автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Повышение безопасности промышленных трубопроводных систем с использованием методов численного прочностного анализа

ВВЕДЕНИЕ.

1. Критический анализ современных методов оценки прочности трубопроводов.

2. Постановка и математическая формализация задачи.

3. Метод решения уравнений равновесия трубопроводных систем.

3.1. Выбор метода решения.

3.2. Реализация метода конечных элементов для анализа НДС промышленных трубопроводных систем.

4. Математические модели для анализа упруго-пластического поведения промышленных трубопроводных систем.

4.1. Упруго-пластическое поведение трубных сталей.

4.2. Метод математического моделирования подземного трубопровода и окружающего его грунта.

4.2.1. Полуэмпирические модели взаимодействия подземного трубопровода с окружающим грунтом.

4.2.2. Трехмерная упруго-пластическая модель грунта.

5. Научный подход и технология численного прочностного анализа промышленных трубопроводных систем.

5.1. Выбор средств моделирования НДС трубопроводов.

5.2. Автоматизированные алгоритмы моделирования НДС конструкций промышленных трубопроводов.

5.2.1. Балочные модели.

5.2.2. Оболочечные модели.

5.2.3. Объемные модели.

5.3. Анализ НДС и оценка прочности промышленных трубопроводных систем.

5.4. Метод определения параметров полуэмпирических моделей взаимодействия трубопровода с грунтом.

5.5. Технология прямого численного моделирования аварийного разрушения трубопроводных систем при анализе их безопасности.

6. Экспериментальная верификация вычислительной технологии.

ВЫВОДЫ.

Актуальность проблемы. Транспортировка жидкостей и газов по трубопроводам широко применяется во многих стратегических отраслях промышленности, определяющих технологическое развитие и экономическую безопасность России, - нефтегазовой, химической, энергетической, транспортной и др. Как правило, промышленные трубопроводные системы имеют сложную разветвленную структуру и находятся при эксплуатации в условиях многофакторного нагружения.

Например, основной составляющей промышленных мощностей газовой и нефтяной отраслей, лежащих в основе всего ТЭК России, является трубопроводный транспорт. Сети российских магистральных трубопроводов имеют большую протяженность и сложную разветвленную структуру. В настоящее время на территории Российской Федерации протяженность магистральных трубопроводов превышает 200 тыс. километров. В состав этих трубопроводов входят [1-3]: магистральные газопроводы, конденсатопроводы и продуктопроводы ОАО «Газпром» (около 145 тыс. км.); нефтепроводы АК «Транснефть» (около 50 тыс. км.); нефтепродуктопроводы АК «Транснефтепродукт» (около 13 тыс. км.) и другие.

Под магистральными трубопроводами в данном случае подразумеваются трубопроводы с условным диаметром (ДУ) до 1400мм включительно, рабочим давлением транспортируемой среды свыше 1,2/Ша и до ЮМПа [4]. Для увеличения производительности трубопроводов и повышения надежности транспортировки газа магистральные трубопроводы часто сооружают в виде нескольких параллельных труб (ниток), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Параллельные трубы связываются между собой с помощью перемычек, выполненных в виде участков труб, снабженных запорно-вентильной арматурой. Такие трубопроводы называют многониточными магистральными трубопроводами.

Транспортные трубопроводные системы России слсжились, в основном, в период с 1960 по 1980 гг. в результате бурного развития добычи газа и нефти за счет освоения месторождений Западной Сибири [5]. Таким образом, большинство из них находятся в эксплуатации уже свыше 20-30 лет. В современных условиях дефицита инвестиций развитие транспортных трубопроводных систем ограничено и в основном осуществляется в следующих направлениях [1,3]:

• достройка начатых магистральных трубопроводов и оснащение их необходимым оборудованием;

• загрузка существующих трубопроводных систем до их проектной производительности путем расширения отдельных участков;

• первоочередная реконструкция наиболее протяженных участков трубопроводных сетей;

• ограниченное строительство новых трубопроводных систем.

В то же время происходит интенсивное старение элементов конструкции действующих трубопроводных систем, ухудшаются технические характеристики трубопроводов и оборудования [1]. В частности, снижаются защитные свойства изоляционного покрытия, что приводит к резкому увеличению интенсивности коррозионного повреждения стенок труб.

Старение трубопроводов ведет к снижению надежности поставок газа и нефти и увеличению количества аварий в трубопроводных системах с тяжелыми социальными, экологическими и экономическими последствиями. Особую опасность при участившихся авариях на магистральных трубопроводах представляют широкомасштабные разливы нефти или залповые выбросы большого количества метана в атмосферу. По данным Госгортехнадзора России [16] только в период с 1991 по 1994 г. на объектах трубопроводного транспорта произошло 199 крупных аварий (т.е. разрушения трубопроводов, повлекшие серьезные последствия), в том числе 138 аварий на объектах транспортировки природного газа и 61 авария на объектах транспортировки опасных жидкостей, к которым относятся нефть, нефтепродукты, конденсат и широкая фракция легких углеводородов.

Пожары, связанные с разливом нефти или образованием горючей метано-воздушной смеси, наносят большой материальный и экологический ущерб, часто приводят к гибели людей [6,7]. К тому же в последнее время мировая научная общественность уделяет большое внимание проблеме потерь метана, способствующих образованию парникового эффекта и влияющих на глобальный климат Земли [8].

Аналогичные проблемы характерны и для других отраслей российской промышленности, связанных с эксплуатацией трубопроводных систем, транспортирующих токсичные, воспламеняемые, ядовитые, радиоактивные и другие, опасные для человека и окружающей среды, жидкости и газы [2,6,9-12]. Как правило, проектные сроки эксплуатации большинства трубопроводных систем в настоящее время либо заканчиваются, либо уже исчерпаны.

