На правах рукописи

Воронин Константин Сергеевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА

МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ

ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень – 2013 Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет».

Научный руководитель: Земенков Юрий Дмитриевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Антипьев Владимир Наумович доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ООО «Энергия-2», директор Сильницкий Павел Фёдорович кандидат технических наук, ОАО «Сибнефтепровод», инженер технического отдела

Ведущая организация: ООО «Газпром трансгаз Сургут», г. Сургут

Защита состоится 25 декабря 2013г. в 1130 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, Зал им. А. Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте 72.

Автореферат разослан 23 ноября 2013 г.

И. о. учёного секретаря диссертационного совета Торопов Сергей Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В Федеральном законе «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07. №116-ФЗ (ред. от 04.03.2013), «Концепции федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры Российской Федерации и опасных грузов» одобренной распоряжением Правительства РФ от 27.08.2005 №1314-р, постановлении губернатора Тюменской области «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до года» №555 от 07.07.2011 обозначена необходимость совершенствования организации работ в области своевременного выявления и предупреждения угроз техногенного и природного характера, в том числе на объектах газовой промышленности, которая играет важную роль в экономике России. Надежная эксплуатация линейной части подземных газопроводов является важной задачей государственной политики. Обеспечение надежности трубопроводов основывается на оценке запаса прочности, для определения которого проводится анализ усталостного разрушения трубопровода. Важной составляющей данного анализа является учет образования трещин, аналитическое описание которого затруднено в связи с конструктивной сложностью объекта и многостадийностью самого процесса. В связи с этим, задача определения надежности элемента трубопровода решается, чаще всего, на феноменологическом уровне путем введения параметра качества элемента и требованием пребывания этого параметра в заданной области допустимых значений.

Снижение прочности и нарушение устойчивости газопровода приводят к авариям. Прогнозирование наступления аварии основывается на анализе предшествующих событий, связанных с изменением нагрузок и воздействий. В условиях стохастической природы действующих нагрузок и их цикличности, параметры качества не остаются постоянными и оказываются зависимыми от напряженно-деформированного состояния. Среди причин, влияющих на изменение такого состояния трубопровода, можно выделить следующие:

- наличие дефектов и их иерархически соподчиненная кинетика, вплоть до образования и прорастания трещин;

- искажение геометрической формы линейной части трубопровода;

- переменная нагрузка, вызывающая стохастическое воздействие и, как следствие, значительные напряжения.

Таким образом, обеспечение надежности эксплуатации газопроводов связано с влиянием указанных факторов на процессы дефектообразования в стенках труб и нарушения их геометрической формы.

Цель работы. Разработка методов прогнозирования отклонения магистрального газопровода от проектного положения и разрушения линейной части вследствие прорастания коротких трещин под действием напряжений, вызванных переменной нагрузкой.

магистрального газопровода.

Предмет исследования – влияние динамической нагрузки на процесс развития повреждений на магистральном газопроводе.

Основные задачи исследования:

высокочастотным изменением давления на процесс прорастания коротких трещин, приводящий к разрушению линейной части газопровода.

Разработка математической модели процесса старения трубной стали с учетом влияния колебаний давления в газопроводе.

магистрального газопровода и повышения внутренних сжимающих напряжений под воздействием динамической нагрузки.

предшествующей его изгибу и нарушению проектного положения линейной части трубопровода.

Научная новизна работы:

газопровода, вызывающих прорастание мелких трещин и разрушение линейной части, от колебаний внутреннего давления и режима эксплуатации трубопровода.

Разработана математическая модель процесса старения трубной стали, позволяющая оценить концентрацию карбидной фазы на границах ферритных зерен с учетом влияния колебаний давления.

Разработана математическая модель, описывающая зависимость удлинения магистрального газопровода от динамических изменений внутреннего давления.

Установлена зависимость частоты колебаний стенки газопровода от внутреннего давления на стадии, предшествующей его изгибу вследствие потери устойчивости проектного положения.

Теоретическая и практическая значимость работы Разработанные математические модели описывают время старения трубной стали и внутренние напряжения в стенке газопровода и позволяют осуществлять прогнозирование процесса развития дефектов и разрушение линейной части трубопровода с учетом динамических нагрузок.

Установленные зависимости продольных сжимающих напряжений в газопроводе от динамических изменений внутреннего давления, а также частоты колебаний стенки газопровода на стадии, предшествующей его изгибу, дают возможность прогнозировать отклонение трубопроводов от проектного положения.

