автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Методы расчета подводных переходов магистральных газопроводов в непроектном положении

П и

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИИ (ВНИИГАЗ)

в ОД

и На правах рукописи

САЛИКОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 622.691.4.074.3

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В НЕПРОЕКТНОМ ПОЛОЖЕНИИ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов , баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

ВСЕРОССИИСКИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (ВНИИГАЗ)

На правах рукописи

САЛИКОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 622.691.4.074.3

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В НЕПРОЕКТНОМ ПОЛОЖЕНИИ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов , баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ)

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

д.т.н. Харионовский В.В.

д. т.н., профессор Козобков А.А., к.т.н. Нефедов C.B.

АО "Гипроречтранс"

Защита состоится

2Û

1995 г.

в 13 ч. 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 070.01.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ) по адресу: 142717, Московская область , Ленинский район , п.Развилка , ВНИИГАЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГАЗа. Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к. т.н.

Б. М.Смерека

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в стране эксплуатируется более 3000 км. подводных переходов газопроводов через водные преграды. Многие из них находятся в эксплуатации 25-30 лет. Значительное число переходов имеет незаглубленные и провисшие участки.

Гидродинамическое воздействие со стороны водного потока реки является одной из основных нагрузок, приводящей к отказу подводного перехода. Гидродинамическая нагрузка, при определенных обстоятельствах, приводит к накоплению усталостных повреждений и появлению опасных с точки зрения прочности изгибных напряжений.

Следует отметить, что нормативными документами не предусмотрены расчеты на прочность и на усталость подводных переходов имеющих- провисшие участки. В случае разрушения трубопровода восстановление работоспособности подводного перехода сопоставимо по стоимости со строительством нового перехода. Экологический ущерб от аварий на подводных переходах является значительным.

Для оценки напряженно - деформированного состояния трубопровода и назначения времени проведения ремонтно - профилактических работ требуется разработка методик прочностного и усталостного расчета подводных переходов в непроектном положении. Таким образом, представляется, что решение поставленной выше проблемы является актуальной отраслевой задачей, имеющей большое практическое значение.

Целью диссертационной работы является исследование напряженно - деформированного состояния подводного перехода в непроектном положении, усталостного разрушения материала трубы при стохастическом представлении гидродинамического воздействия и вычисление показателей надежности. При этом решаются следующие задачи:

1) вырь-в трубы из траншеи под действием статического напора водного потока;

2) превышение критических напряжений в металле трубы вследствии продольно - поперечного изгиба.

3) усталостное разрушение из-за колебаний трубопровода в водном потоке.

4) выброс динамических напряжений за определенный уровень. Решение этих задач предусматривает разработку математической модели локального участка подводного трубопровода со свободным пролетом, описание взаимодействия трубопровода с грунтом, создание модели гидродинамического воздействия, а также анализ процесса накопления усталостных повреждений. Наиболее полно реальную природу нагруженности трубопровода в водном потоке описывает стохастическая модель гидродинамического воздействия, что приводит к необходимости решения задач статистической динамики и применения методов теории надежности механических систем.

Научная новизна работы заключается в постановке задач, разработке методик, алгоритмов и математического обеспечения прочностного расчета локального участка подводного перехода в непроектном положении, вычислении параметров надежности, оценке его долговечности. При этом

1) построена конечно - элементная модель заглубленного участка газопровода, описывающая взаимодействия трубопровода с грунтом, и учитывающая зависимость матриц жесткости и инерции от частоты колебаний трубопровода;

2) разработана и численно реализована на IBM PC методика динамического расчета открытого участка.подводного перехода.

31 на основе выбранной стохастической модели гидродинамического воздействия и параметров сопротивления усталости дана оценка долговечности локального участка подводного перехода. 4) вычислены йаракетры надежности по теории выбросов с применением методов теории надежности механических систем.

Достоверность полученных результатов определяется рамками используемых теорий и обеспечивается корректным применением

адекватного математического аппарата, теоретической оценкой погрешности исходных гипотез, сопоставлением результатов решений, основанных на использовании автором независмых подходов, а также сопоставлением с результатами расчета других авторов и экспериментальными данными.