Необходимо отметить, что сходные проблемы возникают также и у зарубежных компаний, эксплуатирующих промышленные трубопроводные системы, транспортирующие опасные жидкости и газы. Так, по данным МАГАТЭ на АЭС «Доуэл» в Бельгии в 1994г. было выявлено и заглушено более 2000 поврежденных теплообменных трубок ПГ.

В США за короткий период (с июня 1999г. по август 2000г.) произошли две крупнейшие аварии на магистральном бензопроводе компании Olympic Pipe Line Со. и магистральном газопроводе компании El Paso Natural Gas Co. [13], вызвавшие серьезную обеспокоенность состоянием американского трубопроводного транспорта в широких общественных кругах. Обе аварии, помимо потерь большого количества транспортируемого продукта и затрат на восстановление, сопровождались сильными пожарами, приведшими к гибели 18 человек. Причинами этих аварий являлись старение конструкций магистральных трубопроводов и утонение стенок труб вследствие коррозионных процессов.

Таким образом, можно сказать, что повышение безопасности эксплуатации промышленных трубопроводных систем опасных производств является актуальной задачей для всех индустриально развитых стран мира.

Для решения названных выше проблем требуется своевременная реконструкция и модернизация систем промышленных трубопроводов. Одной из основных задач, возникающих при проведении реконструкции и модернизации трубопроводных систем, является оценка состояния трубопроводов, анализ безопасности их эксплуатации и ранжирование участков трубопроводов по срокам ремонта.

Насущность решения данной задачи на современном этапе, помимо социальных и экологических факторов, обусловлена большой стоимостью замены или ремонта участков трубопроводов. Тотальное обновление находящейся в эксплуатации промышленной трубопроводной системы практически не реальная финансовая задача для любой крупной государственной или частной компании в мире. Поэтому, точное ранжирование участков трубопроводов по срокам их своевременного ремонта, помимо основной задачи -повышения безопасности эксплуатации трубопроводной системы, позволяет также эффективно спланировать затраты компании на реконструкцию, делает их экономически выгодными и обоснованными. Практическое решение данной задачи особенно актуально для России, где в условиях общего острого дефицита инвестиций в промышленность на современном этапе, имеется один из самых больших в мире парков промышленных трубопроводных систем, большинство из которых находится на грани (или уже за гранью) выработки своего проектного ресурса.

Точность ранжирования участков любой сложной системы промышленных трубопроводов зависит, прежде всего, от адекватности оценки реальной прочности каждого ее участка. В свою очередь, адекватность оценок определяется степенью точности расчетного математического аппарата, применяемого при анализе напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводной системы (как всей трубопроводной конструкции в целом, так и каждого из составляющих ее элементов) при действии всех эюплутационных нагрузок.

Как известно [1,2,9,10,14], одной из основных причин разрушений промышленных трубопроводных систем является снижение несущей способности трубопроводной конструкции вследствие появления в процессе строительства и эксплуатации локальных дефектов стенок трубы. Множество аварий на промышленных трубопроводных системах происходит из-за дефектов поверхностного типа. Под поверхностными дефектами в данном случае подразумеваются следующие типы повреждений металла стенок труб:

• коррозионные каверны (сплошная, точечная, язвенная и т.п. коррозия);

• эрозионное утонение стенки (абразивное действие находящихся в потоке мелких твердых частиц на внутреннюю стенку трубы);

• механические повреждения (вмятины, задиры, риски и т.п.).

В частности, причиной большинства крупных аварий на магистральных трубопроводах являются поверхностные дефекты. По данным ОАО «ГАЗПРОМ» за последние 30 лет аварии только из-за коррозионных явлений составляют на трубопроводах большого диаметра до 60% общего числа отказов. Более показательными являются результаты регулярных обследований магистральных трубопроводов, проводимых газотранспортными организациями России с использованием внутритрубных снарядов-дефектоскопов. Например, по данным [15] из всех выявленных по итогам диагностических работ в 1997 году дефектов магистральных трубопроводов предприятия «Пермтрансгаз» коррозионные каверны и вмятины составляли 94%.

В соответствии с [2], наибольшее количество дефектов, выявленных за период с 1979 по 1980гг. в результате технической диагностики трубопроводов Чернобыльской АЭС, относились к эрозионным повреждениям. Из общего количества (по всем действующим в тот период АЭС) выявленных и идентифицированных дефектов большинство имели коррозионное и эрозионное происхождение.

Кроме поверхностных дефектов, опасными повреждениями стенок труб, которые могут стать причиной аварий на промышленных трубопроводах, являются [2,14] технологические дефекты (расслоения, трещины, закаты и т.п.) и различные дефекты сварных швов.

Иногда причинами разрушения трубопроводов служат обстоятельства, которые, как и появление локальных дефектов стенок труб, невозможно предусмотреть на стадии проектирования промышленной трубопроводной системы. Это, прежде всего, отклонения от стандартов при строительстве и ненормативные нагрузки на трубопроводы в процессе их эксплуатации. Например, для подземных участков магистральных трубопроводов ненормативными нагрузками, которые могут привести к аварии, являются неконтролируемые подвижки грунтов (карстовые провалы, бугры пучения, оползни и т.п.) и механическое воздействие землеройной техники, как на сам трубопровод, так и на окружающий его грунтовой массив.

За последние годы, непрерывно развивающиеся методы и средства технической диагностики [14,17] достигли уровня, позволяющего получить объективную информацию, как по фактическому пространственному положению трубопровода, так и по геометрии и расположению имеющихся дефектов стенок труб. Причем, эти средства продолжают интенсивно совершенствоваться.

