автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Научно-методические основы диагностики напряженно-деформированного состояния надземных участков газопроводов

Івано-Франківський державшій технічний університет нафти і газу

На правах рукопису

ШЛАПАК ЛЮБОМИР СТЕПАНОВИЧ

НАУКОВО-МЕТОДИЧНІ ОСНОВИ ДІАГНОСТУВАННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ НАДЗЕМНИХ ДІЛЬНИЦЬ НАФТОГАЗОПРОВОДІВ

Спеціальність 05.15.13 - Будівництво та експлуатація нафтогазопроводів, баз і сховищ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук.

Івано-Франківськ-1996

Дисертацією в рукопис. ‘

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук Капцов Іван Іванович.

2. Доктор фізико-математичних йаук, професор Хомченко Анатолій Никифорович

3. Доктор технічних наук, професор Коцкулич Ярослав Степанович Провідна організація АТ "Укргазпром" (м. Київ).

Захист відбудеться ".5 « ГРУДНЯ 1996 р. О іО°

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.09.02.01 в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу. Адреса: 284018, м. Івано—Зранківськ, вул. Карпатська, 15-

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу за адресою: м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15. .

Автореферат розісланий " 1996 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, - ^Лзаміховський Л.М.

доктор техн. наук, професор

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність і ступінь дослідженості тематики. Світовий досвід зеконливо свідчить, що трубопровідний транспорт залишається висо-гфективним і надійним засобом забезпечення споживачів енер-юсіями. Україна має розвинену мережу' магістральних трубопрб-дів, яка за останні роки перетворилася з частини трансевропейської пеми колишнього СРСР у самостійний комплекс транзитних і зподільчих нафтогазопроводів. Понад 20% з них прокладено і шлуатуеться в складних умовах Західно-Українського регіону, іьшість з яких знаходиться на межі нормативного терміну лілуатаціх або вичерпали його повністю. Безпечна їх експлуатація «агав мати перелік і діапазони зміни фізичних і технічних заметрів, які визначають роботсздатність ± залишковий ресурс. При >му визначальним є дійсний розподіл напружень і деформацій в 'бопроводах, особливо для таких складних їх конструкцій, якими б їземні дільниці. Використання сучасних чисельних методів фахунку з застосуванням ПЕОМ в багатьох витях»?. вкявлязться юстатнім.

В цих умовах однією з важливих задач досліджень, які мають ги-ршо >гове практичне значення для безаварійної експлуатації магістральни. •бопроводів на складних ділянках, в все більш широке застосування фахунково-експериментальних методів діагностування компонентів гружено-деформованого стану (НДС) матеріалу трубопроводів, основа. на використанні чисельних методів (МКЕ, МКР та інш. ) та сучасних ■одів експериментальної механіки. Ця задача повинна розв’язуватися за рахунок подальшого вдосконалення відомих методик чисельного рахунку та технології контролю і оцінки технічного стану, так і робки принципово нових підходів до їх діагностування, проектуван-і експлуатації.

Проблема оцінки технічного стану нафтогазопроводів вивчалас багатьма дослідниками. Вагомий вклад в розробку теорії і п р акти» спорудження та експлуатації нафтогазопроводів в складних умова експлуатації внесли Березін В.Л., Бородавкін П.П., Ращепкін К.С. Іванцов О.М., Болотін В.В., Аксельрад Е.Л., Ільїн В.П., Петров В.П. Камерштейн А.Г., Харіоновський В.В., Капцов 1.1., .Жидкова М.О. Уніговський Л.М., Перун Й.В. та інші дослідники.

Аналіз опублікованих по даній проблемі робіт дозволив виділиі комплекс взаємозв’язаних задач, розв'язання яких має важлш народно-господарське значення і складав основу дисертації. Це зокрема, задачі визначення . небезпечних надземних дїльнш нафтогазопроводів в умовах їх експлуатації за даними просторово: положення осі трубопроводу, діагностування та прогнозу Ці вдосконалення науково-методичних основ розрахунку, розробі принципів, раціонального їх конструювання. Загальним в комплекі виділених задач а їх тісний зв'язок з вибором та' прийняттям технічних рішень по підвищенню рівня роботоздатності надземних ділі ниць нафтогазопроводів в складних умовах експлуатації, специфіч] умови яких, вимагають всестороннього підходу до розв'язання дані цроблеми, включаючи поглиблене вивчення механізмів виникненн; ускладнень, розробки методів їх прогнозування, попередженні і ліквідації. _

Мета роботи. Розробка науково-методичних основ діагностуваи нацрукено-деформованого стану надземних дільниць нафтогазопровод балкового тицу в складних умовах їх експлуатації.

Основні завдання наукових досліджень.

1. Аналіз технічного стану надземних переходів балкового типу Західно-Українському регіоні та факторів, що його формують. .

2. Розробка науково-методичних основ діагностування напружено-дефо; мованого стану надземних переходів балкового типу, неруйнівни

летодами дослідження.

3. Теоретичні дослідження, розробка і перевірка адекватності моделі зизначення ЩЇС трубопроводу за геодезичними даними просторового толоження його осі.

і. Натурні і експериментальні дослідження та узагальнення НДС грубспроводу надземних переходів балкового типу і їх криволінійних злементів для типових схем прокладки. •

5. Вдосконалення методики розрахунку параметрів прокладки переходів Залпового типу і їх криволінійних елементІЕ.

5. Розробка методики та експериментальні дослідження акустичних властивостей трубних сталей з тривалим терміном експлуатації.

7. Розробка методологічних принципів вибору раціональних технічних рішень при проектуванні надземних переходів балкового типу з компенсаторами, спряженими з надземними трубопроводами під кутом менше 90°. .

3. Формування методології та розробка науково-практичних рекомендацій по підвищенню технічного рівня експлуатації переходів балкового типу в Західно-Українському регіоні.

Наукова новизна.

1. Вперше з врахуванням результатів натурних досліджень проведено

аналіз технічного стану надземних переходів балкового тилу в Західно-Українському регіоні та визначено основні фактори, які формують формують НДС трубопроводу. '

2. Розроблено алгоритм діагностування НДС надземних переходів балкового типу в складних умовах експлуатації.

3. Запропонована науково обгрунтована математична модель визначення ЇЩС трубопроводу за даними просторового положення його осі та якісне її підтвердження результатами експериментальних досліджень на діючих нафтогазопроводах.

4- Розроблено науково-методичні основи діагностування НДС надземних

переходів балкового типу неруйнівними методами з врахуванням зм±не властивостей матеріалу труби в ході тривалої експлуатації.

5. Вперше проведені широкомаштабні натурні дослідження тг узагальнення параметрів НДС трубопроводу надземних переходії балкового типу для типових схем прокладки.

6. Вперше в умовах експлуатації дослідаено вплив зменшення кут; повороту криволінійних елементів надземних переходів балкового тип; менше 90° на напружений їх стан. Показано характер розподілі цоздовжних і кільцевих напружень як по . перерізу криволінійна; елементів так і по їх довжині в площині деформації.

7. Вдосконалена методика розрахунку гЩС надземних переході] балкового типу і їх криволінійних елементів в умовах зменшення кут; спряження компенсаторів порівняно з 90°. Отримані розрахункові залежності для визначення зміни величини вильоту компенсаторі Г-подібного типу, вшшву потоку газу на напружений стан трубопровод на криволінійних ділянках, впливу крайового- ефекту на ЩТ криволінійних елементів при їх спряженні з прямолінійними надземним: трубопроводами.

8. Розроблена методика, модернізовано засоби дослідження т проведені самі дослідження впливу терміну експлуатації на механічн властивості трубних сталей. Показана можливість використана акустичного•методу дослідження для визначення стану внутрішньо поверхні трубопроводів в умовах їх експлуатації.

9- Формалізовані та науково обгрунтовані методологічні принцип раціональних технічних рішень при проектуванні надземних переході балкового типу з криволінійними елементами, повернутими на кут менш 90°.

10. Розроблені науково-обгрунтовані рекомендації по проектуванн надземних переходів балкового типу з компенсаторами, спряженими надземними трубопроводами під кутом менше 90°.

Сукупність отриманих наукових результатів складав науково-ме-годичну основу діагностування напружено-деформованого стану надземних іереходів балкового типу в складних умовах експлуатації.

Теоретична і практична цінність досліджень.

Виконані в дисертації дослідження являються теоретичного базою 5ля розробки 1 створення цілісної концепції діагностування НДС тадземних переходів балкового типу і їх криволінійних елементів в окладних умовах експлуатації. .

Розроблена математична модель визначення НДС надзеїлшіх іереходів за даними просторового положення осі трубопроводу. .

Вдосконалено методику розрахунку НДС надземних переходів 5алкового типу та їх криволінійних елементів в умовах зменшення кута

іх повороту в порівнянні з 90°.

Розроблена методика оцінки впливу крайового ефекту в зоні зпряження криволінійних елементів надземних переходів балкового типу з прямолінійними трубопроводами на НДС криволінійних елементів та іого впливу на коефіцієнт зменшення жорсткості кривих труб.