Практическая ценность работы заключается в разработке методик расчета, позволяющих проводить анализ напряженно - деформированного состояния размытого участка подводного перехода и его долговечности. Созданные методики расчета позволяют научно - обоснованно планировать график ремонтно - профилактических работ подводного перехода. В работе проведен анализ методов инспекции состояния подводного трубопровода и инженерных решений по повышению надежности подводного перехода.

Реализация результатов осуществлялась в рамках производственных договоров лаборатории надежности газопроводных конструкций ВНИИГАЗ. Выпущены и утверждены в РАО "Газпром" "Рекомендации по оценке работоспособности подводных переходов газопроводов при наличии размывов дна".

Апробация работы и публикации Основные положения диссертации и полученные результаты докладывались и обсуждались на научном семинаре научно - технического центра "Ресурс газопроводов" ВНИИГАЗ. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи и разработана утвехденная в РАО "Газпром" методика.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, списка литературы, включающего наименований. Работа содержит страниц, включая рисунков и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования и необходимость создания методов расчета подводных переходов газопроводов в непроектном положении.

Первая глава посвящена краткому анализу состояния подводных переходов в России, анализу методов расчета подводных трубопроводов, имеющих открытые участки за рубежом и в России, а также определены цели и задачи исследования. Дан анализ ранее выполненных работ по тематике, близкой к исследуемой проблеме.

Вопросами определения напряженно - деформированного состояния (Н.Д.С.) подводных трубопроводов у нас в стране занимались Бородавкин П.П., Шадрин P.P., Светлицкий P.P. За рубежом, в связи с получившими большое распростронение подводными трубопроводами, достаточно остро стоит проблема исследования надежности и Н.Д. С. морских трубопроводов. Она отражена в работах следующих исследователей: Hansen Е., Fredsoe J., Sumer В., Bru-schi R. и многих других.

Освещается проблема аварийности подводных переходов газопроводов начиная с 1959 г. Показано на основе анализа статис-ческих данных, что подводные переходы являются одним из наиболее аварийных участков магистральных газопроводов. Значительный процент подводных переходов эксплуатируется несколько десятков лет, что приводит к естественному старению трубопроводов и сни-нию их надежности.

Приводится обобщенная постановка задачи исследования, заключающаяся в определении Н.Д.С. и определения долговечности подводного перехода имеющего размытый участок. В общем виде задача формулируется следующим образом: на открытый участок подводного перехода действует гидродинамическая нагрузка, которая при определенных соотношениях между скоростью водного потока, параметрами трубопровода и грунта приводит к реализации одной из нижеперечисленных аварийных ситуаций:

- вырыв трубы из траншеи под действием статического напора водного потока;

- превышение допустимых напряжений в металле трубы вслед-ствии продольно - поперечного изгиба;

- превышение допустимых напряжений в металле трубы динамическими напряжениями, возникающими Бследствии колебаний трубопровода;

- усталостное разрушение материала трубопровода из - за колебаний в водном потоке.

Показано, что для решения этих задач необходимо разработать математическую модель размытого участка подводного перехода , описать взаимодействие трубопровода с грунтом, создать модель гидродинамического воздействия , а также проанализировать процесс накопления усталостных повреждений. Наиболее полно реальную природу нагруженности трубопровода в водном потоке описывает стохастическая модель гидродинамического воздействия, что приводит к необходимости решения задач статистической динамики и применения методов надежности механических систем.

Во второй главе поставлены и ревены задачи определения устойчивого положения трубы в траншее и прочностного расчета от статической составляющей гидродинамического воздействия.

В начале главы подробно рассматривается физическая сущность процесса обтекания трубопровода потоком жидкости. Из статических нагрузок действуюих на трубопровод учтены следующие: вес трубопровода, выталкивающая (архимедова) сила, оптимальное значение подъемной силы, возникновение которой вызвано близостью дна, статическая составляющая гидродинамического воздействия.