Вместе с тем, традиционные методики расчетной оценки НДС трубопроводных конструкций, базирующиеся на упрощенных методах сопротивления материалов и строительной механики [4,18-25 и др.], не позволяют провести адекватный анализ прочности промышленных трубопроводных систем с требуемой на сегодняшний день точностью. Прежде всего, это касается анализа функционирующих трубопроводных систем, имеющих участки с локальными дефектами стенок труб и испытывающих в процессе эксплуатации действие многих, в том числе и ненормативных, нагрузок. Применение традиционных методик для анализа состояния таких систем может привести к серьезным ошибкам не только в оценках количественных значений показателей прочности, но и дать неверную качественную картину НДС трубопроводов.

С другой стороны, современный уровень развития численных методов механики сплошных сред и вычислительных мощностей компьютерной техники дают возможность выработки новых подходов к анализу состояния конструкций промышленных трубопроводов, позволяющих разработать высокоточные вычислительные технологии оценки прочности данных конструкций с учетом всех вышеуказанных факторов.

Учитывая отмеченные выше обстоятельства, сложившиеся на современном этапе в отраслях российской промышленности, связанных с транспортировкой опасных жидкостей и газов по трубопроводным системам, разработка и реализация таких высокоточных вычислительных технологий для широкого применения при анализе состояния трубопроводов имеет несомненную практическую ценность.

Целью работы являются разработка и реализация нового научного подхода к анализу прочности промышленных трубопроводных систем, базирующегося на применении современных методов вычислительной механики и позволяющего оценивать безопасность каждого участка трубопровода с требуемой на сегодняшний день точностью.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые предложен и научно обоснован подход к повышению безопасности промышленных трубопроводных систем с использованием методов численного прочностного анализа. В отличие от широко применяемых в настоящее время методов анализа прочности трубопроводов ТЭК, он предусматривает: проведение численного анализа сложного нелинейного напряженно-деформированного состояния трубопроводов с минимальными упрощениями их конструкции при моделировании; оценку их прочности по результатам прямого математического моделирования разрушения исследуемых трехмерных участков трубопроводов; научно-обоснованное определение параметров их безопасной эксплуатации. При этом учитывается, что трубопроводы находятся в условиях действия многофакторного нагружения при номинальных и аварийных режимах их эксплуатации.

2. В рамках предложенного научного подхода впервые разработана технология численного прочностного анализа промышленных трубопроводных систем для выявления аварийно- опасных участков трубопроводов и их ранжирования по срокам ремонта или замены с целью повышения безопасности производственных объектов ТЭК. Данная технология базируется на анализе трубопроводной системы как пространственной конструкции, напряженно-деформированное состояние которой определяется в результате численного решения системы дифференциальных уравнений равновесия Навье в трехмерной нелинейной постановке при заданных граничных условиях, отражающих реальное поведение конструкции трубопроводов при их эксплуатации. Для решения системы уравнений Навье применяется классический метод конечных элементов.

Численный анализ напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем проводится поэтапно. Каждый этап численного анализа характеризуется использованием одного типа конечно-элементных моделей трубопроводов (при численном анализе последовательно исследуются балочные, оболочечные и объемные конечно-элементные модели трубопроводов). При этом результаты расчета предшествующего этапа численного анализа используются для формирования граничных условий на последующем этапе.

3. Разработан и научно обоснован новый метод численного моделирования нелинейного взаимодействия подземного трубопровода и окружающего его грунта, позволяющий с высокой точностью определять реальное состояние подземных участков промышленных трубопроводных систем при анализе их безопасности. Согласно данному методу грунт, окружающий подземный участок трубопровода, рассматривается как трехмерная упруго-идеальнопластическая среда с критерием текучести Друккера-Прагера. Для общего случая трехмерного напряженно-деформированного состояния получены соотношения связи параметров поверхности текучести Друккера-Прагера с характеристиками физико-механических свойств грунта. Предложена и использована при численном анализе прочности подземных трубопроводов новая модификация классического критерия Друккера-Прагера с оптимальной поверхностью текучести. Соотношения связи параметров оптимальной поверхности текучести Друккера-Прагера с характеристиками физико-механических свойств грунта получены в аналитическом виде для построения высокоэффективных алгоритмов численного анализа.

4. Разработана и научно обоснована технология прямого численного моделирования аварийного разрушения трубопроводных систем при анализе их безопасности. Разработанная технология базируется на численном решении методом конечных элементов дифференциальных уравнений динамики деформируемого твердого тела в трехмерной нелинейной постановке с заданными начальными и граничными условиями, описывающими поведение трубопроводных конструкций при аварийных нагрузках. Предложен алгоритм моделирования разрушения трубопроводов. Согласно разработанному алгоритму, в течение решения на каждом временном шаге для всех участков трубопроводной конструкции проверяются условия выполнения континуальных критериев разрушения. В случае выполнения данных условий считается, что соответствующий элемент конструкции теряет способность нести нагрузку и его характеристики исключаются при формировании матрицы жесткости на следующем временном шаге.

5. Предложен и научно обоснован метод определения параметров полуэмпирических моделей взаимодействия трубопровода с грунтом по результатам численного моделирования трехмерного нелинейного напряженно-деформированного состояния грунта при смещении в нем трубопровода. При известных характеристиках физико-механических свойств грунта разработанный метод позволяет определять его обобщенный коэффициент касательного сопротивления, оценивать сверху предельное сопротивление сдвигу и отказаться от трудоемких и дорогостоящих натурных экспериментов.

6. С помощью разработанных подхода, технологий и методов получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о состоянии систем промышленных трубопроводов в условиях эксплуатации. К таким результатам относятся: расчетнье оценки несущей способности участков трубопроводов с учетом их многофакторного нагружения и данных технической диагностики; определение расчетных значений величины разрушающих нагрузок для каждого участка; обоснованное назначение безопасных параметров эксплуатации трубопроводов с учетом их фактического технического состояния, требуемой производительности и необходимых нормативных запасов прочности; определение необходимости, сроков и периодичности технической диагностики участков трубопроводов; ранжирование участков трубопроводов по степени их опасности и разработка экономически эффективных планов их замены и ремонта.