Разработанные методы прогнозирования отклонения трубопровода от проектного положения и разрушения линейной части позволяют организациям, эксплуатирующим магистральные газопроводы, своевременно принимать меры по предотвращению возможных аварийных ситуаций.

Методология и методы исследования. В диссертации использованы классические положения теории упругости, механики разрушения, строительной механики и методы математического и регрессионного анализа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод прогнозирования прорастания коротких трещин и разрушения линейной части магистрального газопровода на основе зависимости внутренних напряжений в стенке трубы, от колебаний внутреннего давления.

2. Математическая модель процесса старения трубной стали с учетом влияния высокочастотного изменения давления.

Математическая модель процесса удлинения магистрального газопровода и повышения внутренних сжимающих напряжений под воздействием динамических процессов (перепадов давления).

4. Метод прогнозирования отклонения магистрального газопровода от проектного положения на основе зависимости изменения частоты колебаний стенки трубы на стадии, предшествующей изгибу, от сжимающей нагрузки.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается удовлетворительной корреляцией результатов расчетов с использованием предложенных в работе математических моделей с результатами экспериментов, приведенных в работах других авторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- Всероссийской научно-технической конференция «Нефть и Газ Западной Сибири». Тюмень 2009 г.

- Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии нефтегазовому региону». Тюмень 2010 г.

Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта. Тюмень 2010 г.

- Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии нефтегазовому региону». Тюмень 2011 г.

- Десятой международной конференции по мерзлотоведению. Салехард 2012 г.

Публикации. Основное содержание работы

изложено в 11 работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений, включает 5 таблиц, 23 рисунка.

Библиографический список включает 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И ВЫВОДЫ

сформулирована цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен обзор работ, посвященных изучению опыта эксплуатации магистральных трубопроводов и методам оценки прочностной надежности. Проведен анализ механизмов, обусловливающих процесс разрушения трубопроводов, образования и кинетики дефектов в стенке трубы и её деформации. Недостаточная изученность механизмов накопления повреждений на стадии распространения трещин препятствует точной оценке остаточного ресурса эксплуатации трубопроводов. Также в публикациях недостаточно отражена связь локальных критериев разрушения с параметрами напряженно-деформированного состояния стенки трубы, вызванных динамическими процессами при транспортировке газа.

трубопроводах занимались Н.Е. Жуковский, С.П. Тимошенко, И.А. Чарный, Е.И. Дербуков, А.М. Шарыгин, С.А. Пульников и др. Вопросы, связанные с определением продольных перемещений и аркообразованием рассматривались В.В. Хариновского, А.П. Горковенко, Н.В. Николаева, Е.С. Михаленко, В.В. Вагнера, Д.М. Яшного и др.

На основе анализа указанных исследований сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведен анализ законов распределения аварийных ситуаций на магистральном газопроводе. Надежность Нi(t) элементов трубопровода определяется как вероятность пребывания параметра качества элемента в заданной области допустимых значений. На примере газопроводов севера Тюменской области рассмотрено распределение аварийных и катастрофических ситуаций за период с 2002 по 2009 годы (рис. 1).

Кривая U(t) демонстрирует степенную зависимость где t – время, – коэффициент, полученный методом аппроксимации экспериментальных результатов.

Степенное распределение, представленное на рис. 1, существенно отличается от нормального распределения (рис. 2а, 2б).

Рис.2. Типичный вид плотности вероятности величин распределения случайных событий наблюдается в системах, обладающих обратной связью. Это значит, что возмущение может передаваться во все точки участка газопровода. В качестве такого возмущения в работе рассматриваются скачки давления при неустойчивом течении газа в трубе.

Таким образом, переход системы в неработоспособное состояние должен рассматриваться, как физический процесс, обусловленный механизмами деградации с учетом причин, вызывающих отклонение от гауссовского распределения случайных событий.

В работе рассмотрен процесс разрушения линейной части трубопровода за счет прорастания мелких трещин при изменении давления. В модели тонкой оболочки (рис. 3) рассматривались колебания цилиндрической поверхности, где u - изменение положения точки на поверхности вдоль оболочки;

v - изменение положения точки на поверхности вдоль касательной к окружности ;

w - изменение положения точки на поверхности по радиусу.

Рис.3. Модель тонкой цилиндрической оболочки, используемой для описания колебательных процессов в стенке газопровода.

вынужденные колебания цилиндрической оболочки под действием давления P(t), в случае пренебрежения силами инерции вдоль оболочки и по касательной где, x - расстояние от края цилиндра, r - радиус цилиндра, - угол между осевой плоскостью и данной точкой,, h - толщина оболочки,, E - модуль упругости, - коэффициент Пуассона, - масса оболочки на единицу площади, t - время.