Показано, что в качестве расчетной схемы целесообразно выбрать стержневую модель трубопровода, так как при незначительной длине промоины Н.Д.С. трубопровода мало отличается от проектного. Условие устойчивого положения трубы в траншее записывается в виде:

и(0> < V» . (1)

где и(0) - прогиб трубопровода на границе открытого и заглубленного участков, - предельное перемещение грунта до разрушения. В работе показано, как можно решить, привлекая теорию продольно - поперечного изгиба, задачу неразрушения подводной траншеи, где находится трубопровод.

Переход в предельное состояние подводного перехода может связан с возникновением больших изгибных напряжений. В работе приводится аналитическое вычисление изгибающих моментов в зоне открытого участка и прилегающей к нему части заглубленного участка. В постановке задачи учтена статическая нагрузка ч, которая является геометрической суммой статических и амплитудных значений гидродинамических нагрузок. Вычислены безразмерные изгибающие моменты в характерных сечениях трубопровода (в середине пролета и на границе открытого и заглубленного участков).

Эффективным методом исследования перемещений , Н.Д.С. трубопровода в траншее является метод конечных элементов. В работе описывается сущность метода конечных элементов. На открытом участке перемещения трубопровода описывает стандартный балочный элемент работающий на изгиб, на заглубленном участке используется полубесконечный элемент, где в качестве функций форм выбраны решения типа краевого эффекта балки на упругом основании:

Ь*<х) = (е"кх(соБкх * Б1пкх),— е~кхБ1пкх), (2)

к

где к=(с/Е1)1/Ч, с - упругость основания , Е1 - изгибная жесткость трубопровода.

При динамическом нагружении при колебаниях с высокими частотами показатель затухания краевого эффекта в выражении ( 2 ) должен уменьшатся. Краевой' эффект вырождается при ы —> и,- нижняя граница сплошного участка спектра

собственных частот. Указанный недостаток в работе устраняется на основе решения динамической задачи для балки на упругом сновании. Окончательно матрица жесткости принимает вид:

К(ы)= Е1

4-й2

(1-й2)

2 - й2 (1-й2)1

1/4

2 - й2

1

- к 2 (1-й'

4 - 3 ыг

где й =

В работе показано, что матрица жесткости может быть получена и с помощью матрицы податливости, которая определяется из решения задачи об определении прогиба и угла поворота на границе открытого и заглубленного участков. Использование матриц (3) и известной матрицы жесткости балочного элемента работающего на изгиб соответствует по существу сочетание метода конечных элементов с методом динамических жесткостей.

Применение МКЭ иллюстрируется примером расчета подводного перехода, имеющего размытый участок. Статическая нагрузка я принимается равномерно распределенной по длине открытого участка. Применяя стандартную процедуру МКЭ по приведению аспреде-ленной нагрузки к узлам конечно - элементной схемы, в главе вычислены узловые нагрузки. Составлена глобальная матрица жесткости системы открытый участок - заглубленный участок. На основе уравнений равновесия вычисляются узловые перемещения трубопровода. Вычисленные значения с точностью до третьего знака совпадают со значениями определенными на основе интегрирования дифференциального уравнения изгиба. При т?<4,37 (г}=к 1, к=Ус/(4Е1)) опасным является изгибающий момент в середине свободного, а при более высоких жесткостях грунта за опасное сечение трубопровода принимается сечение х=0. Условие прочности и неразрупения подводной траншеи при действующей статической составляющей гидродинамической нагрузки, записывается в безразмерном виде для сечений х=0 и х=1. В работе отмечено, что исследование статической прочности подводного перехода целесообразно проводить, сочетая метод конечных элементов и метод непосредственного интегрирования уравнения изгиба трубопровода. Такой подход позволяет оценить объективность результатов, по-

лученных этими методами и, в случае достаточного их совпадения, дает основание для использования метода конечных элементов для более сложных расчетных схем, более полно отражающих реальную природу нагруженности трубопровода.

В третьей главе разработана методика определения нижней части спектра системы труба-поток-грунт аналитическим и конечно -элементным способом. Составлена конечно-элементная модель динамического поведения открытого участка подводного перехода, учитывающая взаимодействие открытого и заглубленного участков.

