 2012); X Международной научнотехнической конференция «Информационные технологии в науке, технике и
образовании» (республика Абхазия, г. Пицунда, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 статей, в том числе 7
в журналах из перечня ведущих периодических изданий, рекомендованных
высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ,
5 тезисов докладов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используемой литературы из 231 наименования и
6
одного приложения. Содержит 180 страниц текста, включая 44 рисунка и 22
таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель, изложены задачи, обоснована научная новизна, теоретическая и
практическая значимость, даѐтся краткое описание содержания разделов диссертационной работы и сведения об апробации работы.
Первый раздел посвящѐн анализу современного состояния трубопроводного транспорта Российской Федерации. Рассмотрены условия эксплуатации
трубопроводных систем. Установлены основные причины относительно высокой аварийности на магистральных трубопроводах. Показано влияние трещиноподобных дефектов на надѐжность и фактический ресурс линейных частей
магистральных трубопроводов. Выполнен обзор современных расчѐтных методик оценки надѐжности трубопроводов и определения степени опасности трещиноподобных дефектов, выявляемых по результатам внутритрубной дефектоскопии.
Отмечается, что методологические основы исследования проблем надѐжности магистральных нефте- и газопроводов были заложены в работах ведущих
специалистов отраслевых институтов (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ЗАО
«ВНИИСТ», АО «Гипротрубопровод», ГУП «ИПТЭР» РБ), академических институтов (ФГБУН ИМАШ им. А. А. Благонравова РАН, ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины), кафедр высших учебных заведений (ФГБОУ ВПО РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, ФГБОУ ВПО
УГНТУ), специалистов компаний ОАО «АК «Транснефть» и ОАО «Газпром»,
Центра технической диагностики ОАО «Диаскан» и других научных и коммерческих организаций.
Методы и средства обеспечения надѐжности и безопасности магистральных нефте- и газопроводов, а также современные методы диагностирования и
оценки фактического технического состояния разработаны И. Г. Абдуллиным,
Х. А. Азметовым, В. Л. Березиным, П. П. Бородавкиным, Л. И. Быковым,
А. Г. Гумеровым, Р. С. Зайнуллиным, О. М. Иванцовым, В. И. Кучерявым,
Ю. Г. Матвиенко, Н. А. Махутовым, Ю. И. Пашковым, М. Х. Султановым,
В. Н. Сызранцевым, Н. Х. Халлыевым, В. В. Харионовским, К. В. Черняевым,
К. М. Ямалеевым, Э. М. Ясиным и другими ведущими учѐными.
Среди всех публикаций и нормативных документов, посвящѐнных надѐжности трубопроводного транспорта, здесь выделены работы, различающиеся по подходу и самому толкованию термина «надѐжность». Существенная
часть работ основывается на изучении свойств материалов трубопровода, механики распространения трещин, коррозионных процессов и других явлений, определяющих отказоустойчивость элементов линейных частей трубопроводов.
Другая часть опирается на статистические данные по эксплуатации и отказам
трубопроводов. При этом предлагаются модели для расчѐта таких показателей
7
надѐжности, как вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ,
параметр потока отказов и прочие.
На основании обзора и анализа отмечено, что несмотря на значительные
успехи, достигнутые в вопросах расчѐтного исследования надѐжности трубопроводных систем с дефектами, в настоящее время отсутствуют доведѐнные до
практического применения методики расчѐта количественных показателей надѐжности трубопроводов и нормирования трещиноподобных дефектов в стенках труб по остаточному ресурсу, учитывающие случайный характер физических и геометрических параметров конструкции, а также стохастическую природу нагружения.
В порядке обобщения проведѐнного в первом разделе анализа условий
эксплуатации трубопроводного транспорта и современного состояния методов
оценки его надѐжности, а также актуальности нормирования дефектов в стенках труб, осуществлена постановка задач исследования, приведѐнных во введении.
Во втором разделе описана разработанная в диссертации технология решения задач механики разрушения. Отмечаются возможности средств неразрушающего контроля и внутритрубной дефектоскопии. Предлагается все поверхностные дефекты в трубопроводах консервативно аппроксимировать трещиной полуэллиптической формы. Удобство этого подхода заключается в том,
что он требует минимума исходных данных. Трещины такой формы являются
двухпараметрическими, так как их геометрию можно описать двумя размерами: глубиной l и полудлиной a.
Рассматривается методика конечно-элементного моделирования несквозных поверхностных трещин полуэллиптической формы в тонкостенных конструкциях, в том числе в стенках труб. Стандартные инструменты CAE-системы