Решение системы уравнений вынужденных колебаний, полученное автором диссертационной работы, позволяет определить амплитуды колебаний, зависящие от давления газа в трубе. В работе предложено параметрическое выражение функции плотности распределения давления. Такая зависимость характерна для случаев, в которых между скачками давления наблюдается корреляционная зависимость:

где, – коэффициенты, полученные методом аппроксимации экспериментальных результатов.

Амплитуду колебаний можно выразить из формулы (3) как функцию давления:

Из формулы (4) следует, что вне области резонанса динамической определенное по формуле Мизеса, – давление сжатия цилиндрической оболочки), при котором возможно возрастание амплитуды колебаний как степенной функции.

В публикациях указано, что зарождение коротких трещин происходит в процессе низкочастотного воздействия при больших перепадах давления. При этом (где – статическое напряжение, – высокочастотное динамическое напряжение). В рассматриваемом случае, возрастает в зависимости от давления как степенная функция. Следовательно, оказывается возможной ситуация, при которой. В этом случае высокочастотная нагрузка вызовет прорастание коротких трещин. В работе проведен расчет минимального размера трещины, с которого начнется лавинный режим ее нарастания.

Таким образом, установленная зависимость напряжений в стенке трубы, от колебаний внутреннего давления дает возможность прогнозировать прорастание коротких трещин и разрушения линейной части магистрального газопровода.

В третьей главе рассмотрен процесс старения стали, который проявляется в выбросе атомов углерода на границы ферритных зерен.

Приведенные в литературе оценки времени старения трубной стали (модель Аврами), основанные на механизме диффузии атомов углерода и примесей, не учитывающие влияние динамической нагрузки, дают результаты, значительно отличающиеся от экспериментальных данных, приведенных в публикациях (В.Н. Чувильдеев, Н.Н. Вирясова).

В диссертационной работе предложен механизм выноса примесей углерода с учетом движения дислокаций. В условиях ангармонизма колебаний снижается энергетический барьер, препятствующий движению дислокаций.

Примеси, захваченные дислокацией, выносятся быстрее, чем при диффузии.

Результаты, полученные с использованием разработанной математической модели, согласуются с приведенными экспериментальными данными.

Таким образом, расчет с использованием предложенного механизма выноса примесей углерода дает возможность определять концентрацию карбидной фазы на границах ферритных зерен и поводить оценку состояния трубной стали с точки зрения процесса старения.

В четвертой главе проанализированы динамические процессы, возникающие в результате колебаний давления при транспортировке газа, вызывающие продольные перемещения прямолинейного участка трубопровода.

Удлинение чаще всего связывается с сезонным перепадом температур и появлением в грунте засыпки продольных сил по контакту труба-грунт, вызванных ползучестью грунта. Исследование вибрации трубопровода в работе В.В. Вагнера показало, что при этом происходит снижение касательных напряжений с грунтом на величину до 25%, также в литературе отмечается зависимость продольного удлинения от перепада давления. Следовательно, математическая модель, описывающая процесс удлинения газопровода, должна учитывать динамические процессы.

Динамические процессы в газопроводе вызывают упругие колебания, которые изменяют диаметр, вызывают местный изгиб стенки трубы, в результате возникает продольное напряжение, которое определяется из теории упругости:

, x– меняющийся радиус оболочки,r – радиус, - угол, h – толщина оболочки, E– модуль упругости, – коэффициент Пуассона, – масса оболочки на единицу площади,, l – длина оболочки, m – число полуволн в направлении образующей оболочки, n – число волн по окружности, mn – частота собственных колебаний.

Продольное перемещение трубы U(x), с учетом сопротивления грунта, описывается уравнениями, приведенными в работах П.П. Бородавкина, А.И. Горковенко:

где F – сила внутренних напряжений, сдавливающих трубу, kп – коэффициент постели грунта при сдвиге, E – модуль упругости материала стенки трубы, S – площадь поперечного сечения трубы.

Автором диссертационной работы получена математическая модель, описывающая продольные перемещения газопровода, с учетом распределения U(0) = U(l) = 0:

В третьей главе работы было обосновано, что вследствие развития динамических процессов в системе возможно возникновение сжимающих усилий, приводящих к потере устойчивости трубопровода. В точке бифуркации (потери устойчивости горизонтального положения) незначительное воздействие (например, выталкивающая сила в обводненном грунте) способно изменить геометрию линейной части трубопровода. Существуют параметры, которые позволяют прогнозировать приближение системы к точке бифуркации.