Практическая ценность работы. Описанные выше подход, технологии и методы были реализованы автором диссертации в виде расчетных блоков вычислительной технологии «PipEst» для комплексной оценки состояния сложных трубопроводных систем. Предложенная вычислительная технология активно используется для решения практических задач ТЭК как в России, так и за рубежом. С ее помощью: получены достоверные оценки состояния десятков дефектных участков газопроводов, находящихся в условиях многофакторных воздействий; установлены причины и механизмы развития более десяти аварий, произошедших в России и Западной Европе; проводились экспертизы Деклараций безопасности объектов газовой промышленности и т.д. Рассматриваемые программно-математические комплексы и вычислительные технологии успешно применялись при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», АК «Транснефть», ВНИИГАЗ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, Госгортехнадзора РФ, компании «PIPETRONIX» (Германия), Сандийских Национальных Лабораторий

США), Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия), Математического института Словацкой Академии Наук и другие. На базе вычислительной технологии «PipEst» при непосредственном участии автора диссертации, разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS». В декабре 2002 года она сдана в производственную эксплуатацию в международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия) в качестве основного производственного инструмента для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологичности.

Достоверность изложенных в диссертации основных положений обеспечивается: научным обоснованием адекватности разработанных математических моделей моделируемым реальным объектам и процессам; обоснованием применимости и эффективности методов численного анализа разработанных моделей; многочисленными результатами натурных и численных экспериментов; многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации подхода, технологий и методов при анализе реальных номинальных и аварийных режимов работы различных объектов ТЭК как в России, так и за рубежом.

Предлагаемые новые подход, технологии, методы и результаты их применения, направленные на повышение безопасности промышленных трубопроводных систем, выносятся на защиту в виде основных научных положений диссертации, принадлежащих лично автору диссертации:

1) научный подход к повышению безопасности промышленных трубопроводных систем с использованием методов численного прочностного анализа, предусматривающий проведение численного анализа сложного нелинейного напряженно-деформированного состояния трубопроводов (с минимальными упрощениями их конструкции при моделировании), оценку их прочности по результатам прямого математического моделирования разрушения исследуемых трехмерных участков трубопроводов и определение параметров их безопасной эксплуатации;

2) технология численного прочностного анализа промышленных трубопроводных систем для выявления аварийно-опасных участков трубопроводов и их ранжирования по срокам ремонта или замены с целью повышения безопасности производственных объектов ТЭК, предусматривающая последовательное построение и численный анализ балочных, оболочечных и объемных конечно-элементных моделей трубопроводов с учетом взаимосвязанных граничных условий;

3) модификация классического критерия Друккера-Прагера, основанная на научно-обоснованном аналитическом построении оптимальной поверхности текучести для повышения точности и эффективности алгоритмов численного прочностного анализа трубопроводных систем;

4) метод численного моделирования нелинейного взаимодействия подземного трубопровода и окружающего его грунта с использованием новой модификации классического критерия Друккера-Прагера;

5) метод определения параметров полуэмпирических моделей взаимодействия трубопровода с грунтом по результатам численного моделирования трехмерного нелинейного напряженно-деформированного состояния грунта при смещении в нем трубопровода;

6) результаты исследований реальных промышленных трубопроводных систем с целью повышения их безопасности.

Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю - заместителю главного конструктора РФЯЦ-ВНИИЭФ, руководителю Центра вычислительных технологий механики ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», кандидату физико-математических наук Селезневу Вадиму Евгеньевичу - за формирование на протяжении многих лет научного мировоззрения автора, постоянное внимание к его работе, поддержку, научные консультации и практическую помощь при определении направлений научных исследований, положенных в основу диссертации.

Автор благодарит за внимание к его работам, связанным с темой диссертации, научные консультации и практические советы главного конструктора РФЯЦ-ВНИИЭФ, директора ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ» Клишина Геннадия Семеновича и член-корреспондента РАН, академика РАРАН, директора РФЯЦ-ВНИИЭФ, доктора физико-математических наук Илькаева Радия Ивановича

Автор благодарит Первого заместителя директора института теплоэнергетики и технической физики МЭИ (ТУ), заведующего кафедрой ТЭС МЭИ, доктора технических наук профессора Седлова Анатолия Степановича, доктора технических наук профессора кафедры ТЭС МЭИ Тимошенко Николая Иосифовича, заместителя заведующего кафедрой ТЭС МЭИ, заведующего НИЛ ГтиПГ ТЭС, доцента кандидата технических наук Бурова Валерия Дмитриевича и доктора технических наук профессора кафедры ИТ МЭИ Кузма-Кичту

Юрия Альфредовича за внимание к его работе и научные дискуссии по теме диссертации.

Автор благодарит за сотрудничество и практическую помощь при проведении работ член-корреспондента РАН, советника Председателя ОАО «ГАЗПРОМ», доктора технических наук профессора Гриценко Александра Ивановича, руководителя НТЦ «Ресурс газопроводов», доктора технических наук профессора Харионовского Владимира Васильевича.

Автор благодарит за сотрудничество и поддержку разработок директора ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», доктора технических наук Сидорова Вячеслава Ивановича и заведующего отделом ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», доктора технических наук Лисанова Михаила Вячеславовича.

Автор благодарит за сотрудничество и поддержку разработок своих иностранных коллег директора Математического института Словацкой Академии Наук, доктора физико-математических наук профессора Анатолия Двуреченского, ученого секретаря Математического института Словацкой Академии Наук, доктора Карола Немогу, профессора физико-математического факультета Братиславского университета им. Комениуса Рудольфа Хайоши, директора газотранспортной компании SPP-DSTG (Словакия) инженера Иозефа Титку, директора Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия), профессора Михаэля Кренинга, главного специалиста по моделированию компании SPP-DSTG инженера Яна Марко.

Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам Фотину Сергею Валентиновичу, Кобякову Вячеславу Владимировичу и Дикареву Константину Игоревичу за сотрудничество и поддержку.

20

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

СОКРАЩЕНИЙ

АЭС - атомная электростанция;

ГПА - газоперекачивающий агрегат на КС;

ГРС - газораспределительная станция;

КС - компрессорная газоперекачивающая станция;

КЭ-модель - конечно-элементная модель;

КЭ-сетка - конечно-элементная сетка;

ЛПУ МГ- линейное производственное управление магистральными газопроводами; ЛЧМГ-линейная часть магистральных газопроводов; МГ - магистральный газопровод; МДТТ - механика деформируемого твердого тела; МКЭ - метод конечных элементов; НДС - напряженно-деформированное состояние; ТЭК - топливно-энергетический комплекс.

Символьные обозначения, применяемые в формулах, оговариваются особо в каждой Главе диссертации.

ВЫВОДЫ

1. Впервые разработан, обоснован и верифицирован на тестовых и производственных задачах подход к повышению безопасности промышленных трубопроводных систем с использованием методов численного прочностного анализа. Он предусматривает: проведение численного анализа сложного нелинейного напряженно-деформированного состояния трубопроводов с минимальными упрощениями их конструкции при моделировании, включая геометрию дефектов стенок труб; оценку их прочности по результатам прямого математического моделирования разрушения исследуемых трехмерных участков трубопроводов; определение параметров их безопасной эксплуатации. При этом учитывается, что трубопроводы находятся в условиях действия многофакторного нагружения при номинальных и аварийных (включая пожар) режимах их эксплуатации.

2. В рамках предложенного научного подхода впервые разработана и внедрена технология численного прочностного анагиза промышленных трубопроводных систем для выявления аварийно опасных участков трубопроводов и их ранжирования по срокам ремонта или замены с целью повышения безопасности производственных объектов ТЭК. Данная технология предусматривает анализ трубопроводной системы как пространственной конструкции, напряженно-деформированное состояние которой определяется в результате численного решения системы дифференциальных уравнений равновесия Навье в трехмерной нелинейной постановке при заданных граничных условиях, отражающих поведение трубопроводов при их эксплуатации. Для решения системы уравнений

Навье применяется классический метод конечных элементов. Численный анализ напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем проводится поэтапно. Каждый этап численного анализа характеризуется использованием одного типа конечно-элементных моделей трубопроводов (при численном анализе последовательно исследуются балочные, оболочечные и объемные конечно-элементные модели трубопроводов). При этом результаты расчета предшествующего этапа численного анализа используются для формирования граничных условий на последующем этапе. Технология предназначена для применения при анализе безопасности промышленных трубопроводных систем, находящихся под действием квазистатических эксплуатационных нагрузок и температурных перепадов до трехсот градусов Цельсия: магистральных газо- и нефтепроводов; паропроводов ТЭС; теплотрасс; бензинопроводов; водопроводных систем.

3. Разработан и научно обоснован новый метод численного моделирования нелинейного взаимодействия подземного трубопровода и окружающего его грунта, позволяющий с высокой точностью определять реальное состояние подземных участков промышленных трубопроводных систем при анализе их безопасности. Согласно разработанному методу грунт, окружающий подземный участок трубопровода, рассматривается как трехмерная упруго-идеальнопластическая среда с критерием текучести Друккера-Прагера и моделируется объемными конечными элементами. Для общего случая трехмерного напряженно-деформированного состояния получены соотношения связи параметров поверхности текучести Друккера-Прагера с характеристиками физико-механических свойств грунта. Предложена и использована при численном анализе прочности подземных трубопроводов модификация классического критерия Друккера-Прагера с оптимальной поверхностью текучести. Данная модификация базируется на анализе физических закономерностей поведения реальных грунтов при умеренных статических нагрузках и позволяет получать более точные результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния подземного трубопровода для всего диапазона физико-механических свойств грунта. Соотношения связи параметров оптимальной поверхности текучести Друккера-Прагера с характеристиками физико-механических свойств грунта получены в аналитическом виде, что позволяет построить высокоэффективные алгоритмы численного анализа.

4. Разработаны и реализованы алгоритмы автоматизации процедур численного прочностного анализа трубопроводных систем: алгоритмы автоматизированного построения расчетных конечно-элементных моделей трубопроводных систем (включая пространственную геометрию дефектов стенок труб по данным технической диагностики); алгоритмы моделирования нагрузок; алгоритмы моделирования граничных условий. Для оболочечных и объемных конечно-элементных моделей разработан алгоритм формирования и автоматизированного моделирования граничных условий по результатам анализа балочных конечно-элементных моделей. На этапе анализа объемных конечно-элементных моделей разработан алгоритм итерационной процедуры определения расчетного разрушающего давления для дефектного участка трубопровода. Все разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для использования в лицензионной универсальной компьютерной программе «ANSYS» (США).

5. Разработана, научно обоснована и внедрена технология прямого численного моделирования аварийного разрушения трубопроводных систем при анализе их безопасности. Разработанная технология базируется на численном решении дифференциальных уравнений динамики деформируемого твердого тела в трехмерной нелинейной постановке с заданными начальными и граничными условиями, описывающими поведение трубопроводных конструкций при аварийных нагрузках. Решение проводится методом конечных элементов. Разработан и реализован для практического применения алгоритм моделирования разрушения трубопроводов. Согласно разработанному алгоритму, в течение решения на каждом временном шаге для всех участков трубопроводной конструкции проверяются условия выполнения континуальных критериев разрушения. В случае выполнения данных условий считается, что соответствующий элемент конструкции теряет способность нести нагрузку и его характеристики исключаются при формировании матрицы жесткости на следующем временном шаге. Использование этого алгоритма при анализе безопасности промышленных трубопроводных систем позволяет проводить прямое моделирование разрушения и фрагментации на осколки трубопровода, а также получать исходные размеры, форму, начальные скорости и направление движения осколков.

