Продолжаем публикацию научной статьи, авторы - Ю. Л. Тарасов, С. Н. Перов, С. Л. Логвинов
Поскольку в общей постановке аналитическое решение задачи статистической динамики для ЛЧМТ оказывается практически не реализуемым, используется численный метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). При этом каждая реализация воздействия на трубопровод получается с учетом взаимного влияния и сочетаемости нагрузок и воздействий различного происхождения. Для каждой реализации нагрузок и воздействий определяется напряженно-деформированное состояние (НДС) в опасных сечениях ЛЧМТ. Обработка полученных данных проводится общепринятыми статистическими методами.
Для оценки надежности необходима информация о том, как влияют условия эксплуатации и конструктивно-технологические факторы на положение границ области допустимых состояний Q0. Информация о влиянии условий эксплуатации (коррозия, нагрев, охлаждение и др.) и конструктивно-технологических факторов (виды сварки, термообработки и др.) на характеристики конструкционных материалов необходима также для обоснованного выбора материалов при проектировании. Это является основой обеспечения заданного уровня надежности.
Параметры, характеризующие область допустимых состояний Q0, являются случайными функциями времени, а с учетом их изменения из-за влияния условий эксплуатации - нестационарными. Поэтому при оценке надежности конструкции необходима информация о том, как влияют условия эксплуатации и технологические факторы на эти параметры. Границы области Q0 устанавливаются экспериментальным путем с использованием методов теории планирования эксперимента.
В процессе эксплуатации трубопровода вследствие воздействия условий эксплуатации, которые характеризуются температурой, давлением, коррозийными факторами, насыщением материала конструкции элементами транспортируемого продукта (водорода, серы и т. д.) происходит изменение границы области Q0 со временем.
В настоящее время существуют два самостоятельных расчета элементов конструкции: на выносливость и прочность. Первый из них - это прогнозирование постепенных отказов в результате длительного действия на конструкцию нагрузок резкого уровня. Второй - прогнозирование внезапных отказов под действием максимальных нагрузок, возникающих при неблагоприятных, но вполне реальных условиях и режимах работы конструкции. Этот вид отказов не связан или слабо связан с продолжительностью работы конструкции.
Для определения вероятности безотказной работы при внезапном отказе рассматривается выброс случайного процесса изменения напряжений , коэффициента интенсивности напряжений К, величины интеграла за стохастический уровень, который из-за влияния условий эксплуатации имеет нестационарный характер.
При постепенном отказе функции надежности вычисляются с использованием кумулятивных моделей, согласно которым основные характеристики поведения системы (длина трещины 1, скорость роста усталостной трещины ) квазимонотонно приближаются к границе допустимой области.
Ниже применительно к схеме, представленной на рис. 3, рассмотрена формализация некоторых основных критериев предельных состояний.
Для элемента конструкции, не имеющего и не допускающего появления трещин при внезапном отказе, за параметры качества системы принимается эквивалентное напряжение а . (/), определяемое по одной из теорий прочности по значениям нормальных а и касательных т напряжений.
Рис.3 - Схема оценки оказателей надёжностей трубопроводов
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Применение предлагаемых методик на этапе проектирования дает возможность обнаружить силовые элементы конструкции с наименьшим уровнем надежности. Кроме того, эти методики позволяют определять нагрузки, действующие на отдельные части конструкции, предельные значения размеров трещин или скорости их распространения в соответствии с заданным уровнем надежности, прогнозировать остаточный ресурс конструкции ЛЧМГ.
Обеспечение надежности и ресурса на этапе проектирования реализуется путем выбора материала элементов конструкции, выбора рациональных конструктивных форм, а также назначением средств защиты от коррозионных воздействий, назначением технологических способов производства, а в случае необходимости принимается решение об использовании средств стабилизации давления в трубопроводных системах [3,4].
Основными из современных средств гашения волновых процессов в трубопроводных системах являются стабилизаторы давления. Они созданы на базе наукоемких технологий, разработанных на ракетно-космических и авиационных предприятиях.
Принцип их работы основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на поток перекачиваемой среды. Наибольший эффект гашения достигается при диссипации энергии пульсаций на перфорационных отверстиях, равномерно распределенных по длине стабилизатора. Гашение реализуется также вследствие демпфирования, обусловленного податливостью упругих элементов стабилизатора, выполненных в виде газовой подушки, камер и сильфонов со стенками из пружинистых и эластичных материалов.
Особенностью стабилизатора давления является то, что он не нарушает формы трубопровода и имеет минимальное гидравлическое сопротивление. Наибольшее распространение получила конструктивная схема стабилизатора в виде участка трубопровода с равномерно распределенной перфорацией, через которую перекачиваемая среда может перетекать из трубопровода в демпфирующую надстройку над перфорированной его частью. На рис. 4 дана типовая схема стабилизатора давления.
Рис. 4. Типовая схема стабилизатора давления
Таким образом, в общем случае стабилизатор давления как специальное включение в трубопроводную систему должен препятствовать распространению возмущения среды вследствие упругодемпфирующего воздействия на поток, приводящего к перераспределению энергии в спектре колебаний, и механического воздействия, вызывающего необратимые потери этой энергии. На рис. 5 представлена типовая диаграмма гашения гидроударов и пульсаций стабилизации давления.
Стабилизаторы давления являются высокоэффективными устройствами для защиты от разрушений трубопроводных систем добычи и транспортировки нефти и газа, поддержания пластового давления и закачки раствора в пласт, слива и налива нефти и нефтепродуктов.
Аварийные ситуации возникают также при работе трубопроводных систем водоснабжения, теплоснабжения. Возникают они при запуске насосных станций на закрытую задвижку, срабатывании обратных клапанов, включении и выключении задвижек в линейной части трубопроводной системы, аварийном отключении электропитания, вызывающем остановку насосных станций.
В системах теплоснабжения теплоноситель перекачивается по замкнутому контуру, поэтому авария на одной насосной станции служит причиной распространения гидроудара по всей трубопроводной сети.
Вибрационные нагрузки увеличивают темпы износа инженерных сетей. В настоящее время их ветхость служит причиной каждой второй аварии на объектах теплоснабжения и каждой третьей на объектах водоснабжения и канализации [5].
В целом на водопроводных сетях ежегодно происходит около 75 тыс. прорывов, отключений и аварий, что сопровождается потерями воды в объеме 10 %...20 %. Износ действующих в России систем водоснабжения превышает 40 % и нарастает с каждым годом - более 1/3 всех водопроводных сетей требует полной замены [4].
Стабилизаторы позволяют существенно снизить динамические нагрузки, действующие на трубопровод и установки, повысить их надежность, долговечность и обеспечить их защиту от разрушений.
Широкий класс стабилизаторов давления для защиты трубопроводов 010... 1200 мм при рабочих давлениях до 26 МПа разработан на базе наукоемких технологий, заимствованных из ракетно-космической техники. Будучи конструктивно простыми, технологичными при изготовлении и монтаже, предлагаемые стабилизаторы обеспечивают гарантированное снижение уровня пульсаций в трубопроводных системах в 8... 10 раз, могут применяться при всех типоразмерах трубопроводов в широком диапазоне рабочего давления, повышая их надежность и долговечность.
Рис. 5. Типовая диаграмма гашения гидроударов и пульсаций стабилизатором давления
Они могут быть внедрены и использованы в магистралях добычи и транспортировки нефти, нефтепродуктов и газа, а также в системах коммунального и промышленного водоснабжения.
Стабилизаторы давления, являясь механическими системами, надежны в работе, конструктивно просты, технологичны при изготовлении и монтаже. Подобные устройства могут применяться при всех типоразмерах трубопроводов (0 10... 1200 мм) в широком диапазоне рабочего давления (до 16МПа).
Стабилизаторы давления позволяют значительно снизить динамические нагрузки, действующие на существующие трубопроводы и установки, повысить их надежность, долговечность, защитить их от разрушения, а также обеспечить необходимый ресурс и надежность на вновь создаваемых трубопроводах.
Уровень надежности и ресурс конструкций трубопроводных систем зависят от их вибросостояния. Высокий уровень вибраций может привести к усталостным разрушениям, к разгерметизации трубопровода и к аварийной ситуации. Наиболее нагруженными являются пусковые газопроводы газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций на режимах пуска, останова и при перегрузках.
В работе [6] приводятся данные о применении виброгасителей из металлорезины (МР), разработанной в Куйбышевском авиационном институте (ныне Самарский государственный аэрокосмический университет) несколько десятилетий назад.
Выбор оптимальных виброгасителей из МР для снижения вибраций в условиях статических и динамических нагрузок газопроводов проводился на модельных экспериментах на вибростенде. Исследования показали, что в диапазоне частот 10...400 Гц наилучшими вибропоглощающими свойствами обладает виброгаситель с пористостью П = 75 % (здесь П = 1-рв/рм, где рм- плотность металла проволоки, из которой сделан виброгаситель; рв - плотность виброгасителя).
Разработанные на основе МР виброгасители устанавливались на участке пускового газопровода. Они позволили снизить уровень вибраций в 6 раз [7].
Изложенная методика оценки вероятности безотказной работы силовых элементов конструкций, разработанная применительно к конструкциям летательных аппаратов и адаптированная к трубопроводным системам, позволит существенно повысить качество проектных разработок и их экономическую эффективность. Использование стабилизаторов давления и вибродемпфирующих опор с виброгасителями из металлорезины позволит существенно снизить уровень эксплуатационных нагрузок, повысить показатели надежности, увеличить долговечность трубопроводных систем.
Список литературы
1. Тарасов Ю. Л., Миноранский Э. И., Дуплякин В. М. Надежность элементов конструкций летательных аппаратов. М.: Машиностроение. 1992. - 223 с.
2. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение. 1990. - 447 с.
3. Аншаков Г. П., Низамов X. Н., Тарасов Ю. Л. и др. Стабилизация давления -средство повышения ресурса и надежности трубопроводных систем. Доклады 2-го межотраслевого семинара «Прочность и надежность нефтегазового оборудования». Москва, 2001.
4. Ганиев Р. Ф., Низамов X. Н., Дербу-ков Е. И. Волновая стабилизация и предупреждение аварий в трубопроводах. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1996. - 258 с.
5. Протасов В. Ф., Молчанов А. В. Экология, здоровье и природопользование в России. М.: Финансы и экономика. 1995. - 523 с.
6. Никишкин В. И., Посягин Б. С. и др. Снижение уровня вибрации газопроводов виброгасителями из металлорезины. В кн.: Доклады участников Международной конференции «Безопасность трубопроводов», ч. 1, Москва. 1995, с. 306-314.
7. Никишкин В. И., Посятин Б. С. и др. Снижение уровня вибрации газопроводов виброгасителями из металлорезины. В кн.: Доклады участников международной конференции «Безопасность трубопроводов», ч. 1, Москва. 1995, с. 306-314.
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.