ANSYS обладают рядом существенных недостатков, поэтому автором была
разработана с использованием языка APDL программа-макрос для автоматического построения модели трещины в заданном объѐме. Местоположение и ориентация трещины здесь определяются с помощью «рабочей плоскости», касательной к поверхности объѐма. Вокруг фронта трещины создаѐтся регулярная
радиальная сетка с использованием шестигранных элементов второго порядка
SOLID186 (рисунок 1).
При этом элементы, непосредственно примыкающие
к фронту трещины, имеют
клиновидную форму со смещѐнными на четверть длины
стороны промежуточными узлами, что требуется для описания сингулярностей полей напряжений и деформаций.
Разработаны также программы-макросы для вычислеРисунок 1
ния параметров механики раз8
рушения (коэффициентов интенсивности напряжения и J-интеграла) в точках
вдоль фронта дефекта. При этом расчѐт значений J-интеграла выполняется методом интегрирования по области, являющимся в настоящее время наиболее
точным.
Тестирование разработанных программ-макросов проводилось путѐм
сравнения полученных с их помощью решений, с результатами, вычисленными
с использованием различных формул, описанных в литературных источниках.
Для стальной трубы 220х10, ослабленной несквозной полуэллиптической осевой наружной трещиной с размерами: l = 5 мм, a = 10 мм, на рисунке 2 показано распределение коэффициента интенсивности напряжений (КИН) вдоль
фронта трещины при действии внутреннего давления p = 1 МПа, причѐм
сплошная линия 1 соответствует нашему решению, а кривые 2…4 и маркеры
представляют решения других авторов.
KI ,
Н
мм3/2
θ, град
Рисунок 2
Следует отметить, что применение разработанной технологии и современной суперкомпьютерной техники позволило выявить наличие краевых эффектов в виде локальных максимумов, расположенных вблизи выхода трещины
на поверхность трубы.
В третьем разделе описываются результаты вычислительного эксперимента по определению параметров механики разрушения в характерных точках
A (точка максимальной глубины дефекта) и B (точка локального максимума
вблизи выхода на поверхность) фронта поверхностных трещин в трубах широкого набора типоразмеров. Здесь рассматриваются трещины на наружной и
внутренней поверхностях трубы, ориентированные в осевом и окружном направлениях. При обобщении результатов вычислительного эксперимента получены таблицы безразмерных коэффициентов M p и M  , входящих в универсальные формулы для вычисления КИН в характерных точках трещины:
9
pRср
(1)
KI  M   l ,
l ;
h
где Rср – радиус срединной поверхности трубы; h – толщина стенки; p и  –
значения внутреннего давления и осевых напряжений.
Для аппроксимации табличных данных используется метод Невилла в сочетании с полиномами Лагранжа. Полученные при этом трѐхмерных графики
безразмерных коэффициентов для осевой и окружной наружных трещин в зависимости от относительных размеров дефекта приведены на рисунках 3 и 4
соответственно.
KI  M p
Точка A
Mp
Точка A
M
Точка B
Точка B
l h
l h
l a
l a
Рисунок 3
Рисунок 4
Четвёртый раздел посвящѐн разработке алгоритмов оценки остаточного
ресурса линейных частей магистральных трубопроводов при наличии дефектов
в стохастической постановке и компьютерной программы PipeResource.
Действующая на трубопровод случайная нагрузка N (t ) представляется в
виде суперпозиции n стандартных узкополосных процессов, имеющих спектральные плотности с одним максимумом, с использованием неканонической
формы:
n
N (t )    N (i ) (t )   (i ) sin  (i )t   (i ) cos  (i )t  ,
i 1
(i )
(2)
где  N (i ) (t ) ,  (i ) ,  (i ) ,  – математическое ожидание и независимые случайные величины неканонического разложения i -го узкополосного процесса.
Считается, что наружный диаметр D , толщина стенки h , размеры начального дефекта lo и ao , а также критическая глубина трещины lc и циклическая вязкость разрушения K fc , характеризующие стохастические границы области допустимых состояний, распределены по нормальному закону с известными математическими ожиданиями и дисперсиями.
В качестве функциональной зависимости КИН от нагрузки, параметров
трещины и геометрических размеров сечения трубы используются формулы (1).
10
Для оценки остаточного ресурса трубопровода разработаны два алгоритма, основанные на методах интерполяционных полиномов и статистических
испытаний. Они имеют различную вычислительную эффективность в зависимости от сложности спектра нагружения.
При использовании первого метода для каждой входной случайной величины выбираются числа узлов интерполяции и определяются значения узлов
типа Чебышева. По максимальным значениям нагрузки на реализациях N max в
узлах интерполяции находятся максимальные значения КИН в точках A и B
фронта дефекта в момент времени t. Например, для осевой трещины здесь используется следующая формула:
 lkl  t  lkl  t   DkD  hkh
max
(3)
K kmax
(
t
)