Исследуемая механическая система состоит из двух парциальных подсистем имеющих различные структуры спектра собственных частот. Первая подсистема - балка на упругом основании имеет спектр собственных частот с крайним низшим значением иж=Ус/и2 , где с - линейная жесткость основания , ю2 - погонная масса трубопровода с учетом протекающего по нему продукта. Вторая подсистема - открытый участок конечной длины имеет бесконечный спектр собственных частот.В работе рассматриваются частоты ы<и#. Взаимодействие заглубленных участков трубопровода с грунтом описывается как связь с линейноупругим безинерционным винклеровским основанием. Уравнения движения системы принимаются в виде, как это принято в теории колебаний:

34и, дги,

Е1 -\ * ¡в,-\ = 0 (4а)

8 х4 1 8

Е1 -1 ♦ с«2 ♦ - —£ = О (4Ь)

ах4 2 ^ д I7

Колебания подразделяются на два типа: симметричные и кососим-метричные. Для симметричных колебаний при х=1 (середина свободного пролета) выполняется следующее условие:

(1 н. сгы

1 _ 1

<1 х <1 х3

= 0 (5)

С учетом этого соотношения и, учитывая условия стыковки решений на границе двух участхов, записывается уравнение собственных частот для симметричных форм колебаний.Структуру спектра собственных частот иллюстрирует рис. 1. Здесь по оси ординат отложен корень квадратный из отношения и/иш где ыщ - первая частота шарнирно опертой балки длиной 21. С увеличением параметра учи-тывицего жесткость грунта , собственная частота колебаний трубопровода приближается к частоте , которая является собственной частотой жестко защемленной балки. Из рисунка видно , что при некоторых соотношениях между жесткостью грунта и длиной свободного пролета собственные частоты рассматриваемой механической системы не попадают в интервал, ограниченный частотой

В качестве расчетной схемы для МКЭ при анализе динамики размытого участка принимается рассмотренная выше схема при одном существенном дополнении: учитывается сжимающая сила. Учет сжимающей силы приводит к появлению так называемой матрицы устойчивости, другое название которой - матрица геометрических параметров. Для открытого участка матрицы инерции, жесткости и геометричесхих параметров являются стандартными т. е. описанными в литературе. Матрица жесткости для заглубленного участка газопровода вычислена выше в главе 2 , а матрицы инерции и гео-ометрических параметров вычисляются путем интегрирования в пределах от 0 доо«а в выражениях для потенциальной и кинетической энергии.Формулы для матриц инерции и геометрических параметров имеют вид:

%Л и "ж,к-

5/32+ Г2 23

1

к

(6)

М,=

2 2К(02+ Т2)

1

1

к

2(?к3

КГ

(7)

В формулах (6) и (7) параметр к учитывает жесткость грунта, в параметрах 0 и у учтено действие сжимающей нагрузки и частоты колебаний трубопровода. Частотное уравнение в конечно-элементной форме записывается в виде:

К(ы) - 4акгИи) - и2-

4к

М(о) = О

(8)

Частотное уравнение (8) не является стандартной процедурой вычисления собственных частот , т.к. в (8) входят матрицы, зависящие от частоты ы. В работе был предожен эффективный итерационный метод, сходимость которого при определении низших частот весьма велика. Сущность итерационного метода заключается в том, что для каждого фиксированного значения и решается стандартная задача на собственные значения. Корни уравнения и»1 , о>2 и т. д. определяются координатами точек пересечения кривых ь^ с биссектрисой координатного угла. На рис. 2 представлена зависимость собственных частот симметричных форм колебаний трубопровода от относительной жесткости грунта. Сплошные линии на рисунке построены с использованием точного решения частотного трансцендентного уравнения. Штриховые линии соответствуют корням частотного уравнения (8) , а штрихпунктирные кривые построены в предположении что матрицы К , М , и Ь не зависят от частоты и. Точками в виде треугольников отмечены результаты эк-сперементального определения первой собственной частоты.