6. Предложен, обоснован и реализован для практического применения метод определения параметров полуэмпирических моделей взаимодействия трубопровода с грунтом по результатам численного моделирования трехмерного нелинейного напряженно-деформированного состояния грунта при смещении в нем трубопровода. При известных характеристиках физико-механических свойств грунта разработанный метод позволяет определять его обобщенный коэффициент касательного сопротивления с погрешностью менее 1%, оценивать сверху предельное сопротивление сдвигу (с погрешностью около 15%) и сократить дорогостоящие натурные эксперименты.

7. Получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о состоянии систем промышленных трубопроводов в условиях эксплуатации: расчетные оценки несущей способности участков трубопроводов с учетом их многофакторного нагружения и данных технической диагностики; определение расчетных значений величины разрушающих нагрузок для каждого участка; обоснованное назначение безопасных параметров эксплуатации трубопроводов с учетом их фактического технического состояния, требуемой производительности и необходимых нормативных запасов прочности; определение необходимости, сроков и периодичности технической диагностики участков трубопроводов; ранжирование участков трубопроводов по степени их опасности и разработка экономически эффективных планов их замены и ремонта.

8. Высокая точность результатов, получаемых с использованием вычислительной технологии и методов, предложенных в диссертации, подтверждена экспериментально в результате решения многих практических задач в области повышения безопасности трубопроводных систем. Сравнительный анализ результатов расчетов с данными натурных гидроиспытаний магистральных трубопроводов с коррозионными дефектами свидетельствует, что во всех случаях расчетная величина разрушающего давления отличается от замеренной в экспериментах не более чем на 5%.

1. Стратегия развития газовой промышленности России. / Под общ. ред. Вяхирева Р.И., Макарова А.А. -М.: Энергоатомиздат, 1997. -344с.

2. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 288с.

3. Вяхерев Р.И. Газовая промышленность на пороге XXI века. / В кн.: Юбилейный сборник научных трудов: 50 лет газопроводу Саратов Москва. Т.1. М.: РАО «Газпром», ВНИИГАЗ, ИРЦ «Газпром», 1996, с. 93-99.

4. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 52с.

5. Новая Энергетическая стратегия России. М.: Атомиздат, 1995. - 236с.

6. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989. - 679с.

7. Drysdale D. An Introduction to Fire Dynamics. New York: John Wiley and sons, 1988. -462c.

8. Erdgas und Klimat Methanemissionen aus deutscher Sicht Thomas Eimermacher, Ruhrgas AG, Essen. / перевод на русский язык в информационно-аналитическом сборнике (ИРЦ Газпром) «Зарубежная информация» №3, 1998, с.29-36.

9. Котляревский В.А. и др. Безопасность резервуаров и трубопроводов. М.: Экономика и информатика, 2000. - 555с.

10. Гетман А.Ф. Концепция безопасности «течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления атомных станций. М.: Энергоатомиздат, 1999. - 258с.

11. Бобков А.С. и др. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности. М.: Химия, 1998. -400с.

12. Киселевский В.Н. Прочность конструкционных материалов ядерных реакторов. -Киев: Наукова Думка, 1990. 168 с.

13. True W. Regulatory actions loom for US pipelines in 2001. // Oil & Gas J., Vol. 99, № 1, Jan. 1,2001, p. 70-71.

14. Шумайлов А.С. и др. Диагностика магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1992. -251с.

15. Канайкин В.А., Мирошниченко Б.И., Патраманский Б.В. Итоги работ по внутритрубной диагностике объединения «Спецнефтегаз» в 1997г. // В сб.: Восьмая международная деловая встреча «Диагностика-98», г.Сочи, апрель 1998, с. 224-232.

16. Мокроусов С.Н. О состоянии технической безопасности магистральных нефтепродуктопроводов. // Безопасность трубопроводов. Доклады международной конференции. 17-21 сентября 1995. ИАЭ, М., 1995, с. 12-21.

17. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. / Под ред. Клюева В.В. М.: Машиностроение, 1995. - 488с.

18. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 525с.

19. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1982. - 344с.

20. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов. / Под ред. Дерцакяна А.К. Л.: Недра, 1977. - 519с.

21. Бородавкин П.П., Синюков А.М. Прочность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1984.-286с.

22. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

23. Костовецкий Д.Л. Прочность трубопроводных систем энергетических установок. -Л.: Энергия, 1973.-264 с.

24. Аксельрад Э.Л., Ильин В.П. Расчет трубопроводов. Л.: Машиностроение. 1972. -240с.

25. СНиП 2.04.12-86. Расчет на прочность стальных трубопроводов. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.-14с.

26. ANSI/ASME B31G. Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines, ASME, New York, 1984.

27. CAN3-Z183-M86. Oil Pipeline Systems. National Standard of Canada, CSA, Rexdale, Ontario, 1986.

28. Kiefner J.F., Vieth P.H. A Modified Criterion for Evaluating the Remaining Strength of Corroded Pipe. // AGA Pipeline Research Committee, report PR 3-805, 1989. 78p.

29. O'Grady T.J., Hisey D.T., Kiefner J.F. Pressure calculation for corroded pipe developed. // Oil & Gas J., No 42, 1992, p. 64-68.

30. Colquhon I., Menendez A., Dovico R. Method yields safety factor for in-line inspection data. // Oil & Gas J., Vol.96, No. 38, 1998, p. 34-36.

31. Boreman D., Wimmer В., Leewis K. Repair Technologies for Gas Transmission Pipelines. // Pipeline & Gas J., March issue, 2000, p.31-36.

