Ю. Л. Тарасов, С. Н. Перов, С. Л. Логвинов
Самарский государственный аэрокосмический университет
В научно-исследовательских подразделениях Самарского государственного аэрокосмического университета накоплен богатый опыт обеспечения надежности и определения безопасного срока службы силовых элементов конструкций летательных аппаратов.
В настоящей статье в виде распространения этого опыта предлагается описание методики оценки вероятности безотказной работы трубопроводных систем различного назначения, а также описываются конструктивные мероприятия, позволяющие существенно снизить эксплуатационные нагрузки и повысить надежность и долговечность.
При проектировании сложных механических систем, в том числе и трубопроводных, закладывается необходимый уровень надежности - вероятности безотказного функционирования элементов их конструкций в течение заданного срока службы в реальных условиях эксплуатации. При производстве и эксплуатации уровень надежности, заложенный при проектировании, реализуется и расходуется [1].
В работе предложены методы оценки надежности принятых конструкционно-технологических решений при проектировании элементов трубопроводных систем с учетом реальных условий эксплуатации. Согласно предложенной методике оценка вероятности безотказной работы осуществляется с учетом влияния совокупности конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, с одной стороны, а также с учетом стохастического характера эксплуатационных нагрузок и рассеивания характеристик вязкости и прочности элементов конструкции, с другой стороны.
При этом анализируется прочностная надежность силовых элементов конструкций, под которой понимается вероятность отсутствия отказа из-за потери прочности за заданное время эксплуатации изделия.
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Вычислению функции надежности предшествуют три этапа: схематизация системы и внешнего воздействия, решение задачи статистической динамики, выбор области допустимых состояний Q0. Общая схема оценки надежности конструкции представлена на рис. 1.
На этой схеме показано, что при расчете надежности конструкции как сложной системы учитывается возможность постепенных отказов в результате длительного действия на конструкцию нагрузок переменного уровня и внезапных отказов при действии максимальных нагрузок и режимов работы конструкции.
Рис.1 Схема оценки надёжности конструкции
Это учитывается путем схематизации элемента конструкции в виде модели из двух последовательно соединенных фиктивных элементов, под которыми подразумевается реальный силовой элемент, имеющий лишь один вид отказа - внезапный или постепенный. При рассмотрении конструктивной схемы конкретной трубопроводной системы необходимо провести структурный анализ, при котором трубопровод рассматривается как протяженная система, состоящая из однородных участков (по способу прокладки, по грун-тово-геологическим, климатическим и эксплуатационным условиям).
Схематизация конструкции трубопроводной системы представлена на рис. 2.
Задача статистической динамики для линейной части магистрального трубопровода (ЛЧМТ) решается с учетом того, что трубопровод во время эксплуатации испытывает нагрузки и воздействия, которые, в общем случае, представляют собой случайные пространственно-временные функции. Расчетные нагрузки и воздействия на конструкцию трубопровода регламентируются Строительными Нормами и Правилами (СНиП). Учитывая продолжительность сроков эксплуатации трубопроводов и высокую изменчивость нагрузок и воздействий, исходную информацию о нагрузках и воздействиях представим с учетом фактора времени.
Нагрузки и воздействия на трубопровод условно можно разделить на две группы -функциональные и природно-климатические. Данные о типах и уровнях функциональных нагрузок (внутреннем давлении перекачиваемого продукта, регулируемых температурных воздействиях и др.) необходимо принимать в соответствии с проектной документацией и имеющимися статистическими данными. В магистральных нефте- и газопроводах отмечается неустановившийся режим течения нефти или газа. Давление рабочей среды меняется по длине трубопровода и во времени в результате неравномерности потребления и отбора, включения и выключения компрессорных и насосных агрегатов, перекрытия запорных устройств, изменения вязкости перекачиваемого продукта при последовательной перекачке. Волны повышенного и пониженного давления, возникающие при отключении промежуточных перекачивающих станций из-за прекращения подачи электроэнергии, вызывают динамические нагрузки, которые могут вызвать напряжения, превышающие разрушающие напряжения для элементов трубопровода. Это может явиться причиной аварии линейной части трубопровода. При этом срабатывает защита по максимальному и минимальному допустимым давлениям, останавливаются смежные насосные станции. Градиенты давлений при отключении одного насоса промежуточной станции достигают 0,3...0,4 МПа, а при отключении насоса на головной станции 0,6...0,8 МПа.
Рис.2 - Схематизация конструкции.
Параметры природно-климатических нагрузок задаются на основе анализа принятых конструктивных и технологических решений, информации о трассе трубопровода, включающей основные природно-климатические характеристики регионов и физические, механические и математические модели рассматриваемых явлений.
Нагрузки для подземных частей трубопроводов:
- внутреннее давление перекачиваемого продукта;
- температурные нагрузки, вызванные несовпадением эксплуатационной температуры стенок трубопровода и температуры замыкания конструкции при монтаже;
- нагрузки, вызывающие искривление продольной оси трубопровода;
- нагрузки от грунта засыпки.
Нагрузки для надземных трубопроводов, проложенных на свайном основании:
- внутреннее давление перекачиваемого продукта;
- нагрузки от массы конструкции и транспортируемого продукта с учетом режимов эксплуатации;
- дополнительные массовые нагрузки от размещенного оборудования и строительных конструкций;
- нагрузки, вызванные обледенением и налипанием снега;
- температурные нагрузки, вызванные несовпадением условий эксплуатации и монтажа;
- ветровые нагрузки.
Нагрузки при нестандартных условиях, вызванных следующими особенностями трассы трубопровода:
- заболоченные и подтопленные территории;
- территории с подповерхностными пустотами различного происхождения (шахты, карстовые пустоты);
- сейсмоопасные зоны;
- зоны вечномерзлых грунтов;
- оползневые зоны.
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.
Продолжение следует