Рассеяние энергии при колебаниях размытого участка трубопровода описывает матрица демпфирования И, которая принимается в виде:

Б = о^М +

(9)

Ь

где величины а1 и определяются различными способами ло экс-12

'А

' у К=2

2*1 . Г Г /■ У ' .

зг^

/ 1 /■ ' / /• ' / <" ^ /- ✓ ^ /,, , / ', , /, /

1

1_____ к=о

г и //V ; у у / ✓ ✓ ✓ ✓ '

[ X 4 Ь

■Х/9Г

Рис./

0,5

5

0,4

0,3 0,2

ОД

Структура спектра собственных частот

\ \ \\ \

\ \\\ \ л и>„ ч 2 _| ч.

\ \ \х X N

%

-^¿г-г

Рис. 2. Зависимость собственной частоты

размытого участка от жесткости « грунта 10

перементальным исследованиям декремента колебаний подводных трубопроводов 5. Так, при использовании двух первых форм колебаний с частотами , иг эти параметры могут быть вычислены по формулам:

К1

Ы1 (10)

1ГЫ+Ы 0) + и

Ш1 2 1 2

Коэффициенты о^ и Э1 могут быть вычислены и при наличии информации о коэффициентах демпфирования при различных частотах. В работе предполагается независимость поперечной нагрузки от продольной координаты. С учетом этого , рассматривая симметричные формы колебаний вычисляется вектор узловых сил. Таким образом , полностью определена система дифференциальных уравнений , описывающих динамическое поведение открытого участка. Она записывается относительно вектора узловых перемещений в виде:

МуГ^+БЙ^+КГ^ОШ (И)

Для решения этого' уравнения в работе применяется метод разложения по формам собственных колебаний. После применения этого метода система дифференциальных уравнений (11) распадается на стандартные, несвязанные диффиренциальные уравнения, где в качестве аргумента рассматриваются перемещения трубопровода в главных (нормальных) координатах. В работе приводится численная илюстрация вычисления матрицы демпфирования и приведения системы диффиренциальных уравнений к независимым уравнениям относительно вектора главных координат.

В четвертой главе выбрана стохастическая модель гидродинамического воздействия, вычислены в безразмерном виде показатели надежности размытого участка трубопровода. Еа основе выбранной модели накопления усталостных повреждений оценена усталостная долговечность локального участка подводного перехода в непроектном положении.

Для вычисления показателей надежности размытого участка

подводного перехода необходимо иметь модель вероятностного описания нагрузок и свойств материала трубопровода и выбрать параметры .характеризующие качество. При выполнении этих условий можно вычислить вероятностные характеристики параметров, определяющих поведение размытого участка при случайных воздействиях и тогда представляется возможным определение показателей надежности размытого участка трубопровода методами теории статистической динамики механических систем.

Разрушение трубопровода может произойти не только из-за вырыва из траншеи или превышения напряжениями в материале трубы предельно допустимых значений, но и вследствие наступления внезапного отказа, а также в результате накопления усталостных повреждений.

Пульсационная составляющая гидродинамического воздействия обусловлена вихревым движением жидкости, возникающим за обтекаемым телом и периодическим отрывом пограничного слоя от поверхности трубопровода. Это обстоятельство определяет стохастическую природу поперечной нагрузки 0(1). Для невысоких значений числа Рейнольдса переход к стохастической модели гидродинамической нагрузки сводится к замене гармонического процесса, описывающего гидродинамическую нагрузку, на соответствующий стационарный случайный процесс, адекватно описывающий стохастическую природу 0(1). Наличие преимущественной частоты в для внешнего воздействия дает основания считать 0(1) стационарным случайным процессом со скрытой периодичностью, спектральная плотность которого имеет вид:

„ 4а а2 + е2

^'^"¡Г2, , о % 2-з-Т . (12)

4 ч 71 (и?-еР-с?)г + 4а?ш

о О

где о^ - дисперсия процесса ОН)

ао - параметр корреляции процесса.

Предполагается, что ОН) - нормальный случайный процесс. Для невысоких значений параметры корреляции ао, по сравнению с несущей частотой 0, процесс 0(У будет узкополосным. При таких допущениях и учитывая, что амплитуда узкополосного нормального процесса распределена по закону Рэлея, легко вычисляется дисперсия сг^ процесса 0(1). Выбор спектральной плотности процесса 0(1) в виде (12) позволяет посредством увеличения параметра

корреляции ао учитывать увеличение скорости набегающего водного потока.

В работе применяются методы статистической динамики. Применяя метод спектральных представлений и учитывая систему дифференциальных уравнений, описывающих динамическое поведение трубопровода, устанавливается связь между случайным спектром перемещения трубопровода и внешнего воздействия Ф(ы). Матрица взаимных спектральных плотностей Э ^ С со), для принятой расчетной схемы имеет размерность 3x3. Связь между "входом" и "выходом" рассматриваемой динамической системы записывается в виде:

Б (ы)=о21Н(1ы)п]* х [НЯюП^Ли) , (13)

* е. Ф

где - спектральная плотность, которая с точностью

до множителя совпадает с выражением для спектральной плотности внешнего воздействия ,"х" - прямое (тензорное) умножение, НИ и) - передаточная функция, определяемая для выбранной расчетной конечно-элементной схемы. Для спектральных плотностей динамических напряжений имеет место соотношение:

Бв(В) = | «■ X 2 ^«^(и) , а=1,2 (14)

Ф 1)

где кад - соответствующие элементы матрицы жесткости , деленные на момент сопротивления трубопровода. На рис.3 - 4 представлены результаты вычислений статистических характеристик размытого участка для конкретного трубопровода.

В работе.производится расчет на усталостную долговечность. Принимается линейный закон накопления усталостных повреждений. Для стационарных узкополосных гауссовских процессов распределение амплитуд 'подчиняется закону Релея. Кривая усталости, для материала, из которого изготовлен трубопровод, описывается уравнением:

16 12

в

4

«V

0.03

0.06

0.09 ¿3 о.1г-

Рио. 3. Спе тральная плотность ыаксимэдьйых перемещений

ОМ 0.03.

ом ш

7.2

ЪЬчо2- > ..

0.5

1.5

эе/зг

Рио. 4. Дисперсия максимальных перемещений и скоростей

Л = С =сопб1

(14)

где и - параметр кривой усталости, N - число циклов до появления усталостной трещины. Значение меры усталостного повреждения за один цикл нагружения и ее второй момент вычисляются по асимптотическим формулам. Для линейного закона накопления повреждений среднее значение усталостной долговечности определяется как отношение времени одного цикла нагружения к средней мере повреждения за один цикл, вычисленной по асимптотическим формулам. Для принятия решения о сроках проведения ремонтно - профилактических работ подводного перехода с размытым участком, можно воспользоваться оценкой усталостной долговечности и оценкой времени до наступления предельно низкого допустимого значения вероятности неразрушения конструкции, основанной на вероятности непрывышения случайными динамическими напряжениями допустимого уровня. Приводится пример расчета усталостной долговечности.

В пятой главе "'лтедена методика расчета подводных переходов газопроводов.при наличии размывов дна, в которой учтены следующие условия: прочности для металла трубопровода, неразрушения траншеи и иенаступления резонансных колебаний, а также эффективные методы инспекции состояния подводных трубопроводов и инженерные решения по повышение надежности подводных переходов.

На примере трех диаметров труб построены предельные кривые по условию неразрушения траншеи на плоскости параметров, описывающих жесткость грунта, скорость водного потока, длину открытого участка подводного перехода и величину иж- перемещения трубы до разрушения грунта на границе открытого и заглубленного участка. Наступление гидродинамического резонанса опасно с точки зрения интенсивности развития усталостных повреждений и резкого возрастания динамических напряжений. Автором построены кривые, ограничивающие резонансную область. При этом учтены следующие факторы: жесткость грунта, длина открытого участка, а также вычислена частота срыва вихрей с поверхности трубопровода для различных скоростей течения реки. При определении эквива-

лентных напряжений по энергетической теории учтены следующие нагрузки: температурный перепад, внутреннее давление продукта, статический напор водного потока. Построенная модель позволяет учитывать напряжения от продольно - поперечного изгиба, при этом трубопровод рассматривается как балка на упругом основании, имеющая свободный участок. По предложенным графикам можно определить эквивалентные напряжения при различных скоростях набегающего потока и длинах открытого участка подводного перехода.