Такими параметрами являются колебания (i), затухание частоты которых является показателем приближения трубопровода к появлению изгиба. Расчет действующих колебаний можно провести по разработанному уравнению (8):

где i – мода, по которой развивается неустойчивость, K – жесткость основания.

При приближении частоты колебаний к нулю возрастает возможность возникновения изгиба.

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет прогнозировать наступление потери устойчивости проектного положения газопровода с учетом динамических нагрузок.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан метод прогнозирования процесса прорастания коротких трещин и разрушения линейной части магистрального газопровода на основе зависимости внутренних напряжений в стенке трубы от колебаний давления.

2. Разработана математическая модель процесса старения трубной стали, позволяющая определять концентрацию карбидной фазы на границах ферритных зерен и поводить оценку состояния стали с точки зрения процесса старения.

3. Разработана математическая модель, описывающая процесс удлинения линейной части магистрального газопровода с учетом влияния динамических процессов в системе труба-грунт.

4. Разработан метод прогнозирования потери устойчивости проектного положения газопровода на основе анализа частоты колебаний стенки трубы с учетом влияния динамических нагрузок.

5. Результаты выполненных исследований позволяют эксплуатирующим организациям проводить оценку степени старения трубной стали, возможности аркообразования и разрушения линейной части газопровода вследствие прорастания коротких трещин и своевременно принимать меры по предотвращению возможных аварий.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Воронин К.С. Динамический механизм разрушения линейной части трубопровода при высокочастотном изменении давления. /Воронин К.С., Земенков Ю.Д. //Естественные и технические науки, №5. М.: 2011г. Изд.:

Спутник+, с. 208-2011.

2. Воронин К.С. Изгиб трубопровода, как результат неустойчивости, вызванной колебаниями давления газа в процессе его транспортировки.

/Воронин К.С., Земенков Ю.Д. //Естественные и технические науки, №6. М.:

2011г. Изд.: Спутник+, с. 298-301.

3. Воронин К.С. Анализ законов распределения аварийных ситуаций на магистральном газопроводе. /Воронин К.С., Земенков Ю.Д. //Нефть и газ №2, 2012г. Тюмень. Изд.: ТюмГНГУ, с. 74-77.

4. Воронин К.С. Динамические предвестники нарушения геометрической формы газопровода. /Воронин К.С., Земенков Ю.Д. //Нефть и газ №3, 2012г.

Тюмень. Изд.: ТюмГНГУ, с. 70-72.

процессов в системах транспорта и хранения нефти и газа. /Воронин К.С., конференция «Нефть и Газ Западной Сибири». Сборник статей. Тюмень 2009г.

Изд.: ТюмГНГУ, с. 68-70.

6. Воронин К.С. Актуальность прогнозирования аварийных разливов нефти вследствие разрыва магистрального нефтепровода. /Воронин К.С., Челомбитко С.И. //Всероссийская научно-техническая конференция «Нефть и Газ Западной Сибири». Сборник статей. Тюмень 2009г. Изд.: ТюмГНГУ, с. 189Воронин К.С. Имитационное моделирование гидравлических процессов в системах транспорта и хранения углеводородного сырья. /Воронин К.С., Земенкова М.Ю., Тырылгин И.В. //Материалы Всероссийской научнотехнической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону».

Тюмень 2010г. Изд.: ТюмГНГУ, с. 71-73.

8. Воронин К.С. Распределение аварий на магистральном газопроводе по степенному закону. /Воронин К.С., Джан Бо //Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии нефтегазовому 9. Воронин К.С. Прогнозирование нарушения геометрической формы газопровода. /Воронин К.С., Дудин С.М. // Материалы Всероссийской научнопрактической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта». Тюмень 2012г. Изд.: ТюмГНГУ, с. 113-116.

10. Воронин К.С. Влияние колебаний давления в газопроводе на его //Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта». Тюмень 2012г. Изд.: ТюмГНГУ, с. 117-119.

11. Voronin K.S. Increase of realiability of intra trade piplines of oil fields with application of anticorrosive protection /Voronin K.S., Tyrylgin I.V., Zemenkova M.Y. //Proceeding of First International Youth conference “Oil and Gas. APR-2012.

Resources, Technologies, cooperation”, 2012, Vladivostok, FEFU, Russia, p. 208-212.

Подписано в печать 22.11.2013 Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 1, федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет».

Типография библиотечно-издательского комплекса.