N
M
,
 lkl  t  ,
k N max
p
K
 ak  t  hk  hk
h
h
 a

где kx  1,2,, qx – текущий номер узла интерполяции входной случайной величины x , а q x – число узлов интерполяции этой величины.
Далее по формулам метода интерполяционных полиномов вычисляются
начальные и центральные моменты распределения случайной величины максимального КИН.
Оценка ВБР H (t ) при постепенном отказе в момент времени t производится по приближѐнной формуле модели цепи. Если вычисленное значение
окажется меньше наперѐд заданной нормативной величины H н , решение прекращается и из решения уравнения H (t )  H н находится время t н , которое будет определять остаточный ресурс повреждѐнной конструкции. В противном
случае в узлах интерполяции определяются значения размаха КИН K в характерных точках A и B фронта дефекта для каждой i -ой составляющей процесса
нагружения.
Путѐм интегрирования уравнения скорости роста трещины в узлах интерполяции независимо по каждому характерному размеру дефекта (глубине и полудлине) находятся приращения размеров трещины за малый промежуток времени t :
m
m
t
t
n
n
(i )
(i ) 
(i )
(i ) 


lkl (t )    K Ak
(
t
)

C

a
(
t
)


K
;
, (4)
(i )
(i ) 
( i ) (t )   ( i )  C


k
k
k
B kK
l

K



2

2

 i 1

 i 1

где C и m  константы уравнения Пэриса для материала.
В конце находятся значения начальных и центральных моментов распределения случайных величин приращений характерных размеров трещины и
осуществляется переход к моменту времени t  t .
Второй алгоритм в основном аналогичен рассмотренному выше. Однако
здесь сразу выбирается общее число реализаций и генерируется выборка входных случайных величин. Для вычисления начальных и центральных моментов
используются формулы метода статистических испытаний.
Разработанные алгоритмы реализованы в виде компьютерной программы
PipeResource, предназначенной для вычислительной оценки ВБР повреждѐнного участка линейной части трубопроводной системы в условиях случайного на11
гружения в стохастической постановке и исследования динамики изменения
этой оценки, а также определения остаточного ресурса конструкции.
Главное окно программы показано на рисунке 5. Здесь можно выделить
три основные зоны: область ввода данных и визуального контроля (в центральной части окна); область элементов управления (в верхней части окна) и область отображения текущего состояния расчѐта (в нижней части окна).
Рисунок 5
В процессе счѐта программа формирует текстовый файл, в который записываются значения выходных параметров на каждом шаге по времени. Кроме
того, в файлах сохраняются графические изображения функции ВБР трубопровода от времени, а также корреляционной функции и спектральной плотности
процесса нагружения.
Для оценки эффективности разработанных алгоритмов рассматрены примеры расчѐта остаточного ресурса участка трубопровода с осевой наружной
трещиной при случайных воздействиях с различными спектрами. Полученные
при этом графики изменения ВБР от времени представлены на рисунке 6, где
сплошная линия соответствует результатам по методу интерполяционных полиномов, штриховая – по методу статистических испытаний. Прямая с постоянной ординатой 0,99 показывает уровень нормативной надѐжности. Остаточный ресурс определяется как абсцисса точки пересечения графика вероятности
безотказной работы и горизонтальной линии, соответствующей уровню нормативной надѐжности.
Следует отметить, что с увеличением числа входных случайных величин
обрабатываемое количество реализаций по методу интерполяционных полиномов возрастает в геометрической прогрессии. Поэтому при использовании суперпозиции трѐх или более типовых случайных процессов нагружения эффективнее, с точки зрения затрат машинного времени, становится уже метод статистических испытаний.
В пятом разделе представлены методы построения области допустимых
12
размеров трещины по заданному остаточному ресурсу и нормирования трещиноподобных дефектов.
H (t )
t , час
Рисунок 6
Граница области допустимых размеров трещины находится как проекция
на координатную плоскость относительных размеров  l0 a0 , l0 h  линии
пересечения так называемой поверхности живучести t H  l0
a0 , l0
h

