Моделирование напряженно-деформируемого состояния в магистральных нефтепроводах
Конференция: XLI Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Механика деформируемого твердого тела
![](https://nauchforum.ru/themes/mix_and_match/images/logo.jpg)
XLI Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Моделирование напряженно-деформируемого состояния в магистральных нефтепроводах
Аннотация. Целью работы является повышение надежности и безопасности трубопроводного транспорта в нефтегазовой отрасли. Для нефтепровода был произведён расчет по стандартам. Также при помощи программного комплекса SolidWorcks была рассчитана модель нефтепровода на основе метода конечных элементов.
Ключевые слова: нефтепровод, давление, эксплуатация, напряженно - деформируемое состояние, прочность.
При эксплуатации магистральных нефтепроводов, проложенных в особых климатических условиях (горная местность, неустойчивые грунты), на нее действуют различные нагрузки, в результате чего происходит движение труб.
Повышение надежности и безопасности трубопроводного транспорта является актуальной задачей в нефтегазовой отрасли. Трубопроводы, проложенные в сложных геотехнических условиях, испытывают такие нагрузки, как вес трубопровода с продуктом, вес грунта на трубопроводе, реакция грунта на деформацию трубопровода, внутренние рабочие давления и температурные напряжения, а также нагрузки, связанные с изменением физико-механических характеристик грунта. Чтобы избежать отказов и аварий трубопроводов, необходимо установить влияние конструктивных особенностей, изменения условий эксплуатации и параметров на прочность и устойчивость трубопровода.
Для оценки прочности и дальнейшей оценки остаточного ресурса трубопроводных систем необходимо знать развивающийся уровень эксплуатационных напряжений и деформаций в нефтепроводе. Информация о НДС является ключевой для анализа прочности и долговечности конструктивных элементов, в том числе трубопроводных транспортных систем. Исходя из этого, следует, что для правильной оценки работоспособности любой системы в первую очередь важна точность информации о напряженно-деформированном состоянии системы.
Проверка на прочность и деформацию нефтепровода
Общие данные:
Рабочее давление: Р = 7,4 МПа;
Труба прямошовная DН = 530 мм, марка стали 09ГСФ;
Номинальная толщина стенки δн: 10 мм;
σвр = 510 МПа, σт = 353 МПа;
Модуль упругости стали: Е = 206 000 МПа;
Плотность стали Рст = 7700 кг/м3;
Продукт перекачки: нефть;
Коэффициент линейного расширения стали: 0,000012 град-1
Коэффициент поперечной деформации в стадии упругой работы металла (коэффициент Пуассона): μ = 0,3
Подземный участок трубопровода:
Определяем расчетную толщину стенки трубопровода по формуле:
(1)
где n=1,10 - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему
давлению в трубопроводе ;
Р = 7,4 МПа -рабочее давление в трубопроводе;
DH=720 см — наружный диаметр трубы;
R1 —расчетное сопротивление растяжению, определяется по формуле:
(2)
где m0= 0,825 - коэффициент условий работы трубопровода;
к1 =1,47 - коэффициент надежности по материалу;
кн =1 - коэффициент надежности по назначению трубопровода, применяется в зависимости от категории трубопровода;
R1H =510МПа- нормативное сопротивление растяжению металла труб и сварных соединений, принимается равным минимальному значению временного сопротивления овр, МПа;
Внутренний диаметр нефтепровода определяется по формуле:
(3)
Абсолютные значения максимального положительного и максимального отрицательного температурных перепадов определяются по формулам:
(4)
(5)
Величина продольных осевых сжимающих напряжений находится по формуле:
(6)
Находим коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла.
(7)
Пересчитываем толщину стенки с учетом коэффициента двухосного напряженного состояния:
(8)
Принимаем толщину стенки до д — 10мм.
Таким образом, ранее принятая толщина стенки равная δ= 10 мм может быть принята как окончательный результат.
(9)
где –коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб определяется по формуле:
(10)
Кольцевые напряжения от рабочего давления определяются по формуле
(11)
Кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления определяются по формуле:
(12)
Рассчитаем коэффициент
Вычисляем условие:
Условие прочности выполняется.
Анализ полученных результатов с помощью программного комплекса SolidWorcks.
В данном эксперименте сравним расчетные величины, сделанные стандартным методом расчета c расчетами, сделанными по методу конечных элементов в SolidWorcks.
Рисунок 1.Общий вид расчетной области
Размерность конечно-элементной сетки в обоих вариантах расчетных схем составила 9399 элементов и 19034 узлов. Конечно-элементная сетка представлена на рис.2.
Рисунок 2. Конечно-элементная сетка
Для определения соответствия модели проведенным расчетам приложим на нее нагрузку. Для этого на созданную модель трубопровода приложим нагрузку равную 7,4 Мпа и произведем расчет. Результаты расчета представлены на рис.3.
Рисунок 3. Расчет напряжения исследуемой области
Максимальные напряжения под действием приложенных сил по методу конечных элементов =190,171.
Рассчитанные напряжение =190,92.
Погрешность расчета:
Таким образом, модель рассчитанная при помощи метода конечных элементов в SolidWorcks соответствует общепринятой модели, рассчитанной классическим образом.
Проведения расчетов НДС трубопроводов классическим способом и сравнения результатов расчетов с результатами определения НДС методом конечных элементов позволяет повысить точность расчетов.
Предложенный метод оценки прочностных свойств магистральных нефтепроводов может использоваться для трубопроводов различных марок сталей при проверки прочности и устойчивости.
![](/sites/default/files/publ_rinc.png)