Динамика морских трубопроводов при струйных и волновых воздействиях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

• I W Vit

- 8 OKT 1996

Российская академия наук Институт Машиноведения им. A.A. Благонравова

На правах рукописи

НТО НЬЯТ ХЫНГ

УДК 622 962.4

ДИНАМИКА МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ СТРУЙНЫХ И ВОЛНОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов

и аппаратуры.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1996

Работа выполнена в институте Машиноведения им. А. А. Благонравова Российской академии наук

Научный руководитель - д.ф~ м.н. БЕРЕЗИН A.B.

Официальные оппоненты :

- чл- корр. МСА, д. т. н., Проф. ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ И. Н.

- К. т. н., ст. Н. с. ПЕТРОВА И. М.

Ведущее предприятие - ВЦШГАЗ

РАО ГАЗПРОМ.

Защита состоится г. ь - - часов на

заседании Специализированного Совета д- 003. 42. 01 Института Машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Адрес: 101830, Москва, М. Харитоньевский пер. д. 4, ИМАШ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института по адресу: Москва, ул. Бардина, 4.

Автореферат разослан ^

Ученый секретарь Специализированного Совета

д. т. н., проф. ^ '—КГ. К. УСКОВ

РоиаИор Ш1АШ РАН

• АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Повышенные требования' к надежности и долговечности подводных трубопроводов вызывают необходимость разработки методов расче та их предельных состояний с учетом всего многообразия внешних воздействий на них в процессе изготовления и эксплуатации.

Подводные трубопроводы входят в состав магистральных трубопроводов на переходах через водные преграды. Также в связи с сокращением источников минерального сырья, эксплуятируемых в пределах суши, происходит освоение континентального шельфа с целью разработки источников нефти и газа и- это приводит к необходимости сооружения подводных трубопроводов.

В условиях континентального шельфа к надежности подводных магистральных трубопроводов должны предъявляться повышенные требования, так как их разрывы могут приводит к экологическим катастрофам планетарного масштаба. Аварии на подводных трубоп-рь:.-дъх приводят к утечкам транспортируемых продуктов и загря знению водоема. В отличие от стационарных источников (таких как сбросы нефтеперерабатывающих заводов) загрязнение при нарушении герметичности подводного трубопровода характеризуется большим соьймом и более высокой концентрацией инградиента, поиалаемого в водоем за относительно короткий промежуток времени .

гК. готами работа чесно связана с одним из основных направлений пглмц1..>.-иного развития Вьетнама - освоением месторождений г.еЗ'ы а пли я', конишентэльном шельфе и посвящена исследования £.<;,!ян.:.ч ссж-вих движений поверхности водоема на напряженно- дьк.ьгырознгшоб состояние и долговечность подводных тру-

оопроводов.

ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Выявление закономерностей волновых воздействий поверхности водоема на напряженно-деформированное состояние подводных трубопроводов.

2. Исследование расчетных значений тренщиностойкости и долговечности погруженных трубопроводов при волновом движении поверхности водоема.

3. Разработка модели оценки вероятности безотказной работы глубоководных трубопроводов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

¡.Изучены основные расчетные характеристики прогнозирования напряженно-деформированного состояния и ресурса подводных трубопроводов в процессе эксплуатации.

2.Исследовано влияние волновых движений поверхности водоема на напряженно-деформированное состояние подводного трубопровода в зависимости от параметров волнового процесса на поверхности водоема и глубины укладки трубопровода при наличии размытия засыпки при ламинарном, циркуляционном и тубурлентном обтекании трубоповода.

3.Исследована трещиностойкость подводного трубопровода при волновом воздействии и получены оценки долговечности его при наличии трещиноподобных дефектов.

4.Получены оценки показателей надежности глубоководных трубопроводов по отношению к заданной системе предельных состоя-

ний на основе математической модели В. В. Болотина вероятности безотказной работы.

практическая ценность.

Тема диссертационной работы связана с одним из основных направлений промышленного разития Вьетнама-освоениэ месторождений нефти и газа на континентальном шельфе Вьетнама. Использование ее результатов позволит производить оценку надежности подводных трубопроводов при сооружении и эксплуатации.

публикации и апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на семинарах Института Машиноведения им. A.A. Благонравова.

Сдана и принята к печати в журнале "Проблемы машиностроения и надежности машин" одна статья.

структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения,выводов и списка использованных источников, содержащего 42 наименования. Общий объем работы составляет 167 страниц, включающих [«рисунков и таблицб.

(>::;•:■ в!юе содержане работы.

В первой главе дан обзор состояния исследований по методам расчета предельных состояний подводных трубопроводов с учетом ъс^го многообразия внешних воздействий на них в процессе изготовления и эксплуатации. Вопросы прогнозирования деформируемо-

сти и надежности расматривались в работах Болотина В. В., Гри-голюка в. И., Ильгамова М. А.. Мовчана А. А.. Мухина О.Н., 11анов1.о Я. Г., Рабиновича Б. И., Феодосьева В. И., Березина В. Л. Зоненко В. 14., Кима Б. И., Эшли, Ашенбаха, БрэСиа, Уолкера, Халла и других.

Рассмотрены нагрузки и воздействия на подводные трубопровода, возникающие при их сооружении, испытании и эксплуатации. Особое внимание уделено проблеме расчета волновых воздействий на трубопроводы в период их эксплуатации. Приведены разработанные приемы определения гидродинамических сил, действующих на подводные сооружения при волновых и струйных воздействиях потоков жидкости. Проанализированы условия применимости формулы Морисона для расчета гидродинамических сил на обтекаемые цилиндрические тела потоками жидкости, а также определение коэффициентов в формуле Морисона в зависимости от конструкции цилиндра и параметров набегающего потока, определяемых числами Рей-нольдса, Кыоленега-Карпентера, Струхаля.

Рассмотрены также случаи воздействия воздушного потока на вертикальные элементы трубопровода, выходящие на поверхность. Аналогично случаю подводного трубопровода рассмотрена формула Морисона определения сил действующих на элементы трубопровода, и способы определения в ней коэффициентов в зависимости от параметров набегающего потока

Представлены результаты исследований по определению нагрузок и воздействий на конструкцию трубопровода в процессе проведения монтажа й укладки, а также при проведении гидралических испытаний при проверке трубопровода на прочность и герметичн-

ость.

Рассмотрены результаты исследований по характерным для глу <*"1Ков(1Д1шх трубопроводов отказам и предельным состояниям: во;* никновения больших пластических дефомащий, приводящих при пов торных; нарушениях к образованию пластических шарниров и раз рушению; кстеря устойчивости поперечного сечения трубопровод)) при г^мрукеяии и эксплуатации ¡разрушение трубопровода путем р-и'мрм.-'гр'>цг-ш!Я трещин и использование механик.« разрушения для <>п-кки пр-лялышх состояний трубо1фоводов.

I ЛООУО) р. чы нормы |1рочНОСТИ и несущей способности глубокого /пшх трубопроводов в процессе изготовления и эксплуатации. Ирюю г-тлиш методы расчета конструкций трубопроводов по кри тнри-. н"п...пуска больших пластических деформаций, по критериям М"''П1 Л 1' '.'щей потери устойчивости, по критериям трещиноотой I'. ^и кс!"орукции трубопровода в процессе изготовления и эксп л\ л'ими, -1 к-жже по критерию нвдопуска смятия трубопровода, г ) ы >; й Iрпс"мотр»шы задачи определения влияния вол л и л ¡ю.ч К1ГЙ поверхности водоема на напряженно л !'1><рМ1ц.' 'В-лшое соот< я нив подводных трубопроводов.

Р-ю. мои енп случаи "мелкой воды" по терминологии Ку.ранта и Фринрихеа, ю.-дэ сисчемэ ураьнений движения жидкости сводится

к ь,1ду

•эТ

о

( 1 )

3 Ъ Ъ I

и

'г .-с

в предположении, что v=0, u=u(t,x), Z Z(t,x) и где u, v, w -составляющие скорости движения частиц вода, поверхность водоема задается уравнением Z Z(x,t). Получены решения системы (I), которые дают в одном случае

u = а * const ( 2 )

в другом

ц s a t 1 + m (3)

где а = const

У 1 ' -тП 2 2

1 - U— с^х - at) + j[— dg(x - at) f ^ .

Г~j 2 2

x - at) - » — dQ(x - at) + -

' 4 27

.dg ■ const

Для случая a » const получены с использованием формулы Морисо-на выражения для изгибающего момента действующего на участок трубопровода с размытой засыпкой и определены напряжения возникающие в стенках трубопровода при различных условиях моделирования граничных условий на концах участка размытия засыпки трубопровода.

Исследованы колебания подводного тубопровода под действием поверхностных волн идеальной несжимаемой жидкости в случав глубокой воды. Движения трубопровода рассматриваются как колебания балки под действием гидродинамической распределенной нагрузки, вызванной поверхностными волнами, вычисляемой по формуле Морисона. Для компонент перемещений подводного трубоп-

роводя под действием поверхностных волн получены методом разложения решений по собственным формам следующие выражения:

и - у7 чвсъкехрс^)__

' ^ (2 р-1) т Л [(со2_ сОр2Д

С\СО

. у со* ¡г

" 2с4) 1Г С(П гсо^Ъ) Ср^к.ехр^.

<о

(С,.сО У ОУ + сО* -

тг - . ехРС^

2 ^

^ У СО^ _ <Г2

При резонансе по первой форме колебаний показано, что для незаполненного трубопровода с диаметром Б длина размытого участка засыпки определяется по формуле

А /

\3 - 1-2е-1° 0 У1 -+• -р2

~ ш

при моделировании граничных условий шарнирным опиранивм. Для

ишкшшшюго трубопровода длина участка размытия засыпки при резонансе при наличииповерхностного волнения вычисляется но формуле

^ -■ плотность трубной стали

плотность перекачиваемого продукта Вычисление напряжений для резонансных случаев соответствующих длин размытия засыпки трубопровода при наличии поверхностного волнения дают достаточно большие значения их,которые позволяют сделать вывод о разрушении трубопровода, если глубина укладки недостаточна и достаточно интенсивное волнение наблюдается ни поверхности водоема.

Рассмотрено влияние струйных вихревых течений на деформирование погруженных трубопроводов. Показано, что величины нагрузок, действующие на трубопровод при вихревом обтекании, меньше на два порядка нагрузок вчзванных волновым движением поверхности при амплитудах волн порядка 18,5 м и сравнимы при амплитудах волн порядка 2 м.

Приведены результаты по исследованию трещиностойкости погруженного трубопровода при волновом движении поверхности воды. В предположении, что в стенке трубы имеется круговая трещина радиуса а, определена долговечность трубопровода в зависимости

л' диаметра трубопровода, амплитуды волнового процесса па пи зерхности водоема и глубины погружения трубопровода, а третьей главе выполнена оценка показателей надожносли учел; шв глубоководных трубопроводов по отношению К'заданной сиогн ие предельных состояний. В (качестве основного цокааателя ниди шости трубопровода взята способность Т1убопровода сохранит!, герметичность в процессе эксплуатации. Предложена единая матч иатическая модель для оценки надежности трубопровода в иредни пожении, что процесс накопления повреждений трубопроводы описи зается двустадийным процессом. В качество первой стации взш 1ромвжуток времени от момента начала эксплуатации до ионыюжы грепшноиодобного дефекта в стенке трубы, второй - раашпин цефекта до критического состояния, вызывающего отказ трубощю зода. Длительность первой и второй стадии предполагаются нмза ьисишми случайными величинами, с функциями распределении Лф И исО соответственно, а совокупность дефектов образует ¡уассоновские ансамбли.

При этих предположениях получено, что вероятность безиткна юй работы участка трубопровода к моменту времени I с момента 1уска его в эксплуатацию определяется выражением

а условная вероятность отказа

=: JLDdxíSeci-г?>lГг(t;ciь (2)

Яти соотношения легко обобщаются на случай наличия дефектов, имеющихся в начальный момент времени.

Тпнже формулы (I), (2) могут быть рассмотрены и для случая, когда характеристики модели разрушения трубопровода в виде функций продольной координаты. В этом случае V = 1Г (х,и, -=А(х,и, <Х = С1(и и показатели безотказности участка трубопро в о да произвольной длины Ь = Ь2 - Ь определяются внрэкенями

а и(х,.1Ь Функция распределения времени безопасного существования дефекта.

Для появляющихся в процессе эксплуатации дефектов оте1гки трубопровода устанавливается вектор случайных функций, характерируилй состояние достаточно большой группы статистически однородных объектов, для каждого конкретного объекта вектор случайных функций представлается своими реализациями Х^ (й), Х2(t), ... , параметров.

Аналогично рассматриваются векторы случайных

Функций, ограничиваших допустимые пределы изменения вектора состояния.

Тогда определение функции распределения развития дефекта до

критического состоянии, вызывающего отказ трубопровода, 1/(1) сводится к нахождению вероятности того, что зи время (ОД) пи одна из реализаций случайных функций, характерирующих состояния объекта Х^(1) не ьыйдот за допустимые придилы Х^н<Н

х1в<*>-

Для упрощения вычислений пршнто, ч"о состояние дефекта характеризуется случайной функцией, а допустимые пределы детерминированы, случайный процесс ХЦ) нормальный стационарный, с математическим ожиданием ш, дисперсией б2- и автокорреляционной функцией К(С), тогда

___ (Хн-М)2 СКд-Ы)2

I/ct) = 1 - ехр{_JL | Kw Г е gg3 ]i

I I Mt) l JJ

Для определения функции UU) используется метод обоОщенонго параметра, который представляет собой одномерную функцию, а численные значения определяются значениями комгюнонт.

Если стенка трубы имеет д^фжт диаметром il, глубиной S , и нагрузку Р(х) то максимальное напряжение ь области дефекта

s — J5_Pcx) d2

ЧПаЛ" 1в (¿ct_ô)2

^cfc ~ первоначальная толщина стенки трубы, b рамках кумулятивной модели вероятность невыхода обобщенного параметра

in допустимой области зт период времени (D,ti совпадает ( I чроя-rnot'!тью нахождения параметра в допустимой области i Mi'M-.иг времени t. Тогда

iipe пложенная модель позволяет оценить влияние режимов рабоп I [.yi\)ii;i')L'c,ri )i:) интенсивность отказов и обосновали о нчзнпчоп у[нтемь давления в трубопроводе.

Ц.'ы иаиОшк»« полной оценки надежности трубонр<>ьол)в примени (j-груь 1урний анализ. Предельное состояние трубопровода можо' ■ ¡ij'.b реализовано только при появлении предельных соотояни! i.i lu'Л1 них элементов труЯопроыпч. При 'гровьдешга оценочны: Расчетов по затратам капитального ремонта (или замени) каждой ¿/юмента трубопровода, ымелнотсл язчмонгы, за-paru на р-.мон' вторых близки затратам на их замену (события А). Все друга ллемчнты дают рлд рвмонишх ситуаций, которые не могут быт: отписаны по сбоим затратам к продельному состоянию (события И Если Q - вероятность появления события А,

Р - вероятность появления события Б, то вероятност: появления предельного состояния трубопровода в течеши заданного срока службы

Uçx.o = PC Сто* (г; > tKp; г =

Q

вероятность не появления предельного состояния

Г = РВ1 ' + ..... + Рвэ

+ &В1 - 1

Отношение оперативных затрат г, ( трудоемкость капитального ремонта или замены 1-го элемент а) к затратам ( суммарная

оперативная продолжительность капитального ремонта или замени элементов трубопровода ) определяется ранг Н^ ремонтных затрат данного элемента,

21 кр

Для составления структурной схемы надежности определяется отношение нормируемых затрат на текущий и капитальный

ремонт г^р

2кр

и ранги ремонтных затрат для каждого элемента:

кр

Составляют упорядоченный ряд ремонтных затрат узлов: н, > я2 , 113 > ... , н(, Н1И> , н^нли> ... > Нп и - число расматриваемых элементоь трубопровода.

IЬ

Но рангам ремонтных затрат с учетом ос определяются ремонтные комплексы. Все ремонтные комплексы соединяются последовательно или параллельно в зависимости от их уровня в структурную охрму. По графическому изображении*) схемы составляют структурную формулу для определения вероятности работы трубопровода без капитального ремонта:

Р(Т У ) = Р.. т? ... P . т> .. P Р т>

Р' 1 ^ 1 ^ т ют

Р1... Рт - вероятность работы без капитального ремонта для каждого участка трубопровода.

Отсюда выбираются значения вероятностей Р, так удовлетворяющие требованию нормируемой вероятности У , которая зависит от назначения, степени отвественцости и режима использовании объекта.

Рассмотрен принцип назначения следувдией инспекции (ремонта, технического обслуживания) в терминах функции апостериорного риска

ек

H(t + —*-) = н Тк

9к = Чи

- t^ - назначенный остаточный ресурс

Н^ предельно допустимое значение риска.

Также приведен пример расчета долговечности трубопровода при волновом воздействии с поверхности водоема г.ри наличии треииноподобных дефектов в стенке трубопровода. Показано, что при наличии размытия засыпки трубопровода длиной Г., 13 м, глубиной погружения трубопровода равной 300 м, при

амплитуде волны 15 м и длине волны 200 м долговечность заполненного трубопровода составляет примерно 19 чассв при начальном дефекте г0 = 1.10-3 м толыцине стенки равной 0,02 м.

основные выводы

I- Получены условия возникновения пластических деформаций и разрушения стенок подводного трубопровода при волновых и струй них движениях жидкости.

II- Исследованы влияния волнового движения поверхности водоемов на напряженно-деформированное состояние подводного трубопровода в зависимости от параметров волнового процесса и глубины укладки трубопровода при наличии размытия засыпки при ламинарном, циркуляционарном и турбулентном обтекании.

III- Получены характеристики трещиностойкости и долговечности подводного трубопровода при волновом воздействии поверхности водоема, при наличии трещиноподобных дефектов в стенках трубопровода .

IV- Предложена единая математическая модель для оценки надежности трубопровода, когда процесс накопления повреждений описывается двустадийным процессом.

V- Разработана модель для оценки влияния режимов работы трубопровода на интенсивность отказов и позволяющая обоснованно назначать уровень давления в трубопроводе.