32. Kiefner J.F., et al. Continued Validation of RSTRENG. // PR-218-9304, Number L51749, Pipeline Research Council International, Inc. (PRCI) Pipeline Technology Catalog, October 9, 2001.-150p.

33. Полозов В. А. Критерии опасности повреждений магистральных газопродуктопроводов. //Газовая промышленность, № 6, 1998, с. 13-14.

34. Димов Л.А. Методика оценки опасности дефектов для магистральных трубопроводов. // Газовая промышленность, № 3,2000, с. 41 -44.

35. Березин Л.Б. Прогнозирование коррозионного износа трубопровода. // В научно-техническом сб.: «Транспорт и подземное хранение газа», №5, 2000. М.: ИРЦ Газпром, с. 23-35.

36. Хажинский Г.М., Павловский Б.Р. Новая модель оценки прочности труб с коррозионными дефектами. // Газовая промышленность, №11, 2000, с. 51-53.

37. Инструкция по освидетельствованию, отбраковке и ремонту труб в процессе эксплуатации и капитального ремонта линейной части магистральных газопроводов. -М., ВНИИГАЗ,1991. 12с.

38. Рекомендации по оценки работоспособности участков газопроводов с поверхностными повреждениями. М., ВНИИГАЗ, 1996. - 8с.

39. Методические рекомендации по количественной оценке состояния магистральных газопроводов с коррозионными дефектами, их ранжирование по степени опасности и определение остаточного ресурса. ВРД 39-1.10-004-99. М.: ИРЦ Газпром, 2000. - 52с.

40. Работнов Ю.Н. Введение в механику разрушения. М.: Наука, 1987. - 80с.

41. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упруго-пластического разрушения. М.: Наука,1985.-416с.

42. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. - 712с.

43. Седов Л.И. Механика сплошной среды. В двух томах. М.: Наука, 1983.

44. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. М.: Высшая школа, 1974. - 201с.

45. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984. - 832с.

46. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. - 349с.

47. Галлагер Р. Метод конечных элементов. -М.: Мир, 1984. 428с.

48. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 542с.

49. Batoz J.L., Bathe K.J, Но L.W. A Study of Three-Node Triangular Plate Bending Element. //Inter. J. Numerical Methods in Engineering, Vol. 15, 1980, p. 1771-1812.

50. Победря Б.Е. О критериях разрушения структурно-неоднородных материалов. / В сб.: «Пластичность и разрушение твердых тел», серия: Прочность и вязкоупругопластичность, АН СССР, М.: Наука, 1988, с. 170-174.

51. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. -М.: Машиностроение, 1968. 192с.

52. Жуков А.М., Работнов Ю. Н. «Исследование пластических деформаций стали при сложном нагружении». // Инженерный сборник, т. XVIII, 1954.

53. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. М.: Недра,1986. 224с.

54. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. В двух томах. М., Физматгиз, 1960.

55. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. -М.: Наука, 1990. -272с.

56. Прочность и деформируемость горных пород. Под общ. ред. Фадеева А.Б. М.: Недра, 1979. - 269с.

57. Цитович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. - 288с.

58. Определяющие законы механики грунтов. / Сб. статей серии «Механика: Новое в зарубежной науке», под ред. Ишлинского А.Ю., Черного Г.Г., выпуск №2 М: Мир, 1975.-231с.

59. Черный Г.И. Изменения физико-механических свойств грунтов при динамических нагрузках. Киев: Наукова думка, 1979. - 132с.

60. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М: Недра, 1979. -301.

61. Ершов Л.В. и др. Механика горных пород. М.: Недра, 1987. - 192с.

62. Глушихин Ф.П. и др. Моделирование в геомеханике. М.: Недра, 1991. - 240с.

63. Николаевский В. Н. Механика пористых и трещиноватых сред. М.: Недра, 1984. -232с.

64. Малышев М.В., Болдырев Г.Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты. М: АСВ, 2000.-319с.

65. Вовк А.А. и др. Деформирование сжимаемых сред при динамических нагрузках. -Киев: Наукова думка, 1971. 176с.

66. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. М.: Высшая школа, 1989.-239с.

67. Вовк А.А., Черный Г.И. Взрывные работы в горных породах. Киев: Техшка, 1973. -164с.

68. Drucker D.C., Prager W. Soil mechanics and plastic analysis or limit design. // Quarterly of Applied Mathematics, 10, №2, 1952, p. 157-165.

69. СПиП II-9-78. Инженерные изыскания для строительства.

70. Клюшников В.Д. Математическая теория пластичности. М.: Издательство МГУ, 1979.-208с.

71. Theory Reference, Release 5.7. Edited by Kohnke P., Number 001369, ANSYS, Inc., 2001. 1266 p. Лицензия ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ» №24563/102833.

72. Bishop A.W. Shear strength parameters for undisturbed and remolded soil specimens. / Stress-strain behavior of soils, Proceeding of the Roscoe Memorial Symposium, Cambridge University, 1972, p. 3-58, 134-139.

73. Roscoe К. H., Burland J.B. On the generalised stress-strain behavior of "wet" clay. In: "Engineering", 1968.

74. Новожилов B.B., Кадашевич Ю.И. Микронапряжения в конструкционных материалах. Л.: Машиностроение, 1990. - 223с.

75. Klishin G.S., Seleznev V.E., Aleshin V.V. ANSYS and LS-DYNA software: new quality for pipelines' estimation. Lecture (paper) II.3.1. // 17. CAD-FEM Users' Meeting (October 6-8 1999, Sonthofen (Allgau), Germany).

76. Seleznev V.E., Klishin G.S., Aleshin V.V. FLOTRAN software implementation for natural gas outflow simulation at the objects of gas industry. Lecture (paper) 1.2.10. // 17. CAD-FEM Users' Meeting (October 6-8 1999, Sonthofen (Allgau), Germany).