с плоскостью t H  T , как показано на рисунке 7.
Поверхность живучести
строится по дискретным значениям остаточного ресурса, полученным в результате вычислительного эксперимента с использованием
программы
PipeResource для разных значений относительных размеров
дефекта, перебираемых с некоторым шагом.
Располагая серией кривых, представляющих границы
Рисунок 7
областей допустимых начальных размеров поверхностной трещины при разных значениях остаточного ресурса T , можно проводить нормирование дефектов по степени их опасности.
Так, к незначительным дефектам следует отнести трещины при достаточно
большом остаточном ресурсе (например, превышающем 10 лет); к докритическим дефектам – трещины при среднем остаточном ресурсе (например, от 5 до
10 лет); к критическим дефектам – трещины при небольшом остаточном ресурсе (например, от 1 до 5 лет). И, наконец, в случае исчерпания ресурса повреждѐнной конструкции, либо при незначительной величине остаточного ресурса
(например, менее 1 года) дефект необходимо признать закритическим.
В качестве иллюстрации предлагаемого метода рассматривается нормирование трещиноподобных дефектов для конкретного трубопровода при различных режимах нагружения, а также оценивается влияние вариаций рабочих
параметров нагружения на границы областей допустимых размеров дефектов.
13
На рисунке 8 для трубопровода 1020х17 при действии давления в виде случайного процесса, представляющего собой суперпозицию двух узкополосных процессов, сплошными линиями показаны границы областей допустимых начальных размеров осевой наружной трещины. Штриховые кривые соответствуют
случаю понижения нагрузки на 5 %. Цифровыми метками на кривых здесь обозначены значения остаточного ресурса в годах. При этом сами области допустимых дефектов, т.е. имеющих остаточный ресурс не меньше указанного, располагаются под соответствующими кривыми.
Закритические
1
1
Критические
5
5
1
0
1
0
Докритические
Незначительные
Рисунок 8
Таким образом, после проведения внутритрубного обследования можно
выполнить нормирование выявленных дефектов по степени их опасности и разработать план дальнейших действий. Так, на участках, где обнаружены закритические трещины, требуется срочная замена труб. При обнаружении критических трещин можно либо потребовать замену труб, либо снизить уровень нагружения, либо наметить срок очередной диагностики. Для докритических дефектов можно лишь установить срок последующего внутритрубного обследования. И, наконец, незначительные дефекты не оказывают существенного
влияния на надѐжность и долговечность эксплуатации трубопровода.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В результате проведѐнного исследования решена научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное и экономическое значение для
повышения надѐжности и управления ресурсом современных нефте- и газопроводов за счѐт создания, развития и совершенствования методов расчѐта и анализа живучести трубопроводных систем на этапе их проектирования и при эксплуатации на основе моделирования процессов изменения параметров состояния силовых элементов при случайных нагрузках в стохастической постановке.
14
В ходе диссертационного исследования получены следующие основные
результаты.
1. Разработана технология высокоточного конечно-элементного моделирования несквозных поверхностных трещин в тонкостенных пространственных
конструкциях, позволяющая автоматизировать процесс решения трѐхмерной
задачи механики разрушения в среде ANSYS.
2. В результате масштабного вычислительного эксперимента с применением суперкомпьютерной техники исследованы дефекты различных размеров,
положения и ориентации в трубах широкой номенклатуры. Их анализ дал возможность с высокой точностью (погрешность менее 2 %) рассчитать безразмерные коэффициенты, входящие в универсальные формулы для вычисления
коэффициентов интенсивности напряжений в точках фронта трещины в трубе.
3. Разработаны детальные алгоритмы количественной оценки показателей надѐжности трубопровода при наличии развивающейся поверхностной
трещины с учѐтом случайного процесса нагружения сложной конфигурации на
базе методов интерполяционных полиномов и статистических испытаний. По
алгоритмам создана прикладная программа PipeResource, предназначенная для
автоматизии трудоѐмкого вычислительного процесса оценки остаточного ресурса повреждѐнной конструкции.