На основе анализа технических решений по диагностике состояния подводных трубопроводов и инженерных мероприятий по закреплению подводных переходов газопроводов автором выбраны эффективные решения по повышению надежности подводных переходов с размытыми участками.

Основные результаты и выводы

1. Решена задача о прочностном расчете открытого участка подводного перехода газопровода. В задаче учтены следующие нагрузки: внутреннее давление газа, температурный перепад, статическая составляющая гидродинамической нагрузки, вес трубы. Методом конечных элементов оценено устойчивое положение трубы в траншее. Определены области устойчивости по условию неразрушения траншеи на плоскости параметров, описывающих свойства грунта и скорость набегающего водного потока.

2. Произведен расчет низшей части частотного спектра системы труба-поток-грунт. Обнаружено, что при определенной жест-костях грунта и длине размытого участка низшая собственная частота не попадает в "вилку" между частотой свободных колебаний балки на шарнирном опирании и частотой жестко защемленной балки. Собственные частоты вычисляются также с применением метода конечных элементов.

3.При составлении матрицы жесткости в методе конечных элементов была учтена продольная сжимающая сила. В МКЭ использовались два типа конечных элементов: первый стандартный - балка работающая на изгиб, второй элемент нестандартный - полубесконечная балка работающая на изгиб. В качестве функции форм для второго типа конечного элемента было выбрано затухающее на беско-

нечности решение задачи типа краевого эффекта. Получены частот-нозависимые матрицы жесткости и инерции, позволяющие более точно решать динамические задачи. Матрица демпфирования составлена с учетом низкочастотного внешнего воздействия.

4. Впервые построена стохастическая модель гидродинамического воздействия с учетом того, что колебания трубопровода являются процессом со скрытой периодичностью. Решение задачи статистической динамики было выполнено по методу спектральных представлений, где уравнения колебаний трубопровода было записано в конечно - элементной форме. Получено выражение для спектральных плотностей динамических напряжений в характерных сечениях трубопрвода. Вычислены дисперсии напряжений и скорости этих дисперсий.

5.Даны постановка и решение новой задачи о расчете подводного трубопровода на долговечность. По теории выбросов динамических напряжений за фиксированный уровень (предел усталости) вычислена вероятность безотказной работы на определенном интервале времени. Произведено вычисление характерного времени до наступления отказа вследствии накопления усталостных повреждений. На основе теории выбросов и линейной модели накопления усталостных повреждений даются рекомендации по срокам проведения ремонта подводного перехода.

6.Выполнена систематизация современных средств и методов диагностики состояния подводных трубопроводов, а также инженерных решений по повышению надежности участков подводных переходов в непроектном положении.

Автором выпущены и утверждены в РАО ГАЗПРОМ рекомендации по эксплуатации подводных переходов, имеющих размытые участки.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Радин В.П..Саликов И.А. О собственных частотах подземных и подводных трубопроводов с открытыми участками. // Конструктивная надежность газопроводов. - М.: ВНИИГАЗ, 1992, С.45-49.

2. Харионовский В.В.,Радин В.П..Саликов И.А. Вопросы надежности трубопроводов как линейных систем. // Вопросы надежности газопроводных конструкций. - М.: ВНИИГАЗ, 1993, С.40-46.

3. Радин В.П.,Окопный Ю.А..Саликов И.А. Применение МКЭ для исследования подводного трубопровода. // Вопросы надежности газо-

фоводных конструкций. - П.: ВНИИГАЗ, 1993, С.61-70. I. Курганова И.Н. .Радин В.П.,Саликов И.А. Оценка долговечности участков подводных трубопроводов в непроектнон положении. // ¡опросы надежности газопроводных конструкций. - М.: ВНИИГАЗ, 1993, С. 54-61.

Соискатель

И. А. Саликов