Розроблено алгоритм та науково-методичні основи діагностування ■ЩС надземних переходів балкового типу в складних умовах експлуатації іеруйпівиоги методами з врахуванням зміни властивостей матеріалу [’руб при' тривалій їх експлуатації.

На основі широкомаштабних досліджень проведено узагальнення ЦДС гадземних переходів балкового типу для типових конструктивних схем ірокладки та визначені основні фактори, які мають суттєвий вплив на іого формування.

Розроблені науково обгрунтовані рекомендації по проектуванню іадземних переходів балкового типу з компенсаторами, спряженими під іутом менше 90°, методи попередження недоліків, які мають місце [ри експлуатації існуючих трубопроводних систем.

Запропоновано технічні рішення для збільшення

самокомпенсуючої здатності надземних переходів балкового типу з: складними компенсуючими контурами.

Рівень реалізації і впровадження наукових, розробок.

Розробки по діагностуванню НДС трубопроводу за геодезичними даними просторового положення осі трубопроводу широко впроваджені і практику експлуатації газопроводів на об’єктах ДП "Црикарпаттансгаз1 ДП "Львівтрансгаз", ДП "Волгоградтрансгаз" (Росія), РПМГ "Молдова-трансгаз”, УМНП "Дружба" та інших. Основні положення з розрахунку компенсаторів, спряжених під кутом менше 90°, передані в редакційні колегію ВНІПІТРАНСгаз по розробці національних будівельних нори України і включені в другу редакцію. Принципи раціональногс конструювання надземних переходів балкового типу неодноразове використовувалися для реконструкції і підвищення рівня експлуатації аварійно небезпечних дільниць на'об’єктах БО "Укргазпром".

Річний, економічний ефект "від впровадження розробок склаї понад 500,0 тис. крб ( в цінах 1990 р.) та 1,5 млн. лей республік! Молдова в 1995 р. (1 лей = 1000 рос. руб.).

Окремі результати дисертації використовуються в учбовомз процесі Івоно-Франківського державного -технічного університету нафті і газу при викладанні дисциплін "Проектування і спорудженню магістральних трубопроводів" та "Організація спорудження трубопроводів в складних умовах" для студентів спеціальності "Проектування, спорудження та експлуатація газонафтопроводів, баз і сховищ".

Основні положення, розроблені в дисертації, були включені і програми спільних науково-дослідних робіт Міносвіти України, Союзга: проекту та входили в державну науково-технічну програму "Наукові основи перспективних технологій"

Апробація та публікація результатів наукових досліджень.

По дисертації опубліковано 33 наукових робіт, в тому числі науково-технічні рекомендації по проектуванню надземних переході

балкового типу. .

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робот складається з вступу, шести глав, основних висновків та рекомендацій і додатків. Викладена на 494 сторінках, включаючи 162 рисуноки, 47 таблиць, список використаної література з 247 найменувань.

Дисертація являв собою наукове узагальнення досліджень і розробок по діагностуванню напружено-деформованого стану надземнії? дільниць балкового типу в Західно-Українському регіоні, виконанні автором на протязі 1984 - 1995 p.p. на газопроводах: "Братерство",

"Союз", Уренгой-Помари-Ужгород, "Прогрес" Ду 1400 в ДП "Прикарпаттрг газ”; івацевичі-Долина, Київ-Вахідна Україна (КЗУ-11) Ду 1200, Біль-че-Волицьке підземне сховище газу-Долина Ду 1200 в ДП "Львівтрансга; на нафтопроводі "Дружба" та інших.

Особистий внесок дисертанта у розробку наукових результатів.

1. Автором розроблено методологію та алгоритм діагностуванні НДС переходів балкового тилу та проведені дослідження в реальних уме вах експлуатації [1,2,5,6,7,12,15,21,26,29,30].

2. Автором розроблені математичні моделі для розрахунк: параметрів напружено-деформованого стану надземних переході! балкового тішу, компенсаторів, спряжених під кутом менше 90°, та дл,-оцінки крайового ефекту при їх спряженні з надземними трубопроводам] за допомогою криволінійних елементів [4,14,13,16,16,19,0,23.261.

3. Автор брав безпосередню участь у плануванні і проведенн експериментальних досліджень механічних властивостей та залишковою ресурсу трубних сталей з тривалим терміном експлуатації[8,9И0,113•

4. Автор брав безпосередню участь у впровадженні результаті проведених досліджень у виробництво, у проведенні розрахунків н ПЕОМ, виконав аналіз і узагальнення отриманих результатів [22,27,28

5. .Автором розроблені принципи раціонального конструюванн переходів балкового типу з компенсаторами, спряженими під куто

менше 90°, конструкції опорних пристроїв, методики визначення стану внутрІНШОЇ поверхні трубопроводу [3,17.25,31,32,33].

Характеристика методології, методу дослідження, предмету і об'єкта.

Робота ггрисв’ячена вирішенню проблеми діагностування напрукено-деформованого стану надземних переходів балкового тішу в складних умовах експлуатації шляхом розробки науково-обгрунтованого методологічного забезпечення досліджень, натурних комплексних досліджень компонентів напружено-деформованого стану матеріалу труб та зміни хх механічних властивостей в період експлуатації, вдосконаленню методів розрахунку, розробці науково-практичних рекомендацій по діагностуванню та раціональному конструюванню надзем них дільниць балкового типу при проектуванні та експлуатації.

Дослідження базуються на використанні математичних методів будівельної механіки, механіки суцільних середовищ, нвпівбезмомент-ної теорії згину тонких оболонок, загальних механізмів руйнування матеріалів.

Достовірність отриманих в дисертаційній роботі результатів забезпечується використанням випробувавши: практикою методик

досліджень, строгим дотриманням стандартів та методичних рекомендацій, високою точністю отриманих результатів і їх не суперечливістю з відомими літературними даними.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи і дається загальна її характеристика.

Перша глава присв'ячена аналізу технічного стану надземних ділі ниць нафтогазопроводів балкового типу в Західно-Українському регіоні і факторів, що його формують. ,

Показано, що схеми і конструктивне виконання надземних іереходів балкового типу в досліджуваному регіоні залежать від виду' іерешкода, їх розмірів, діаметру і призначення трубопроводу. Використання складних компенсуючих контурів для компенсації іоздсеютп: деформацій- трубопроводу дозволило долати перешкоди

пиряною 1000 м і більше.

Проведений аналіз технічного стану надземних переходів балкового типу на магістральних газопроводах "Братерство", "Союз", Урецгой'-Помари-Угп'ород Ду1400, газопроводах Івацевичі-Долина, Київ-Західна Україна Ду1200 та ряді інших показав, шс в період експлуатації на надземних переходах з компенсаторами, спряженими під кутом менше 90°, мають місце зміни проектного положення трубопроводу на опорах в горизонтальній і вертикальній площині деформації, що приводить до значних переміщень трубопроводу в опорних перерізах і вузлах спряження (до 0,8 м), руйнуванню доздовзаю-рухомих опор каткового типу, згину обмежувальних стійок, перекосу опорних бзпімзкіз, різко зменшуючи саі/окомпенсуючу здатність надземної

іҐрОКЛ *

Встановлено, що характер переміщень трубопроводу надземних переходів балкового типу в складних. умовах експлуатації і зміна напруженого стану матеріалу труби залежать від багатьох факторів, врахувати які при проектуванні надземних дільниць балкового тішу практично неможливо. '

На основі натурних досліджень, виконаних на надземних переходах балкового типу в Західно-Українському регіоні, які охоплювали всі конструктивні схеми їх прокладки, визначено фактори, які мають суттєвий вплив на напрукено-деформований стан матеріалу труб. Такими основними’ факторами е:

а) конструктивне виконання надземних переходів, наявність і тип компенсуючих пристроїв, їх виліт та взаємне положення компенсаторів

відносно поздовжної осі трубопроводу та розміщення в схемі надземної дільниці;

б) кут спряження компенсуючих пристроїв з надземним трубопроводом і їх нашл до горизонту. Встановлено, що при одинакових вильотах компенсуючих пристроїв одного типу, переміщення надземного трубопроводу в поперечному напрямку більші для компенсуючих пристроїв з меншим кутом спряження;

в) температурний режим трубопроводу, який в умовах Карпат різко змінюється при переході від дня. до ночі, а також в осінньо-зимовий і весняно-літній періоди;

г) можливість вільного переміщення надземного трубопроводу в

опорних перерізах, поскільки використання на переходах балкового типу тільки поздовжньо-рухомих каткових опор в умовах зменшення кута спряження компенсуючих пристроїв менше 90° приводить до значних

поперечних переміщень трубопроводу в опорних перерізах і е не кращим варіантом конструктивного вирішення.

На основі даних натурних досліджень дана характеристик

температурного режиму навколишнього середовища Заххдно-Українськогс

регіону і його впливу на характер деформацій надземних переходії І

балкового типу. Отримано розрахункові залежності для визначення найменшої і найбільшої фактичної температури при якій зафіксоване

розрахункову схему надземного переходу, а також розрахункові формулі для визначення величини переміщень трубопроводу в горизонтальній тг вертикальній площині деформації.

Розроблено алгоритм діагностування напружено-деформованого стаз надземних дільниць нафтогазопроводів з врахуванням термін; експлуатації в складних умовах. Постановка задачі і схема діагностування приведені на рис. 1. Діагностування напружено-деформованогі стану трубопроводу базується на вивченні міцнісних характеристик ма ріалу труб і зварних з'єднань виходячи з їх статичного навантаження!

ОБ'ЄКТ

ДІАГНОСТИКИ

ітеріал убо про воду

-И КОНСТРУКЦІЯ

-'хатчкі і устачні

астишеті

•руктура

ітеріалу

ЇПЦИНО-

ійкість

Повороти в гориаон гальші

площині

Г ЛІНІЙНА ЧАСТИНА

Крутозагнуті і зварні відводи

І СТАТИЧНІ І І НАВАНТАЖЕННЯ

I і__________ | І впливи

ДИНАМІЧНІ '

Зварні

з'єднання

Дефекти (каверни, |раковтл(, тріщини)

І

ТрІЩИШСТІЙКЮТЬ

СПЕЦІАЛЬШ~|— ----4

|_

Мікроструктура,

механічних

властивостей

Засоби діагностики

і контролю

Маятниковий копер________

Машина

розривна

Ультразвуковий

товщиномір

_ф

Прилади для контролю напружень

Твердомір

■І

Дефектоскоп

Мікроскоп

вимірювальний

Методики контролю і вимірювання

Нівелір

теодоліт

І Діагностика І технічних параметрів

.императора стінки руби і середовища

■’ " ч _____________

! Вимірювання І товщини

І Напруженого С'гану гііСОЄоПЄПН’гіХ дільниць

: Переміщень 1 ■ деформацій і

Вимірювання Ьтзердості ’ ,‘ф ..

І Визначення і^норпі руйнувань

_________Л ' ""

Аналіз технічного стану і його прогноз

І Розрахунок на міцність !

і !

і_____________ ____________J

Розрахунок на стійкість

І Розрахунок на втому і тріщиностійкість

Формування

розрахункових критеріїв

.'Визначення залишкового

\Оі

£

щшка надійності

п

\ Розрахунок довговічності

ресурсу

ТІ

І Розробка методів розрахунків і підвищення надійності

Розробка \ -Ц рекомендацій і конструктивних рішень У

Встановлення раціональних допусків на норми технічних параметрів ________

Рис. І Схема діагностування НДС надземних дільниць нафт огаз опров оді в

також на дослідженнях спектру навантажень, що діють на ту чи - іншу надземну дільницю трубопроводу. Для цього надземний трубопровід розбивається на ряд типових дільниць.- Основний принцип схеми на цьому рівні - вивчення вза'вмодії системи "матеріал-конструкція-на-вантаження". Особлива увага повинна бути звернута на знакозмінні навантаження. При оцінці ;роботсздатності враховується також статистичний розкид механічних властивостей трубних сталей, чим опосередковано враховується його якість.

. ' При цьому особлива увага звертається на формулювання задач про несучу здатність трубопроводу'на різних його дільницях. Розв'язо цих задач дозволяє оцінити напружено-деформований стан матеріалу труб і розробити критерії роботоздатності.

На практиці розрахункові оцінки критеріальних параметрів не все вдаються, тому алгоритмом досліджень, передбачена перевірка достовірності результату шляхом проведення натурних досліджень. При цьому основними параметрами при виконанні натурних досліджень виступають деформації і напруження— величини,_ що характеризують несучу здатність трубопроводу. Поєднання розрахункового і експериментального методів дослідження дозволяє підійти до розв’язку задачі прогнозу залишкового ресурсу. Перехід від розв’язання аналітичних задач до інженерних критеріїв і оцінок, що представлено в нижній частині схеми (рис. 1) в виді розробки рекомендацій і конструктивних рішень, складає останній, четвертий рівень діагностування напружено-деформованого стану надземних переходІЕ балкового типу.

В другій главі розроблено, науково-методичні основи діагностування напружено-деформованого стану надземних переходів нафтогазопроводів неруйнівними методами, дослідження.

Відомо, що діагностування напружено-деформованого стану такш складних систем, як магістральні трубопроводи взагалі, і їх надземн

дільниці зокрема, в натурних умовах експлуатації, в актуальною і

складкою проблемою. Успішне її розв'язання залекить не тільки від розробка засобів І методів діагностування, але і від методологічного забезпечення. Достовірний результат можна отримати тільки поєднавши розрахункові оцінки з даними натурних вимірювань основних параметрів конструктивної надійності - деформацій або напружень. При цьому важлиго, знаходження даних параметрів повинно входити в задачу раннього діагностування, тобто оцінка надійності повинна виконуватися на етапі, коли трубопровід роботозлатний, без наявності видимих дефектів. ' .

На основі уззгалькеня досвіду дослідження технічного стану надземних дільниць балкового типу в складних умовах експлуатації, розроблено методику визначення переміщень трубопроводу геодезичними і негеодезишшми методами. Методика геодезичного визначення планового і висотного положення трубопроводу на опорах зклйчае три етапи виконання робіт. На першому етапі пговедіг^.ся закладання опорної реперної основи на досліджуваній дільниці. 3.) даакш аналізу тонічної документації вигнзччв-гь^я початкове і1проектне) положення трубопроводу на опорах та обгрунтовується частота геодезичних спостережень.

Частота спостереяень вибиралася в залежності тзід ивидкостт і величини переміщень трубопроводу і визначалася по формулі Г.І.Тер-Степаняна: .

10 а

І = ------- ; (1 )

■д

де X ~ інтервал між спостереженнями; о - стандарт визначення переміщень (середньоквадратична похибка відповідного виміру); А -швидкість1 переміщення трубопроводу.

Швидкість переміщення трубопроводу балкових переходів

визначалася по величині відхилення трубопроводу від початкового (проектного) положення між двома послідовно виконаними серіями геодезичних вимірювань. Точність і програма спостережень визначалися

для___кожної надземної дільниці індивідуально в залежності від

ситуації, що складалася на час спостережень, величини і характеру переміщень трубоцроводу за контрольний проміжок часу.

■ - Другий- етап складали геодизичні вимірювання по програмі' створних спостережень. Обробка результатів створних спостережень на ПЕОМ по програмі ЗІУоГ на алгоритмічній мові Паскаль та аналіз результатів досліджень складали третій етап.

Побудована модель .обробки геодезичних вимірювань планового і висотного положення трубопроводу, яка дозволяє проводити оцінку напружено-деформованого стану металу труб. Складено алгоритм і програму обробки натурних, даних, переміщень трубопроводу надземних дільниць. Для параметричного представлення дільниці трубопроводу як геометричного тіла, використана спеціальна система координат, визначальними параметрами якої в трійка чисел ( х, ф, г). В такій системі координати всіх точок на трубопроводі визначаються наступним чином: -

гтр

X *—

тр

х - RcijjU) + [ c^UJsin <р + OgUJcos ф ]г ;

Уrj.p = у(х) - RPn(x) + с (Зд(х) аіп ф + рв(х) cos Ф Зг ;

(2>

^ZTp = z(x) - R7nU) + t 7n(x) sin Ф + 7B(x) cos ф 1г ;■ л х € [х1, х^; Ф € [0, Z%]; Г € СН -S, R] де г,^ - радіус-вектор точки в нерухомій декартовій системі координат; х1, координати вузлових точок на поверхні трубопроводу;

S-товщина стінки трубоцроводу; R - радіус труби; о^, Рп> 7Д-координати вектора нормалі; ав, (3Е> 7В ~ координати вектора бінормалі. Координати вектора локальних базисів Э1 в просторі визначаються за формулою:

Зх,

дх

0У.

■тр

~ 1---------------К 4 (—--------------------------ЗІПф + -;-СОЗф)Г;

Ао^х)

(їх

(ІХ

9х

дй.

тр , йРп(ї) ^п(і)

; У (х)----------й + (-------ЗІПф +

ЙІ

СІХ

йх

йРв(ї)

йх

47г, и)

-со8ф)г; (3)

дх

тр , й%(ї} йТп(і) “'в'

, 2(х)------.---£ 4 (------ЗІПф + -----;---ООЗф)Г;

ЙХ

йх

(ІХ

®2 =

Зх,

ТР

9ф

Зу

(0^ соБф ав д-їпф^..

тр

бф

д'і

•= фп созф - рв Б±Гіф)г;

(4)

тр

<9ф 91

= (7 соїзф 7 ЗіПф)т;

тр

3., =

дт

- зіпф - созф;

тр

8г

дь

тр

= Рп зіиф - рв созср;

= 7П зіпф - 7В соБф;

(5)

Компоненти метричного тензора з врахуванням (3) - (5). задаються в ваді скалярного добутку векторів базису:

к 1

які в розвернутому виді записуються таким чином:

■ сіа^х) сіа^х)

q11 = 3^ = [1- :—■—-зіікр + —----------созф)г]2 +

&Х

I-

г

^п(1) ^п(к) ^в(х)

г

+ 1у(х) - Н + ( 8±пф + соаф)г] +

йх йх йх .

, й7п(х) ^в(1) 2

+ Щх) Й + ( БЇПф + со8ф)г.З ; (7)

- (1х . йх йх

%г = эг Эг = г2 ; ■ ' . (8)

Чзз-^з = 1і (9)

Ч21 * Я,г = 3^2= (Й зхпф - г2) .

йо^х) йТп(х)

(сс + рв - + ); (10]

йх йх йх

йо^х) (^(х) й7д(х)

чзі = «із= ®1‘ 5,-(аь--------------+ Рв—+, тв---------------->Есо3(р; (11 ■

йх йх йх

%г ~ = ®г = °*

Компонента тензора напружень, на основі закона Гука,

визначаються за формулою: . .

ЦЕ ' • Е ■

°и =------------------'—ьючз*-------------------Чг ■ (13

.. (1 - гб) (1 + а) -1 + и ,

де ц - коефіцієнт Пуассона; Е - модуль Юнга; 11 (є) - перший варіант

тензора деформацій, записаний у виді: .

1,(8) = Є,,8і1 + єігб12 + є13§13 + є21в21 + &гг8гг+

+ Є^в23 + Є31в31 + Єзге32 + єззЄ33 ;

(14

де ^ - компоненти тензора деформацій:

1 , _ Б13 ~ ~р (еЦ-~ *13* _ (15;

де компоненти тензора (7) - (12), визначені в конкретний

момент часу; компоненти матриці, оберненої до матриці

метричного тензора.

На основі математичної моделі розроблено алгоритм розрахунку напружено-деформованого стану надземних переходів балкового типу за даними цросторового положення осі трубопроводу та виконана перевірка його адекватності на діючих газопроводах. Блок-схема алгоритму розрахунку напружено-деформовансго стану трубопроводу має вид, приведений на рис. 2. . ■

Обгрунтована, розроблена і випробувана в трасових умовах принципово нова методика визначення напруженого стану матеріалу надземних трубопроводів, яка дозволяє визначити величину і знак одноосних та двохосних напружень без руйнування досліджуваної дільниці трубопроводу, базуючись нз даних початкових акустичних властивостей трубних сталей.

Отримано робочі формули для визначення напружень в досліджувані точці трубопроводу при відомому часі поширення УЗ коливань в яенавантаженому матеріалі і визначених коефіцієнтах о.^ зв'язку мі» напруженнями в трубопроводі і часом . поширення ' УЗ коливань. Встановлено критерії точності експериментального визначення часу поширення УЗ коливань в матеріалі труб.

Розглянуті особливості та приведена методика експериментальних досліджень напруженого стану надземних переходів балкового типу Н£ криволінійних дільницях за допомогою тензометричного методу вимірювання.

Третя глава црисв’ячена натурним дослідженням напружено-дефор-мованого стану надземних переходів балкового типу для основнш

Рис. 2 Блок-схема алгоритму розрахунку НДС надземних дільниць нафтогазопроводів

■ОНСТРУКТИЕІІИХ схем їх прокладки. . '

ііа осі-озі аналізу і узагальнення натурних досліджень показано,

;о факторами, які зміните^ початкові параметри иапруквнс-

[ефоржваного стану трубопроводу безкомпенсаторних переходів в руй-:увані;я .-рантового обвалування трубопроводу з утворенням тріщин в ібзаді'еаіікї і щілин між грунтовим обвалуванням і трубопроводом. На жремшс. б&^кошенсаторішх переходах газопроводу "Братерство" этиртяа ііллн іііїї трубопроводом т грунтовим обвалуванням складала 0,125 ->.25 м-

Факторами, які змінюють напрузсено-деформований' стан трубопроводу 5&зкомпенсаторних переходів, е руйнування берэговкх дільниць, збіль-іешія проектного значення прогонів, що приводить до росту деформацій трубопроводу в вертикальній площині та його напруженого стану. На жремих безкомпенсаторних переходах збільшення прогону в порівнянні з початковим проектним його значенням перевищувало 8 м.

Приге.дйїю результати діагностування напруженого стану Гст,ксм£і*:-оь/орнЕХ переходів. Показано епюри розподілу лсздовжних і сільі;еві!Г ьагружекь пс довжині підземного трубопроводу. Вибачено їарактор розподілу напружень в трубопроводі в залежності від геометричних параметрів ± конструктивного виконання переходів. Остановлен., що для безкомпенсаторшіх переходів балкового типу на нафтопроводі "Дружба", що мають складну конфігурацію- в плані, не характерну для типових схем прокладки переходів даного типу, розподіл поздовкних напружень по довжині надземного трубопроводу мав неоднозначний характер.

На декові результатів натурних досліджень узагальнено характер тапрудано--деформованого стану трубопроводу надземних переходів Залкового типу з Г-подібними компенсаторами. Досліджено характер деформацій трубопроводу в плані і по висоті для типових схем рокладки. Встановлено основні фактори, які приводять до зміни

проектного положення трубопроводу і впливають на форму його деформації при зміні вильоту і кута спряження Г-подібних компенсаторів менше 90°; Показано, що зменшення кута спряження Г-подібних компенсаторів порівняно з 90°, приводить до непрогнозованого згину трубопроводу в площині деформації, появи значних переміщень трубопроводу в опорних перерізах, які досягають найбільшого значення на перших двох-трьох від компенсаторів опорах.

Приведено епюри розподілу поздовжних і кільцевих, напружень по довжині трубопроводу на переходах даного тицу, досліджено характер їх розподілу по довжині надземних трубопроводів, визначено вплив непрогнозованого його згину на напружений стан матеріалу труби, а також визначено перерізи по довжині надземних трубопроводів, де мають місце концентрація напружень і максимальні їх значення.

Проведено дослідження і показано характер налружено-деформова-ного стану надземних переходів балкового типу з Г-подібними компенсаторами по кінцях, розміщеними по одну сторону від поздовжної осі трубопроводу (трапецевидна схема прокладки). Встановлено, що при такій схемі прокладки балкових переходів, характер ' переміщень трубопроводу залежить від величини вильоту компенсаторів і кута їх спряження з .надземними дільницями. Показано, що при неодинакових вильотах кінцевих компенсаторів, переміщення трубопроводу в площині деформації стають . мало прогнозованими, що приводить до перевантаження компенсаторів з.меншою погонною жорсткістю і значних поперечних переміщень у вузлах їх спряження з надземними трубопроводами. '

Показано, що на переходах даного типу, на яких не встановлено розподілювачі поздовжних деформацій трубопроводу у виді "мертвих" опор, нецрогнозований згин трубопроводу приводить до зміщення опорних башмаків з катків, руйнуванню обмежувальних стійок та самих поздовкно-рухомих опор.

. Приведено епюри розподілу поздовжних та кільцевих, напружень по доекжіі трубопроводу на переходах даного типу для- характерних схем прокладки. На рис. З показано характер деформацій трубопроводу в плані і по висоті на переході газопроводу КЗУ-11 Ду1200 через р.

Березтиця, конструктивно виконаного по трапецевидній схемі прокладки. На рис. 4 приведені епюри розподілу поздовжних і кільцевих напружень по довжині надземного трубопроводу, що визначені в ті ж самі моменти часу, що і деформації. .

Досліджено характер переміщень і напрузксдий стан трубопроводу надземних переходів балкового типу зі складними компенсуючими контурами. Показано, що на переходах з такими компенсуючими контурами мають місце також відхилення трубопроводу від початкового положення, руйнування опорних пристроїв, перекоси опорних башмаків, значні переміщення трубопроводу на перших від компенсаторів опорах. Встановлено, що зазначені недоліки при експлуатації балкових переходів з такими компенсуючими контурами, обумовлені

невідповідністю конструктивних схем ггоокладки можливим переміщенням трубопроводу при зміні зовнішних силових фактороів.

На осонові аналізу і узагальнення результатів натурних досліджень визначені основні закономірності, які формують напружено-деформований стан надземних переходів балкового типу. Це, зокрема, поступове накопичення деформацій при зміні режиму перекачки, підвищений рівень напружень в перерізах трубопроводу, близьких до вузлів спряження надземного трубопроводу з компенсаторами, неоднозначний характер і величина деформацій трубопроводу для однотипних схем прокладки балкових переходів з одинаковими геометричними параметрами, вплив конструктивної схеми прокладки балкових переходів на напружений стан трубопроводу.

В четвертій главі приведені результати досліджень напруженого стану найбільш навантажених елементів надземних переходів -

Рис. З Дефррмації трубопроводу на переході газопроводу КЗУ-ІІ Ду 1200 через р. Бережниця в плані (а) і по висоті (б)

а)

Ход еоза

Опор#

б>

Рис. 4 Епюри поздовжних (а) і кільцевих (б) напружень в трубопроводі на переході газопроводу КЗУ-ІІ Ду 1200 через р. Бережииця

риволінійних, набраних із крутозагнутих і зварних сегментів.

На основі агалїзу робіт Костовецького Д.Л., Айнбіндера А.Б., армана Т. та інших дослідників, відмічено, що однією з важливих роблем, що виникає при конструюванні переходів балкового типу з кладний напружено-деформований стан криволінійних їх елементів, які изначають тип компенсуючих пристроїв. .

На основі обробки результатів натурних дослідаень в умовах ксплуатації переходів балкового типу, приведено епюри розподілу іоздовжних і кільцевих напружень в криволінійних елементах :ошгенсаторів як по їх довжині, так і в характерних перерізах.

Дослідження напруженого стану крутозагнутих колін, які працюють і складі Л~подібних компенсаторів показали, що розподіл поздовжних іапружень по довжині крутозагнутих колін залежить не тільки від іентральнбго їх кута і умов експлуатації (внутрішній тиск і температура труби), а, в значній мірі,' визначається величиною і напрямком іагальних переміщень надземних трубопроводів у вузлах їх спряження з такими криволінійними елементами. Найбільші по величині поздовжні іапруження мають місце в центральних перерізах крутозагнутих колін. Срім того, в місцях їх спряження з прямолінійними трубопроводами мас іісце збурення нацруженнь. '

Показано характер розподілу поздовжних і кільцевих напружень по іовжині ± перерізу . криволінійних . елементів, набраних із зварних сегментів. ■ На основі натурних дослідаень, вперше проведених в зеальних умовах експлуатації, встановлено, що розподіл поздовжних і сільцевих напружень в перерізах зварного коліна залежить від місця їх знаходження по довжині криволінійної дільниці, а також від їлощини його деформації. Встановлено, що в місцях спряження зварних сегментів між собою, і в зонах спряження зварного коліна з прямолінійними дільницями надземного переходу^-на напружений стан мав значний зпляв крайовий ефект, що приводить до збурення напружень в зонах

спряження.

Опрацьовано критерії для моделювання напруженого став надземного трубопроводу на моделі і проведено експериментальв дослідження напруженого ставу трубопроводу. Макет трубопровод представляв собою трубу діаметром 325 мм із сталі марки 17ГС, товще ною стінки 8 мм і довжиною 5,2 м, заглушену з обох торці напівсферичними заглушками. Трубопровід встановлювався на спеціальї пересувні опори, що дозволяло змінювати місце їх розташування і довжині труби. '

Напруження в трубопроводі визначалися методом тензометрії трьох переізах, два з яких були опорними, а також по верхній твірній труби в площині її деформації з кроком в 0,3 м. На осної проведених досліджень побудовані епюри розподілу поздовжних кільцевих напружень в досліджуваних перерізах, та проведеї порівняльний їх аналіз з розрахунковими значеннями, визначенні згідно нормативних документів. На рис. 5 показано характер розп< ділу поздовжних і кільцевих напружень в перерізі труби, розміщеної по середині прогону між опорами. .

Дослідження показали, що між експериментальними значення! напружень і їх розрахунковими значеннями мають місце сутте: розбіжності як по формі епюр так і' по величині напружень контрольних точках. Такі відмінності, можуть бути більш значними д складних схем навантаження трубопроводу, а особливо для реальн умов експлуатації трубопроводів.

В дисертації досліджено напружений стан криволінійних елемент надземних трубопроводів, які працюють в складі обв'язки компресори станцій. Дослідження показали, що розподіл поздовжних і кільцев напружень по перерізу краволінійних елементів а неоднозначним залежить від місця розміщення криволінійних елементів в схе обв’язки. Зміна режиму перекачки не впливає на зміну форми епюр

а)

Рис. 5 Розподіл поздовжніх (а) і кільцевих Сб) напружень по перерізу II—XI трубопроводу надземної дільниці

_____ - розрахункові; ®- Р = 2,5 Ша;

_____- експериментальні; з - Р = 5,0 Ша

поздовжних, так і кільцевих напружень в перерізах криволінійних елементів, а змінює тільки їх значення в контрольних точках. Наявність криволінійних елементів в схемі обв'язки КС має суттєвий вплив на розподіл напружень в технологічних трубопроводах. Найбільшим такий вплив е для перерізів, розташованих в безпосередній близькості до зон спряження криволінійних елементів з прямолінійними дільницями технологічних трубопроводів.

П’ята глава присв’ячена вдосконаленню теоретичних основ розрахунку надземних переходів балкового типу і їх криволінійних елементів (колін), спряжених з надземними трубопроводами під кутом менше 50°. .

8 врахуванням інформаційного вмісту натурних досліджень, розроблено методику розрахунку параметрів згину надзе^шого трубопроводу з врахуванням дії незрівноваженого зусилля Т, що виникає в криволінійних елементах внаслідок потоку газу. Для цього випадку повна енергія Ет деформації трубопроводу представлена в виді параметрів деформації а і у=Г(х), що дозволяє використати теорему цро мінімум напружень і ефективної роботи.

Використовуючи чисельні метода, ' олтимізація рівнянь повної енергії здійснена введенням гармонічної форми представлення параметрів деформації згину. Постійні параметри деформацій трубопроводу ail (де а - відхилення трубопроводу від початісовогс прямолінійного положення; 1 - довжина прямолінійної дільниці трубопроводу), визначені на основі мінімума повної енергії системи:

' '' 0Е_ ' 9EL

т т.

= 0; —----- = 0; (17)

да ві

При значеннях Е1 < Ет«. трубопровід буде залишатися в стан: чистого стиску. Якщо характеристика залежності "навантаження-відхи-лення" мав значення Е^Е , то має місце згин трубопроводу і

ющині деформації і трубопровід переходить в .нижчий енергетичний

?ан при його поперечному відхиленні - згині.

Критичне значення незрівноважекого зусилля Т_, що виникає в

кр

жволінійних елементах під впливем внутрішнього тиску, отримано із

зореми про ефективну роботу: .

ЗЕТ '

- Ткп <18) ■

90 *

Проведена оцінка впливу незрівноваженої сили Т на напружено-де-зрмовашій стан Г-подібних компенсаторів при зменшенні центрального ута відводів р < 90° та зміну їх вильоту. Розглядаючи Г-лодібний омпенеатор як консольну балку, защемлену одним кінцем в грунтову снову, форма кривої згину якого описується рівнянням виду ,

Зх2 2х3 -

у(х) = (1-------2~ + —3- ) ' (19)

ік '

ГХ

изначепа довжина компенсаторе: 1 , що знаходиться в грунті і

к

сформується під впливом незрівноваженого зусилля Т:

2

а ^зв1* ^1-005

1К -------------------:—:------------ ; С 20)

к 2Г_ (2са_ + 2а„ + а„, „ ) тр ^гр чгр ^т.ц.

;е Бзв - зовнішний діаметр трубопроводу; Р - внутрішній тиск; р -

:ут спряження компенсатора з надземним трубопроводом; к - коефіцієнт

апесу при визначенні сиди тертя по контакту труба-грунт, к=0,6-0,8;

’ - коефіцієнт тертя трубопроводу об грунт; д - зовнішнє наванта-

іР і Р

іення, створюване на трубопровід грунтом; Чт п ~ вага трубопроводу, іаповненого продуктом; с - коефіцієнт ущільнення грунту засипки.

, З врахуванням зміни вилоту 1**, отримано розрахункові залежності (ля визначення дійсного вильоту Г-подібного компенсатора 1^ і йоп юмпенсуючої здатності у виді:

де А^ = (с^ДЇ - О,2окц/Е)1коші + ТК1К0ШІ/ЕР - деформація компенсуюча надземної дільниці трубопроводу;' сц. - коефіцієнт лінійного розширень матеріалу труби; ЛІ - розрахунковий температурний перепад трубоцрово ду; окц - кільцеві напруження в трубопроводі від внутрішнього тиску; Е - модуль Юнга; Р - площа поперечного перерізу труби; а - напрям ді незрівноваженої сили; Е1 — жорсткість труби на згин.

Визначена ефективна довжина підземного трубопроводу, поздовжні переміщення якої передаються на надземні дільниці в залежності вія виду його закріплення в грунті. Отримані розрахункові залежності для визначення віддалі від точки виходу трубопроводу на поверхню де точки трубопроводу, в якій поздовзші переміщення дорівнюють нулю та величитаа’ загального переміщення трубопроводу над точкою виходу не поверхню.

Використання компенсаторів, спряжених під кутом менше 90° з надземними трубопроводами, як показали натурні дослідження, приводить до значних поперечних, переміщень трубопроводу у вузлах спряження, внаслідок чого руйнується грунтове обвалування входу трубопроводу в грунт, а на поверхні контакту трубопроводу з груртовим обвалуванням виникають додаткові контактні напруження, які при шздовжних переміщеннях трубопроводу приводять до руйнування захисного покриття і активізації грунтової корозії в зонах контакту.

В зв'язку з цим поставлена і розв’язана задача визначення

ЗІ

сонтактного тиску, що виникав по контакту.трубопроводу з грунтом та іовжини зони контакту для компенсаторів при (3 < 90°. Тиск д(х), що зиникае по контакту труба-грунт, визначений із розв’язку задачі про ззаємодію балки і жорсткої грунтової основи, профіль якої заданий рівнянням у=у(х). Тиск Р(ф), який виникав в зоні контакту по перерізі груби, знайдено із розгляду взаємодії кільця одиничної ширини і жорс' <ої грунтової основи. Задача розв’язана в геометричній і фізичній лілійній досізновці, тобто деформації малі, а напруження не перевищуют; дажі плинності матеріалу труби.

Невідомі значення д(х) знайдено із розв’язку системи рівнянь

виду:

г

1 М(х) кСЗ(х)

Р " кг ЄР ’

(23)

ЕІ

q(x) = М (х);

X q(x)dx = Р ;

о

де р- кривизна трубопроводу в зоні контакту; М(х) - згинаючий момент; к - безрозмірний коефіцієнт, що залетать від форми поперечне го перерізу труби (к=2); Q(x) - поперечна сила; GF - жорсткість труС на зсув. ' ' . '

Реактивний тиск Р(х) та довжина зони контакту трубопроводу < грунтом по його периметру, що характеризується кутом Ф=Ф0, знайдено із розв’язку системи рівнянь виду:

+ Wg = а - (II, - R; )cos ф ; .

Ф0 хо+А

X P(x)R1cos ф йф = X ?(*) >

~<Ро хо

Vа

%

f q(x) dx = 2J t sin^R. бф ; *o о

де І - пружні переміщення контактних тіл; А - ширина вирізане кільця; ї0 - дотичні напруження в кільці; ЇЦ - радіус кільця.

Досліджено умови деформації підземного тонкостінного трубопрої ду на границі виходу його на поверхню, на який діє зовнішні реактивний тиск Р(х). Рівняння, які описують умови деформац; трубопроводу як тонкостінної оболонки, отримані на основі аналі: потенціальної енергії деформації тонкостінного кільця з врахуванні тих додаткових сил і переміщень, які мають місце тільки під ч; випучування кільця. •

З метою вивчення впливу крайового ефекту спряжені криволінійних елементів надземних балкових переходів (колін) прямолінійними надземними трубопроводами, проведено теоретичні дослідження НДС трубопроводу на криволінійних дільницях з врахували, умов закріплення кінців. На основі напівбезмоментної теорії зги тонкостінних оболонок розглянуто місцеве збурення напруженого ста (крайовий ефект) в умовах спряження труб.

Система рівнянь рівноваги елементу тороподібної оболонки запи сана у виді, що відрізняється від відомих систем наявністю підкреслених членів: . - .

' ЭИ , дБ

■ —' + ---------- = 0; '

да <ЭР . .

’ ЭД2 аз .

-----+ ------- + Гїї.со58 + ГК*0 •= О;

ЭР да 1 22

.г ао1 ас^

—- ії.еоар + ПК?!*--------------------------- Гр ; (25)

Рк 1 2 2 да ар

і ам2 і ш1г '

--------------------------+ о = о;

Г ар Г 0а ^

і ш1 1 ам1г

- г да V ар °’

Я1, - поздовжні сили в напрямку координат аїр, відповідно;

і 0г - поперечні сили; Б - сила зсуву; М1 і М£ - згинаючі моменти;

- крутильний момент; к* = к2 + зе^; - приріст кривизни серед-

х лінії перерізу; р - радіус кривизни поздовжньої осі коліна.

В результаті розв’язку системи рівнянь (25). визначено істкість і нацрувено-деформований стан криволінійної дільниці 'бопроводу (коліна) з врахуванням крайового ефекту в місці іяження кривої ± прямих труб.

В шостій главі обгрунтована методика та приведені результати іпериментальних досліджень механічних властивостей трубних сталей тривалим терміном експлуатації.

Розроблено стратегію досліджень фізико-механічних властивостей Гбних сталей з тривалим терміном експлуатації за допомогою методу ^стопружності. Використання методу акустопружності базується на ’язку фізико -метан ічних властивостей трубних сталей (модуль ^жності, твердість, текстура) з їх акустичними рактеристиками (швидкість поширенім і коефіцієнт затухання ьтразвукових хвиль). Реалізація цього методу здійснена шляхом алізу частотних спектрів відбитих ультразвукових (УЗ) гналіЕ-

Моделювання зміни стану матеріалу здійснювалося на дослідних азках, які виготовлялися з матеріалу труб, які тривалий час аходилися в експлуатації (більше 10 років), а також користсвуваляея зразки з труб, взятих після аварії та з труб арійного запасу. Зразки труб мали різний стан внутрішньої верхні. 1

Для обробки результатів експериментальних досліджень розроблена тематична модель обробки частотних спектрів. Результати :спериментальних досліджень подавалися у вигляді графіків відбитих

1 сигналів, які знімалися з екрану осцилографа. Математичний опис

результатів експрериментальних досліджень здійснювався за допоиогон сплайн-функцій. Маючи значення амшштуд в деякому діапазоні частот, будували неперервну криву, використовуючи інтерполяцію кривої сплайї функціями. .

Сплайн-функції ви£5иралися таким чином, щоб задовольнялися такі умови:

1) на кожному сегменті і = 2,3».... N+1, функції

Б(х) була многочленом третього ступеня;

2) функція Б(х), а також друга і третя похідні від неї булі неперервні на відрізку [У1, У£];

3) 5(х) = Кх.^), 1 = 1,2,..., Н+1, де £(х^) -значення aмплiтy^ в кожній точці х^.

Цим вимогам задовольняла система виду:

, с1 = 0 ; ск+1 = 0 ;

= с.^ - ; 1 = 2,3...., Н+1; .

. Ч 2 (26)

^ ~ = і і ” N+1%

- ^ °І+1 + “ ^1 = £1-^1—1 ; 1 = 2,3,..., N+1

Для розв’язку системи рівнянь (26) використовувався мето; прогонки. Алгоритм числового розрахунку реалізований на ПЕОМ.

Розроблений алгоритм • розв'язку- задачі класифікації ознаї дефектів. Задача, яка ставиляся при дослідженні, сформульована:такт чином:

а) виходячи з виду подання інформації про дефекти (амплітудно-частотна характеристика дефекту), визначалося оптимальне числі спектральних відліків, динамічний діапазон вимірів їх амплітуд : спосіб перетворення інформації, що одержується у вигляді, зручному для вводу в'"ЕОМ; '

б) із вихідного описання формулювалося деяке число узагальнених

зрактеристик спектру - ознак. До ознак ставилася вимога їх простої ззрахункової та апаратурної реалізації, фізичної об’єктивності, що авало можливість оцінити розділяючі властивості ознак і відібрати айбільш інформаційні з них; .

в) базуючись на відібраних ознаках, формулювався деякий лгсритм побудови вирішального правила класифікації ознак дефектів.

При виборі ознак класифікації дефектів використовувалися такі арактеристики: площа, яку займав спектр (густина); сума кутів яахи-у січних в сусідніх точках спектру (швидкість зміни огинаючої); овжина огинаючої спектру при його одиничній густині. В якості одаткового критерію використовувалася величина емпіричного оефікіента кореляції, що дозволяло аналізувати рівень залежності !Іж двома сигналами.

Класифікація дефектів проводилася за такими правилами:

а) визначався наближений еталонний дефект шляхом визначення [алежності ознак, що задаються вектором А до класу дефектів типу х^,

З

се 3 - номер типу еталонного дефекту.

б) визначався максимум густини ймовірності і-|(х), для чого знаходилася величина:

,2

б 6

2 ехр

/-------

27СО.

р* - 2 І1(х1) - 2 —— 1 3=1 1 3 3=1 г

V 2

- т31Г

(28)

. 'Зі

с вважалося, що вектор А належить до класу дефектів типу х^, якщо ^ = тах (Р^);

в) для дефектів 'класу 1 J вибиралася одна з його АЧХ, що задавалася набором точок у^ спектру, після чого визначалася АЧХ цослідауваного зразка, для якого задавався набір спектру

Результати експериментальних досліджень представлялися в вид графіків“залежності частоти відбитих УЗ сигналів від його амшіитуди Статистична обробка частотних спектрів шляхом визначення коефіцієнт парної кореляції показала, що Його значення близьке до +1.

На Ьснові експериментальних досліджень визначено комшіексни параметр К5, за допомогою якого можна ідентифікувати марку трубни сталей в ході тривалої їх експлуатації. Дослідження показали, щ найбільш ефективно працює даний метод для текстурованих сталей тип Х60 .(зміна значення К5 становить К5= 0,20 - 0,27, тоді як для

сталі 17ГС значення К5 на порядок менше і знаходиться в межах 0,001

В додатках приведені науково-практичні рекомендації по поперед женню аварійних ситуацій на надземних переходах балкового типу в пе ріод експлуатації, методика прогнозу критичних переміщень трубопроЕ ду балкових переходів, виходячи з умови забезпечення поздовжнє стійкості трубопроводу, принципи і схеми раціонального конструюванв їх прокладки, конструкції опорних пристроїв для реалізації це цринцшіів на стадії проектування.

Приведені результати впровадження наукових розробок, виконані' в дисертаційній роботі, на об'єктах .транспорту нафти і газу Україні і за її межами.

. ' ОСНОВНІ ВИСНОВКИ 1 РЕКОМЕНДАЦІЇ '

1. На основі узагальнення результатів теоретичних і експеримеї тальних досліджень розв’язана важлива наукова цроблема оцінки техні ного стану та підвищення рівня роботоздатності нафтогазопроводів г тривалим терміном есплуатації на надземних дільницях балкового тш на базі розв'язку нових, практично важливих задач в оцінці компонеї тів напружено-дефзрмованого стану металу труб з врахуванням змії їх фізико-механічних властивостей та стану внутрішньої поверхні, р<

>бки та впровадження технологічних рішень при їх проектуванні та ссплуатації, в результаті яких розроблена цілісна концепція діагнос-гваяня наїтрукєпо-деформованого стану надземних дільниць нафтогазо-зоводів балкового типу, яка включав всі етапи життєвого їх циклу: роектувзння, спорудження і експлуатацію.

2. Запропоновано якісно новий підхід до оцінки технічного стану здземних переходів балкового типу, що базується на даних змплексних натурних досліджень компонентів напружено-деформованого тану металу труб. Сформульовані і розроблені науково-методичні особи діагностування компонентів напружено-деформованого стану металу руб, які включають:

методику дослідження деформацій трубопроводу надземних дільниць

складних умовах експлуатації;

математичну модель, алгоритм і програму обробки натурних' даних

еодезичних вимірювань переміщень трубопроводу та обгрунтування їх очності;

методику визначення фізико-механічних властивостей трубних сталей :а базі спектрального аналізу ультразвукових сигналів;

■ методику експериментальних досліджень напруженого стану металу ■руб лінійної частини надземних переходів і їх криволінійних ■лементів. Реалізація цього підходу на надземних дільницях балкового ?ипу в Західно-Українському регіоні дозволила отримати кількісні і скісні показники напружень і деформацій в надземних трубопроводах, іиявитк потенційно небезпечні дільниці.

З На базі широкомаштабних натурних досліджень в умовах експлуатації, проведений аналіз технічного стану надземних переходів з складних умовах експлуатації та визначені фактори, які його формують. Такими факторами е:

- конструктивна схема прокладки і геометричні параметри надземних іереходів;

- тип компенсуючих пристроїв, їх виліт, кут спряження з надземним трубопроводами, взаємне положення • відносно создовжної осі, т. розміщення -в схемі переходів;

- можливість вільного переміщення., трубопроводу в опорних перерізах особливо на перших від компенсаторів опорах.

4. На основі проведеного аналізу розроблено алгоритм діагност вання напрукено-деформованого стану надземних переходів балкового т пу та відповідне методичне забезпечення, яке включав такі аспекти

- оцінку поточного стану трубопроводу на початок досліджень на баз пошуку дефектів, аналізу навантажень, їх відповідності розрахункові схемі та умовам взаємодії з навколишнім середовищем;

- визначення компонентів напружено-деформованого стану металу труб їх фізико-механічних властивостей, прогнозування потенційв небезпечних дільниць;

- розробку заходів з підвищення роботоздатності надземних дільнии та стабілізації ситуації на них; Такий підхід до діагностувань дозволяє, з однієї сторони, об’єктивно оцінювати роОотоздатнхсть,

з другої сторони, реально, враховуючи значну протяжність надземні дільниць, виконувати-діагностування» зосередивши його перш за все ї потенційно небезпечних ділянках надземних трубопроводів (компенсатс ри, криволінійні елементи і т. п.). .

5. Вперше поставлена і розв’язана задача оцінки технічної стану надземних переходів балкового типу з врахуванням змії фізико-механічних властивостей трубних сталей. З цією мете проведені' експериментальні дослідження зразків трубних сталей Х60 : 17ГС з різним ступенем дефектів та терміном експлуатації методом а: лізу частотних спектрів відбитих ультразвукових сигналів в діапазоні 2,5 - 5,0 МГц. Розроблено математичну модель обребі частотних спектрів, по результатах яких отримано комплексний пар; метр К5, за . допомогою якого можна ідентифікувати марку трубних ста

ступінь зміни їх фізико-механічних властивостей в період ексшіуа-іії. Так для трубних сталей Х60 максимальний діапазон зміни сладае 0,07, тоді як для сталі 17ГС він змінюється в межах від 301 до 0,002, що підтверджув можливість використання К5 для шткфікації марок трубних сталей і ступеня їх корозійного пошкод-шя.

6. Шляхом проведення натурних вимірювань та статистичної зойки отриманих даних встановлено, що формування деформованого ану трубопроводу надземних переходів балкового типу в складних 'Еах експлуатації залежить не тільки від впливу основних силових Есторіз ( внутрішня тиск та температура потоку ), які враховуються дуючими нормативними документами, але і від конструктивної схеми зкладки. Найбіліше небезпечні в цьому плані балкові переходи з аосторонньою компенсацією поздовжних деформацій компенсаторами, ряясеними під кутом менше 45°, на окремих з яких поперечні перемі-ння трубопроводу на перших двох - трьох від компенсатора опорах ладають 0,5 - 0,8 м.

7. Вперше в результаті проведення експериментальних досліджень трасових умовах отримані якісні і кількісні характеристики

пруженого стану криволінійних елементів із крутозагнутих і арних сегментів, які працюють в складних умовах навантаження. По-довано епюри розподілу поздовжних і кільцевих напружень як по дов-ні криволінійних елементів в площині деформації, так і в характер-

х їх перерізах. Показано, що розподіл поздовжних напружень по дов-ні криволінійних елементів із зварних сегментів має складний харак-р, а в зонах кільцевих зварних швів спряження мають місце збурення лружень. Рівень напружень в зонах спряження на 25 - 35% вищий в

рівнянні з суміжними зонами. Встановлено, що зменшення кута поворо-крутозагнутих колін порівняно з 90° приводить до суттєвої зміни рми епюр поздовжних напружень по їх перерізу, а рівень напружень

на 20 - 30% ярщий від напружень в примикаючих прямолінійних надземних трубопроводах.

8. Поставлена і теоретично розв'зана задача впливу крайовоз

ефекту на иалружено-деформований ' стан криволінійних елемент:

(колін),,:. спряжених по торцях з прямолінійними трубопроводам! Показано, що зі зменшенням приведеної довжини криволінійної дільнш 1*, їх коефіцієнт зменшення жорсткості різко зростає, наближуючись одиниці при' 1* =» 0. Для досить довгих криволінійних дільнш

надземних переходів { 1*> 1,25..), коефіцієнт зменшення короткое близький до значення, визначеного без врахування підкрішшючо. ефекту прямих труб на їх торцях, що відповідав відомій форму, к = А-/1,65 (де X - коефіцієнт гнучкості кривихх труб).

9. На основі виконаних теоретичних досліджень вдосконале:

методику . розрахунку компонентів напружено-деформованого стаі надземних переходів балкового типу з компенсаторами, спряженими надземними переходами під кутом менше 90°. Проведена оцінка вши зезрівноваженої сили, що виникав в криволінійних елементах п впливом потоку газу, на напружено-деформований стан Г-подібк компенсаторів при зменшенні центрального кута відводів р < 90

Визначена ефективна довжина підземного трубопроводу, переміщен якого передаються на надземні дільниці, в залежності від ви закріплення в грунті. Поставлена і розв'зана задача про визначен контактного тиску, що виникав по контакту трубопровода з грунтом довжини контакту для компенсаторів при р < 90°.

10. Розроблено науково-практичні заходи по підвищен роботоздатності переходів балкового типу в складних умовах експлуатації. В цією метою розроблено принципи раціонального конст вання схем їх прокладки, запропоновано конструкції опорних пристро для можливості реалізації цих принципів, розроблено методи визначення потенційно-небезпечних надземних дільниць по дан

зміни акустичних властивостей трубних сталей з тривалим терміном луатації. '

Впровадження результатів дисертаційної роботи в практику злило підвищити роботоздатніоть газопроводів "Братерство", "Союз",

11 та Івзцевичі-Долина на аварійних надземних дільницях, ести реконструкцію найбільш небезпечних із них. Економічний т .від впровадження розробок склав, більше 500 тис. крб. в цінах 990 р.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних працях: ерунИ.В., Макар P.M., Шлапак Л.С. и др. Методика расчета адземных участков трубопроводов балочного типа. -К.: Сотзгазпро-кт, 1990. -47 с.

ерун И.В., Петраш И.Н., Шлапак Л.С. Расчет компенсаторов Г-образ-ого типа //Нефт. и газ. пром-сть. -1984. ЯЗ- -С. 43 - 45 лаяак Л.С. Анализ перемещений надземных переходов балочного типа /Нефт. и газ. пром-сть. -1990. -J61. -С. 38 - 40 лапак Л.С., Бабенко Н.В., Жабко Л.И. Выбор рациональной схемы асстзновки трубоукладчиков в изоляционно-укладочной колонне //Раз-едка и разработка нефт. и гаг. м-ний: Межвед. сб.: -Львов: -Вища кола, -1990. -Вып. 27. -С. 110 - 113

лапак Л.С. Исследование напряженно-деформированного состояния ложных участков трубопроводоев условиях горных Карпат с целью овышения их эксплуатационной надежности //Методы и средства ехнической диагностики. -Ивано-Франковск, 1992. -С. 166 — 172 ілапак Л.С., Зубык И.Л., Калашник С.Н. Методика исследования апряженыо-деформировапного состояния горных участков трубопрово-;ов //Техн. средства, методы расчета прочн. зс-тик. Часть 1. - Ком-омольск-на-Амуре, 1992. -С. 79 - 82

іерун Й.В., Шлапак Л.С., Олійник А.П. Обгрунтування вибору базових очок при геодезичних дослідженнях підземних трубопроводів //Роз-

відка і розробка нафт, та газ. родовищ: Міжвід. зб.: -Львів: Вид; школа, -1994, -Вип. 31. -С. 45-48

8. Перун Й.В., Шлапак Л.С., Олійник А.П., Турчинський Я.О.

Експериментально-теоретичне визначення параметрів тріщиностійкос ті магістральних трубопроводів //Розвідка і розробка нафт, та га: родовищ: Міжвід зб.: -Львів: Вища школа, -1994. -С. 4-8 .

9. Перун Й.В., Шлапак Л.С., Зубик Й.Л., Олійник А.П. та інш. Визна-

. чення параметрів тріщиностійксс'ті золізобетонних конструкцій на

основі б -моделі Леонова-Панасгока //Розвідка і розробка нафт.

.. К . *

газі родовищ: Міжвід зб.: -Львів: Вища школа, -1994. -С. 36 - 41

10. Шлапак Л.С., Перун Й.В, Про шляхи забезпечення надійності експлуатації газонафтопроводів //Розвідка і розробка нафт, газ. родовищ: Міжвід зб.: -Львів: Вища школа, -1994. -С. 21 - 2'

11. Перун Й.В., Шлапак Л.С., Дадіверін 1.Г. Забезпечення надійност

експлуатації газонафтопроводів як один з факторів зменшення вит рат нафти і газу при її транспорті //Мат. доп. Міжнар. наук, практ. конф. "Прорблеми і шляхи енергозбереження України"

-Івано-Франківськ, 1984. -С. 44-48

12. Шлапак Л.С., Бзнахевич Ю.Б., Сидор Ю.М. .Аналіз технічного стан: надземних дільниць газонафтопроводів в складних умова експлуатацйії /Нафт, і газ. пром-сть. -1996. --*4. -С. 38 - 40

13. Шлапак. Л.С., Розганюк В.В. Розробка концепції дослідженн технічного стану надземних дільниць газонафтопроводів /Нафт, і газ. пром-сть. -1996. -Щ. -С. 35 - 37

14. Шлапак Л.С. Напряженное состояние криволинейных участков

трубопроводов. -Ивано-Франковск, 198 8 . -12с. -Деп. в УкрНИИТИ

21.09.88. >62420. -Ук88.

15. Шлапак Л.С. Расчетное определение напряженного состояния

надземных переходов, исходя из условия обеспечения устойчивост: линейной части. -Ивано-Франковск, 1988. -11с. -Деп. в УкрНИИТИ

11.1.1.88, .№2850. -Ук88. .

. Шлапак' Л.С. 0 перемищениях надземных переходов трапецевидного типа. -Ивано-Франковск, 1988. -14с. -Деп. в УкрНИИТИ 21.09.88, .42421. -Ук88.

. Шлапак Л.С. Напружено-деформований стан безкомпенсаторяих

переходів. -Івано-Франківськ, 1996. -'20 с. -Деп. ДНГБ України, 12.08.96, Л1668. -Ук99б

. Шлапак Л.С. Визначення контактного тиску і зони контакту

компенсаторів з грунтом при 8 < 90°. -Івано-Франківськ, 1996.

-9 о. -Деп. ДНТБ України, 12.08.96, .№1666. -Ук9б

. Шлапак Л.С. Розрахунок параметрів згину надземного трубопроводу.

-Івано-Франківськ, 1996. -8 с. -Деп. ДНГБ України, 12.08.96, №1667. -Ук9б

. Шлапак Л.С. Модель діагностики напружено-деформованого- стану

надземних трубопроводів. -Івано-Франківськ, 1996. -14 С. -Деп.

ДНТБ України, 12.08.96, .№1669. -Ук9б

. Шлапак Л.С. Стратегія дослідження акустичних характеристик

трубних сталей. -Івано-Франківськ, 1996, -1? с. -Деп. ДНТБ України, 1°.08.96, $1671 . -Укмъ

. Шлапак Л.С. Про стійкість многопрогінних балкових переходів

//Розвідка і розробка наф. і газ. родовищ: Міквід. з<3-Львів:

Вища школа, -1994- -С. 8 - 13

. Шлапак Л.С. Вплив крайового ефекту на напружено-деформоваяий

стан кривих труб //Методи і засоби технічної діагностики.

-Івано-Франківськ, 1995- -С. 115 - 121

. Шлапак Л.С., Розганюк В.В., Банахевич Ю.В. Про напружено-дефор-

моваетй стан надземних трубопроводів на криволінійних дільницях

//Методи і засоби технічної діагностики. -Івано-Франківськ,

1995. -С. 136 - 141

. Шлапак Л.С., Луцик П.М., Ковалевич Б.М. Исследование влияния

поперечного перемещения надземных участков на напряженное

состояние, газопроводов, експлуатируемых в горных условия //Тез.докл. Всесоюзной НТК "Проблемы трубопроводного транспорт нефти и газа". -Ивано-Франковск, 1985. -С. 65

26. Шлапак Л.С., Козак Р.В., Кукурудз Р.С. Анализ перемещений надземных участков газопроводов при уменьшении угла сопряженг компенсирующих устройств//Тез. докл. Всесоюзной НТК "Проблек трубопроводного транспорта нефти и газа"-Ивано-Франковск, 1985 -С. 72

27. Шлапак Л.С., Гаген А.Ю. Исследование напряженного состояние балочных переходов на основе натурных измерений //Тез. дою і У Всесоюзной НТК "Проблемы трубопроводного транспорта нефти газа". -Ереван, 1988. -С. 64.

28. Перун Й.В., Шлапак Л.С., Олійник А.П. Оцінка надійності магіст-

ральних трубопроводів в складних умовах експлуатації //Ма: наук.-практ. конф. "Нафта і газ України", -Київ. -Т. 2. . -199' -С. 53 - 54. ■

29. Шлапак Л.С., Олійник А.П., Гнатюк Я.Д. Оцінка довговічності залиягкового ресурсу трубопроводу //Тези доп. НТК "Стан, цроблеї

і перспективи розвитку нафтогазового комплексу.Західного регіоі України”. -Львів, 1985. -С. 87

30. Шлапак • Л.С., . Сидор М.Д. Про напружено-деформований ста)

' надземних трубоцроводів на криволінійних дільницях //Тези доі

. НТК " Стан, проблеми і перспективи розвитку нафтогазової комплексу Західного регіону України". -Львів, 1995. -С. 89

31. Шлапак Л.С., Банахевич Ю.В., Вичков’як В.М. Досліджені напруженого стану технологічних трубопроводів обв'язки компресі них станцій //Тези доп. НТК "Стан, проблеми і перепекти розвитку нафтогазового комплексу Західного регіону Україні -ЛЬвів,,1995. -С. 91

32. Шлапак Л.С. Аналіз роботи надземних дільниць газопроводів //Те:

наук.-практ. конф. проф.-виклад. складу Ів-ту нафти ± газу.

-Івано-Франківськ, 1992. -С. 41.

33. Шлапак Л.С. Напружеко-деформовашій стан багатопрогінних балкових

систем магістральних газопроводів //Тези наук.-практ. конф. проф .--виклад, складу Ін-ту нафти і газу. -Івано-Франківськ, 1994. -С. 102.

Shlapac L.S." Scientific and methodological principles for Stress and Deformation State Diagnostics for above-ground Sections of gas-pipe— lines. •

The thesis for a Doctor's degree (englneer-lng) competition, in 05.15.13 - Oil and gas pipeline, base and storage construction, maintenance and operation. Ivano-Frankivsk State Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frfnkivsk, 1996.

Thlrti-three scientific publications are defended. Tills publications consist the theoretical investigations in sphere of stress and deformation state determination methods designing for above-ground beam-type sections of pipelines and the results of experimental. researches'in real conditions of exploitations. The conseptions of diagnostics is made, the character of stress deformation, state is defined. Results of work are inculcated into gas and oil industry, the estimation of one's efficiency in process of exploitations is presented.

Шлапак Л.С. Научно-методические основы диагностики напряконно-дефор-мированного состояния надземных участков газопроводов.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ, Ивано-Фраішовский государственный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, 1996.

Защищаются 33 научные работы, которые содержат теоретические исследования по разработке методов расчета напряженно-деформированного состояния надземных участков балочного типа, а также результаты експериментальних исследований в натурных условиях эксплуатации.

Разработана концепция диагностики, установлено характер напряженно-деформированного состояния, даны результаты экспериментальных исследований в натурных условиях эксплуатации. Осуществлено промышленное внедрение разработанных методик, приводятся данные о их эффективности в процессе эксплуатации.

Ключові слова:

діагностика, роботоздатність, міцність, напружений стан, деформації.