| Разработка методологии расчета и оценки процессов деформации технологических трубопроводов в условиях снижения несущей способности
Диссертация
Автор: Поляков, Вадим Алексеевич
Название: Разработка методологии расчета и оценки процессов деформации технологических трубопроводов в условиях снижения несущей способности
Справка: Поляков, Вадим Алексеевич. Разработка методологии расчета и оценки процессов деформации технологических трубопроводов в условиях снижения несущей способности : диссертация доктора технических наук : 25.00.19 Москва, 2003 310 c. : 71 04-5/249
Объем: 310 стр.
Информация: Москва, 2003
Содержание:
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
11 Выбор для исследования процесса, сопровождающего работу трубопроводных систем
12 Уравнения движения трубопроводных систем
13 Оценка методик нормирования процессов деформации трубопроводных систем
14 Цели и задачи работы
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ
21 Общее уравнение движения трубопроводной системы с транспортируемым потоком
22 Коэффициенты уравнения движения
23 Анализ уравнения движения в статической постановке
24 Анализ уравнения движения в динамической постановке
25 Общие результаты формализации задачи
ГЛАВА 3 АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ТРУБОПРОВОДОВ
31 Перемещение трубопровода, вызванное возникновением и изменением его начального напряженного состояния
32 Перемещение трубопровода, вызванное изменением температуры по его длине
33 Перемещение трубопровода, вызванное распределенной по внешней поверхности трубы нагрузкой
Введение:
В современном мире трубопроводные системы являются средством коммуникации, связывающим в единый технологический комплекс технические системы в широком диапазоне их назначения, масштаба, стоимости и, следовательно, значения.
Особое значение имеют трубопроводные системы в общей технологической системе добычи, транспорта, хранения и переработки нефти и газа [26]. За период 1999-^2002 годов доля нефти и природного газа в общемировом объеме требуемой энергии составила 63.72^-63.94%. При росте общемирового объема необходимой энергии за указанный период времени на 6.7% рост объема необходимого количества нефти составил 6.1%, природного газа -8.4% [136]. Нефть и газ останутся доминирующим источником энергии и далее [135]. В России по нефтепроводам (АК "Транснефть") транспортируется 99.5% ежегодного объема добываемой сырой нефти [165], по газопроводам (ОАО "Газпром") - 94% общего объема транспортируемого газа [100]. В США трубопроводы транспортируют 100% природного газа и 60% нефти и ее продуктов, потребляемых их экономикой [153]. Доля нефти и природного газа в мировом объеме потребляемой энергии определяет роль трубопроводных систем не только в рамках конкретного технологического процесса, но и (или прежде всего) в мировой экономике и экономике отдельных государств.
Надежность технологической системы транспорта, хранения и переработки нефти и газа во многом зависит от надежности трубопроводных систем [25] в целом и от их технического состояния, в частности. Принципиальной особенностью, влияющей на состояние современной трубопроводной системы, транспортирующей нефть и газ, является тот факт, что совместно с трубопроводами с относительно небольшим сроком эксплуатации (менее десяти лет) эксплуатируется большой объем трубопроводов, находящихся в эксплуатации десятки лет [18,100,115,118]. Продолжающееся строительство трубопроводных систем [169] ведет к увеличению общей протяженности и разветвленности трубопроводных систем, трубопроводных обвязок перекачивающих станций, резервуарных парков, баз и хранилищ и, следовательно, к увеличению объема работ по техническому обслуживанию трубопроводных систем и росту материальных затрат всех видов. Таким образом, в настоящий момент происходит расширение диапазонов изменения параметров, определяющих техническое состояние и технологию обслуживания трубопроводных систем:
• времени эксплуатации трубопроводных систем;
• объема трубопроводных систем.
В свою очередь, это ведет к увеличению и усложнению комплекса проблем, решение которых необходимо для обеспечения надежной эксплуатации трубопроводов.
Трубопроводные системы представляют собой сложный комплекс разных по конструкции и назначению, но связанных выполнением единого технологического процесса механических систем (непосредственно трубопровода, транспортируемого потока, нагнетательных машин, запорной и регулирующей аппаратуры, технологических аппаратов и т.д.). Уровень и характер взаимодействия этих систем устанавливается нормированием надежности [25] в виде системы нормативных документов (например, [107-109]). Поэтому для дальнейшего повышения надежности эксплуатации трубопроводных систем необходимо совершенствование нормативной базы, используемой в процессах проектирования и эксплуатации.
Нормативные документы, обеспечивающие нормативную надежность трубопроводных систем являются практической реализацией существующей на настоящий момент концепции проектирования, сооружения и эксплуатации трубопроводных систем. Формально эта концепция представлена номенклатурой нормируемых показателей надежности [25] и допустимым диапазоном их изменения. Следовательно, повышение (и понижение) уровня надежности должно основываться на изменении номенклатуры нормируемых показателей надежности и диапазона их изменения.
Опыт эксплуатации трубопроводов свидетельствует о том, что нормативная система и, следовательно, существующая концепция проектирования и эксплуатации трубопроводных систем нуждаются в дальнейшем развитии -в совершенствовании их соответствия реальному механическому взаимодействию составляющих трубопроводную систему механических систем [36,100,101,115,118]. Такие факторы, как:
• роль газо- и нефтепроводов в американской экономике;
• общее число инцидентов на газо- и нефтепроводах за последние 15 лет, включая несчастные случаи и повреждения;
• объем связанных с инцидентами на газо- и нефтепроводах материальных потерь, потребовали от США рассмотреть вопрос о необходимости совершенствования системы нормативных документов по проектированию и эксплуатации трубопроводных систем, транспортирующих нефть, газ и продукты их переработки, на самом высоком административном уровне страны [152,153]. Аварии, аварийные ситуации и связанные с ними материальные потери наблюдаются и в системы магистральных трубопроводов (МТ) России, причем во всех ее элементах: на линейной части (ЛЧ), обвязках нефтеперекачивающих станций (НПС) магистральных нефтепроводов (МН) и компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов (МГ), конечных пунктах (терминалах, нефте- и газоперерабатывающих предприятиях) [35,36,100,101,115,116,118, 120].
Нормативные системы проектирования и эксплуатации трубопроводных систем США и России не имеют принципиальных различий в области методик расчета основных количественных характеристик трубопроводов. В основном различие наблюдается в численных значениях параметров [40,134,146,147]. Поэтому совершенствование нормативной системы проектирования и эксплуатации транспортирующих углеводородное сырье трубопроводных систем является общемировой и общетехнической проблемой.
Как отмечено выше, трубопроводные системы являются средством коммуникации. Этот факт определяет:
• широкий спектр их назначений в технике и экономике;
• широкий спектр технологических режимов трубопроводного транспорта (прежде всего, совокупности численных значений давления, плотности, скорости и температуры транспортируемого потока);
• принципиальное разнообразие конструкций (сортамент труб, пространственная геометрия, условия закреплений и соединений, расположение и конструкция технологического оборудования и т.д.);
• широкий спектр условий эксплуатации (воздействий на внешнюю поверхность трубы, изменение условий закрепления и т.д.).
Поэтому в основе количественной оценки технического состояния лежит большой набор параметров с широкими диапазонами изменения и, следовательно, взаимосвязанная с ним система критериальных условий. Поэтому, совершенствование норм - это совершенствование оценки процессов, обеспечивающих и сопровождающих трубопроводный транспорт. Количественно такое совершенствование состоит в расширении набора учитываемых параметров и диапазонов их изменения (например, в учете дополнительных силовых факторов и реальных условий эксплуатации).
Работа трубопроводных систем характеризуется большим числом параметров с широким диапазоном и часто случайным характером их изменения. Принципиальным параметром, влияющим на надежность работы трубопроводных систем, является срок эксплуатации. В частности, влияние срока эксплуатации связано с [17,35,56,115,118,141,145]:
• образованием в материале стенки трубы различного рода и происхождения дефектов (геометрических дефектов, задиров, трещин, расслоений и т.д.);
• развитием в стенке трубы первоначальных и вновь зародившихся дефектов;
• изменением (в сторону ухудшения качеств) защитного покрытия трубы;
• изменением механического взаимодействия трубопроводной системы с внешними факторами (условий закрепления, распределенным по внешней поверхности трубы воздействием и т.д.).
Таким образом, при оценке технического состояния трубопроводных систем необходимо учитывать, что:
• количественно работу трубопроводов характеризуют большое число параметров и широкие диапазоны их изменения;
• число параметров и диапазоны их изменения не являются постоянными во времени. В общем случае со временем происходит изменение числа параметров, диапазонов их изменения, а также степени влияния этих параметров на техническое состояние;
• в настоящее время при проектировании и эксплуатации трубопроводных систем используется нормативная система, сформулированная ранее по времени и, следовательно, для более ограниченных набора параметров и диапазонов их изменения.
Указанные особенности имеют принципиально разное проявление. Так, в частности, принципиальным результатом использования ограниченного набора параметров (и, следовательно, общих формул) является отсутствие возможности учета специфики отдельных трубопроводных систем на стадии проектирования и эксплуатации. Это приводит к появлению различных оценок процессов, характеризующих техническое состояние трубопроводной системы. В результате существуют различные методики обработки статистической информации о причинах аварийных ситуаций на МТ [35,112,115,118,120,137,151,155,156]. Различие выводов, сделанных на основании этой обработки затрудняет совершенствование методик расчета и оценки технического состояния трубопроводных систем. Поэтому задача идентификации и классификации причин разрушения труб и возникновения аварийных ситуаций является важнейшей задачей контроля состояния трубопроводов и анализа их работоспособности [115]. Общие формулы, основанные на ограниченном наборе параметров не позволяют однозначно интерпретировать статистику аварийных ситуаций, не позволяют оценить специфические особенности эксплуатации трубопроводных систем, некоторые важные причины их разрушения. Между тем, именно не учтенные при проектировании и эксплуатации факторы и являются причиной аварии трубопроводной системы.
Естественным следствием такой ситуации является появление работ, направленных на устранение этой неоднозначности. Первый принципиальный подход к решению задачи связан с совершенствование системы технического обслуживания трубопроводных систем в рамках существующей нормативной системы, например, [123,170]. Другой подход состоит в формировании отличных от нормативных наборов параметров и их критериальных выражений и, следовательно, принципиально отличной от нормативной, но параллельной ей, системы технического обслуживания, например, [98,151].
Поэтому задача совершенствования существующей нормативной системы состоит, прежде всего, в:
• определении набора параметров, количественно характеризующих условия работы трубопроводных систем, не учитываемых в существующих нормах;
• в корректном выборе из этого набора параметров, предназначенных для исследования и определяющих условия работы трубопроводной системы с учетом срока ее эксплуатации.
Из всего набора процессов, сопровождающих работу трубопроводной системы, рассмотрим механическое взаимодействие трубопроводной системы и транспортируемого потока. Это взаимодействие:
• является основой идеи трубопроводного транспорта жидкости и газа и определяет исходные значения его параметров [5];
• определяет целесообразность и экономическую эффективность применения трубопроводного транспорта [5,48,57,67];
• происходит во всех системах независимо от их назначения и условий эксплуатации [107-109];
• является до сих пор недостаточно изученным [36,102,115].
Таким образом, для дальнейшего повышения надежности и эффективности эксплуатации трубопроводных систем необходимо:
• расширения набора нормативных параметров и диапазонов их изменения (характеризующих условия работы);
• определение трубопроводных систем, для которых необходимо совершенствовать существующие методики расчета и оценки;
• разработка по результатам исследования новой нормативно-методической базы.
Используемые в работе термины и определения, обозначения и единицы измерения соответствуют [10,22-27,107-109].
Основные положения работы опубликованы в [12,13,15,30,31,42-^-44,53, 75-^79,81-^96,124,160,162,163] и представлены на конференциях:
1. VI Всесоюзная научно-техническая конференция Минхиммаша СССР. Зеленогорск, 17-21 октября 1988 г.
2. Международная конференция "Разработка газоконденсатных месторождений". Краснодар, 29 мая - 2 июня 1990 г.
3. II Всесоюзная научно-техническая конференция "Гидроупругость и долговечность конструкций энергетического оборудования". Каунас, 26-29 июня 1990 г.
4. Республиканская научно-техническая конференция "Диагностика трубопроводов". Кременчуг, Полтавской обл., 2-4 апреля 1991 г
5. Научно-техническая конференция "Автоматизация управления объектами газовой промышленности". Калининград, 16-18 апреля 1991 г.
6. Всесоюзная конференция "Проблемы развития нефтегазового комплекса страны". 4-6 июня 1991 г., пос. Красный Курган Ставропольского края.
7. 2-ая Международная конференция "Контроль качества трубопроводов". Москва, 14-17 октября 1991 г.
8. Научно-техническая конференция "Обеспечение экологической и безопасной эксплуатации газотранспортной системы Украины". Черкассы, 13-15 мая 1992 г.
9. Девятая международная научно-техническая конференция по ком-прессоростроению. Казань, 26-28 мая 1993 г.
10.Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России". Москва, 11-13 октября 1994 г.
11.Первая международная конференция "Энергодиагностика. Проблемы теории и практики". Москва, 4-8 сентября 1995 г.
12.14 Российская конференция "Неразрушающий контроль и диагностика". Москва, 23-26 июня 1996 г.
13.2-я научно-техническая конференция "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России". Москва 22-24 января 1997 г. Секция 3 "Проблемы повышения надежности эксплуатации промышленных объектов транспорта и хранения нефти и газа".
М.Вторая Международная конференция "ЭНЕРГОДИАГНОСТИКА и CONDITION MONITORING". Москва, 12-16 октября 1998 г.
15.XIX Международный тематический семинар "Диагностика оборудования и трубопроводов КС". Калининград, 6-11 сентября 1999 г.
16.Юбилейная Международная Деловая встреча "ДИАГНОСТИКА -2000". Кипр, апрель 2000.
17.IV Международная научно-техническая конференция "Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсо-держащих сред". Оренбург, 18-22 ноября 2002 года.
|