77. Aleshin V.V., Klishin G.S., Seleznev V.E., Yatsevich S.V. ANSYS as a resource for inline inspection perfection. Lecture (paper) II.1.6. // 17. CAD-FEM Users' Meeting (October 6-8 1999, Sonthofen (Allgau), Germany).

78. Клишин Г.С., Селезнёв B.E., Алёшин B.B., Худов А.Н., Самсонов Е.Ю. Методы оценки состояния трубопроводов с помощью комплексного численного моделирования по данным технической диагностики. // Новые технологии 21 век, №2, 1999, с.41-43.

79. Седых А.Д., Дедиков Е.В., Гриценко А.И., Харионовский В.В., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В. Методы оценки состояния трубопроводов по результатам диагностики.//Газовая промышленность №8, 1998, с.58-60.

80. Дедиков Е.В., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В., Харионовский В.В., Курганова И.Н. Расчет прочности криволинейных трубопроводов с эрозионными дефектами. // Газовая промышленность №2, 1999, с.31-33.

81. Седых А.Д., Галицкий Ю.В., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В., Яцевич

82. С.В. Численное моделирование для совершенствования дефектоскопии. // Газовая промышленность, №7, 1999, с.44-45.

83. Дедиков Е.В., Маркелов В.А., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В. Расчет прочности технологических трубопроводов КС. // Газовая промышленность, №8, 1999, с.31-33.

84. Дедиков Е.В., Маркелов В.А., Клишин Г.С., Перетрухин С.Ф., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В. Моделирование выбросов и утечек природного газа. // Газовая промышленность, №1, 2000, с.6-7.

85. Алёшин В.В., Селезнёв В.Е., Клишин Г.С., Жеков К.Н. Анпилов В.Н. Практическая технология комплексной оценки состояния трубопроводов. // САПР и графика, №7,1999, с.58-62.

86. Алёшин В.В., Клишин Г.С., Перетрухин С.Ф., Селезнёв В.Е., Яцевич С.В. Анпилов В.Н., Жеков К.Н. Программный комплекс ANSYS и совершенствование технологии внутритрубной магнитной дефектоскопии. // Техника машиностроения, №2,2000, с. 48-51.

87. Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В., Седых А.Д., Гриценко А.И., Щеголев

88. Дедиков Е.В., Клишин Г.С., Селезнёв В.Е., Алёшин В.В., Худов А.Н. Оценочный анализ осколочного поражения на газопроводах. // Газовая промышленность, №10, 2000, с.52-53.

89. Харионовскин В.В., Степанов И.В. , Клишин Г.С., Селезнев В.Е., Алешин В.В.

90. Сильфонные компенсаторы для снижения напряжений в трубопроводах ГРС. // Газовая промышленность, №1, 2001, с.22-23.

91. Илькаев Р.И., Мущинкин А.З., Клишин Г.С., Селезнев В.Е., Алешин В.В.

92. Численный анализ состояния технологических трубопроводов КС. // Газовая промышленность, №4, 2001, с.31-33.

93. Дедиков Е.В., Щеголев И.Л., Харионовский В.В., Клишин Г.С., Селезнев В.Е., Алешин В.В., Фотин С.В. Совершенствование методов численного анализа прочности трубопроводов. // Газовая промышленность, №6, 2001, с.56-58.

94. Дедиков Е.В., Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алешин В.В. Моделирования выбросов природного газа в атмосферу. // Газовая промышленность, №13, 2000, с.65-67.

95. Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алёшин В.В., Худов А.Н., Дедиков Е.В. Методы математического моделирования для анализа риска теплового поражения при авариях на трубопроводах. // Газовая промышленность, 1998, №10. с. 17-19.

96. Клишин Г.С., Перетрухин С.Ф., Селезнёв B.E., Алёшин В.В., Перетрухин С.С., Худов А.Н., Самсонов Е.Ю., Яцевич С.В., Фотин С.В., Артюшина JI.A., Прялов

97. Степанов И.В. Повышение устойчивости трубопроводов компрессорных и газораспределительных станций на основе компенсационных устройств. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ВНИИГАЗ, Москва, 2000.

98. LS-DYNA Theoretical Manual, Livermore Software Technology Corporation. Compiled by Hallquist J. May1998.

99. Степанов M.H. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1985. -232с.

100. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Клишин Г.С. Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем. М.: Едиториал УРСС, 2002. - 448 с.

101. Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алешин В.В. Математический анализ газовой опасности при выбросах природного газа. П Инженерная экология, 2000, №5, с.29-36.

102. Алешин В.В., Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Фотин С.В., Дедиков Е.В., Щеголев И.Л., Харионовский В.В. Совершенствование методов численного анализа прочности трубопроводов. // Газовая промышленность, 2001, №6, с.56-58.

103. Алёшин В.В., Селезнев В.Е. Математическое моделирование сложного НДС грунтов. // Наука и техника в газовой промышленности, 2002, №3, с.6-11.

104. Селезнев В.Е., Алёшин В.В., Кобяков В.В. Численное моделирование процесса образования и разлета осколков при авариях на газопроводах. // Наука и техника в газовой промышленности, 2002, №3, с.3-5.

105. Seleznev У., Aleshin У., Klishin G., Implementation of numerical simulation for integrated estimation of main gas pipeline states. Papers Book of 11th International Colloquium196

106. Reliability of High-pressure Steel Pipelines» (Prague, Czech Republic) 28 February and 01 March 2002. CzPS, Czech Republic, 2002. - 12p.

107. Aleshin V., Seleznev V. Simulation of soil in ANSYS. // Conference Proceedings of 20 CAD-FEM Users' Meeting 2002 - International Congress of FEM Technology (October 0911, 2002, Friedrichshafen, Germany), Vol.1, Paper 1.5.7. - CAD-FEM, Germany, 2002.

108. ASCE Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems, 1985.