4. На основе параметрических расчѐтов остаточного ресурса впервые
разработан подход к определению границ областей допустимых размеров трещиноподобных дефектов в стенке трубопровода с учѐтом стохастической природы нагружения. На базе предложенного подхода создан метод нормирования
размеров поверхностных трещин в зависимости от величины остаточного ресурса, позволяющий оценивать степень опасности обнаруживаемых дефектов.
5. Сформулированы практические рекомендации по нормированию несквозных трещиноподобных дефектов по степени их опасности, основанные на
количественной оценке величины остаточного ресурса повреждѐнного участка
трубопровода. В зависимости от категории, к которой относится обнаруживаемый дефект, требуется срочная замена участка трубы, снижение режима перекачки продукта или назначение срока очередной диагностики. Показана возможность снижения уровня нагружения в целях увеличения границ допустимых начальных размеров дефектов. Такой подход позволяет существенно (по
экспертной оценке) снизить затраты, связанные с обслуживанием и ремонтом
трубопроводных систем.
Представленные в работе методики, процедуры, алгоритмы и рекомендации использованы в практике проектирования магистральных трубопроводов и
трубопроводных систем в ОАО «Оргтехнефтестрой».
Предложенный метод нормирования трещиноподобных дефектов в трубопроводных системах может использоваться при доработке нормативной документации по внутритрубному инспектированию и оценке опасности дефектов для эксплуатируемых продуктопроводов с учѐтом современных требований
по обеспечению безопасности и снижению риска катастрофических разрушений.
Таким образом, поставленная цель диссертации достигнута.
15
В дальнейших исследованиях предполагается развивать разработанные в
диссертации методы количественной оценки надѐжности трубопроводных систем и нормирования применительно к другим видам дефектов, например, коррозионных и стресс-коррозионных.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
из перечня ведущих научных рецензируемых журналов и изданий:
1. Глушков, С. В. Вероятностная оценка остаточного ресурса трубопровода при наличии дефекта типа трещины / С. В. Глушков // Вестник СамГТУ.
Технические науки. – 2014. – № 2 (42). – С. 100–108.
2. Глушков, С. В. Вычисление параметров механики разрушения для
цилиндрических панелей с несквозными трещинами / С. В. Глушков, Ю. В.
Скворцов // Известия вузов. Авиационная техника. – 2014. – № 3. – С. 20–22.
3. Глушков, С. В. Сравнение результатов решения задачи механики разрушения для трубы с несквозной трещиной / С. В. Глушков, Ю. В. Скворцов,
С. Н. Перов // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2014. – № 3. – С. 36–49.
4. Глушков, С. В. Нормирование трещиноподобных дефектов в стенках
трубопроводов / С. В. Глушков, С. Н. Перов, Ю. В. Скворцов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2012. – Т. 78, № 3. – С. 54–56.
5. Глушков, С. В. Моделирование несквозных поверхностных трещин в
тонкостенных конструкциях / С. В. Глушков, Ю. В. Скворцов // Вестник
СГАУ. – 2011. – № 3–4 (27). – С. 187–191.
6. Глушков, С. В. Оценка показателей прочности и надѐжности подземной трубопроводной системы / С. В. Глушков, К. А. Цапурин, Ю. В. Скворцов // Известия СНЦ РАН. – 2011. – Т. 13, № 4–4. – С. 1168–1171.
7. Глушков, С. В. Оценка живучести трубопровода при наличии несквозной поверхностной трещины / С. В. Глушков, Ю. В. Скворцов, С. Н. Перов // В мире научных открытий. – 2011. – № 8. – С. 230–241.
в других изданиях:
8. Глушков, С. В. Многоуровневый подход к оценке прочности подземной трубопроводной системы / С. В. Глушков, К. А. Цапурин // Техника и технология: новые перспективы развития: материалы IV Международной научнопрактической конференции (09.12.2011). – М. : Издательство "Спутник+",
2011. – С. 101–104.
9. Глушков, С. В. Оценка надѐжности трубопроводов, прокладываемых
в промерзающих пучинистых грунтах / С. В. Глушков, К. А. Цапурин, Ю. В.
Скворцов // Технические науки: теория и практика: материалы междунар. заоч.
науч. конф. (г. Чита, апрель 2012 г.). – Чита : Издательство Молодой учѐный,
2012. – С. 98–105.
16
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
13
Размер файла
629 Кб
Теги
методов, надежности, оценки, разработка, поверхностные, нормирование, газопроводов, размеров, нефти, трещин
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа