Разработка методов расчёта показателей надёжности трубопроводных систем с учётом трещиноподобных дефектов и сложных условий эксплуатации тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

00553698»

Цапурин Константин Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ С УЧЁТОМ ТРЕЩИНОПОДОБНЫХ ДЕФЕКТОВ И СЛОЖНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

7 но я гт

Самара-2013

005536988

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» на кафедре космического машиностроения

Научный руководитель: Перов Сергей Николаевич,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Радченко Владимир Павлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Прикладная математика и информатика»;

Белоусов Анатолий Иванович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», профессор кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов

Ведущая организация: ОАО «Институт Гипровостокнефть» (г. Самара)

Защита состоится 29 ноября 2013 года в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, ауд. 209

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный азрохосимческий университет имени академика С.П, Королева (наш'окмьн'■!?; исследоодтгздскяй университет)»

Автореферат разослан «25» октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.215.02

Скуратов Д.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение надёжности трубопроводных систем является важной проблемой и играет ключевую роль в экономике РФ. Протяжённость российских магистральных нефте- и газопроводов составляет более 200 тыс. км, промысловых трубопроводов - 350 тыс, км. Основной причиной разрушения трубопроводных систем является ослабление линейной части трубы из-за наличия трещиноподобных дефектов, имеющих различную природу происхождения. В процессе эксплуатации происходит деградация трубной стали, изменяются механические характеристики материала и сварных соединений. Необходимость разработки новых месторождений требует проектирования и строительства новых путепроводов, зачастую в сложных условиях (вечной мерзлоты, пучения грунтов, сейсмической активности, заболоченности и др.). В связи с этим задача расчёта показателей надёжности трубопроводных систем в настоящее время приобрела большую аетуальиость.

Степень разработанности темы. Существующие в отрасли нормы и правила обеспечения надёжности трубопроводных систем как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации, основанные на нормативном методе расчёта конструкции по предельным состояниям, реализуются за счёт применения зачастую неоправданных коэффициентов запаса прочности, что приводит к существенному увеличению металлоёмкости трубопроводов. Данные методы не учитывают в явном виде не только временные факторы, но и вероятностную природу характеристик несущей способности и нагрузок.

В современных вероятностных методах оценки надёжности отсутствуют эти недостатки, однако на данный момент их применимость на практике редка вследствие ряда причин: большой трудоёмкости моделирования трубопроводных систем; громоздких вычислений параметров механики разрушения для трубопроводов, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной; сложности моделирования и идентификации законов распределения внешних нагрузок (нестационарной или циклической нагруженносги, влияние пучинистого грунта и т.д.).

Цель и задачи. Цель работы - разработка и апробация методов расчёта показателей надёжности проектируемых и находящихся в эксплуатации трубопроводных сооружений с учётом стохастического характера эксплуатационных нагрузок, рассеивания характеристик трещиностойкости и прочности элементов конструкций, наличия трещиноподобных дефектов и таких сложных условий эксплуатации, как промерзающие пучинистые грунты.

Задачи исследования:

- разработка методики конечно-элементного решения трёхмерной задачи механики разрушения и моделирования поверхностных трещин в трубах;

- исследование применимости и практической реализации неканонического разложения на основе метода интерполяционных полиномов для решения задач статистической динамики;

- разработка метода количественной оценки надёжности трубопроводов с поверхностными трещинами при циклических нагрузках, основанного на применении метода интерполяционных полиномов;

- апробация разработанных методик расчёта показателей прочности и надёжности на реальных элементах надземных и подземных трубопроводных систем;

-разработка и апробация на реальной задаче оригинальной методики оценки надёжности трубопроводов, прокладываемых в промерзающих пучини-стых грунтах.

Объект исследования. Процессы изменения параметров состояния несущих элементов систем трубопроводного транспорта при динамических случайных внешних воздействиях в сложных условиях эксплуатации.

Предмет исследования. Расчётно-экспериментальные методы определения показателей конструктивной надёжности трубопроводов на этапе проектирования и по результатам диагностики их эксплуатационного состояния.

Научная новизна.

1. Впервые разработан и доведён до практического применения многоуровневый подход к анализу напряжённо-деформированного состояния (НДС) продуктопроводов, основанный на использовании различных расчётных схем и метода конечных элементов.

2. Созданы новые эффективные процедуры, алгоритмы и методики расчёта показателей надёжности с учётом возможности постепенных отказов в элементах конструкции, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной в условиях циклического нагружения с постоянной и переменной амплитудам».

3. Разработана и апробирована новая методика расчёта показателей надёжности трубопроводных систем, проложенных в промерзающих пучинистых грунтах, включающая эффективный по скорости и точности численный подход к решению задач статистической динамнки для трубопроводов.

4. Получены новые результаты количественной оценки показателей надёжности таких реальных трубопроводных систем, как напорный трубопровод технологической обвязки нефтеперекачивающей станции и подземная трубопроводная система, работающие в условиях циклической нагруженности с постоянными или случайными амплитудами.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

- доказаны состоятельность и эффективное?:-- (по ск: ?:с-шг и точности вычислений) методики оценки показателей надёжности и ¿Ьмиесносги для трубопроводов, эксплуатирующихся в промерзающих пучинистых грушах, основанной на методе интерполяционных полиномов;

- результативно использован комплекс существующих приемов и методов общей теории надёжности, в том числе разработаны эффективные процедуры, алгоритмы и методики расчёта показателей надёжности с учётом возможности постепенных отказов в элементах конструкции, эксплуатирующихся с распро-

страняющейся усталостной трещиной в условиях циклического нагружения с постоянной и переменной амплитудами.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработанная методика оценки показателей конструктивной надёжности трубопроводных систем по критериям трещиностойкости и живучести позволяет проводить количественное сравнение проектных решений для новых трубопроводов, предназначенных к эксплуатации в различных условиях, включая экстремальные;

-предложенные методики, алгоритмы и процедуры позволяют определять вероятность безотказной работы и наработку на отказ использующихся трубопроводов по результатам диагностики наличия и распределения трещино-подобных поверхностных дефектов в стенках труб;

- методика и полуэмпирическая модель вычисления значений параметров механики разрушения вдоль фронта несквозных полуэллиптических трещин различной ориентации, расположенных у поверхности трубы, позволяют, не прибегая к построению сложных моделей, с достаточной точностью определять значения коэффициента интенсивности напряжений и возможное направление развития трещин при квазистатических и циклических нагрузках;

- разработан и описан многоуровневый подход к анализу НДС трубопроводов, использующий расчётные схемы разной сложности и протяжённости;

- разработана и описана новая методика расчёта показателей надёжности трубопроводных систем, проложенных в промерзающих пучинистых грунтах;

- представленные в работе методики, процедуры, алгоритмы и рекомендации использованы в практике проектирования магистральных трубопроводных систем в Открытом акционерном обществе «Институт по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности» (ОАО «Институт Гипровостокнефть»), на Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» и в учебном процессе ФГЪОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» при подготовке студентов по специальности 150301 - «Динамика и прочность машин».

Методы исследований. Работа выполнена на основе классических методов строительной механики, теории упругости, механики разрушения, теории надёжности сложных технических систем. Использовались методы аналитического и численного решения задачи статистической динамики с учётом возможной нелинейности исследуемой системы. Решение задач о трещине при квазистатическом или циклическом нагруженин проводилось с использованием положений механики разрушения и разработанных макросов для вычислительного пакета АНБУЗ. Анализ и обработка результатов численных экспериментов по определению вероятностных характеристик свойств исследуемой системы или параметров её поведения выполнялись классическими статистическими методами с привлечением современной компьютерной техники.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новые полуэмпирические формулы для определения распределения параметров механики разрушения вдоль фронта поверхностной полуэллипти-

ческой трещины, расположенной в стенке трубы продольно или поперечно; соотношения получены на основании численного эксперимента с использованием программного комплекса ANSYS.

2. Процедуры, алгоритм и методика прогнозирования вероятности безотказной работы с учётом возможности постепенных отказов в элементах конструкций, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной в условиях циклического нагружения с постоянной и переменной амплитудой.

3. Многоуровневый подход к анализу НДС продукте проводов, основанный на использовании различных расчётных схем и позволяющий на порядок снижать затраты при исследовании локальной прочности и надёжности протяжённых трубопроводных систем при наличии геометрических несовершенств или дефектов, например, типа поверхностных трещин.

4. Новая методика расчёта показателей надёжности трубопроводных систем, проложенных в промерзающих пучинистых грунтах.

5. Результаты апробации предложенных методик, математических моделей, разработанных алгоритмов расчётов, а также результаты количественной оценки показателей надёжности реальных трубопроводных систем, работающих в условиях нестационарной или циклической нагруженности.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, использованием научно обоснованных расчётных схем, применением апробированных аналитических и численных методов анализа и расчёта, реализацией алгоритмов и процедур расчёта на современной вычислительной технике, корректным заданием исходных данных и объективным анализом полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: студенческой конференции «Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов» (Самара, 2001), XXVI Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, МСНТ, 2006), III Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоёмкие инновационные технологию) (Самара, 2011), IV международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (2011), Международной заочной научной конференции «Технические науки: теория и практика» (Чита, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 статей, в том числе 5 в изданиях, определённых ВАК РФ, 5 тезисов докладов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из Бгылечюг, пггаг раз-'"нобных результатов и выводов, списка используемо?! лиюр&гуры из 5.67 «ишгнонаний и двух приложений. Содержит 191 страшиу текста, включая 63 рисунка, 10 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ¡¡ведении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель, изложены задачи, обоснована научная новизна, теоретическая и

практическая значимость, даётся краткое описание содержания разделов диссертационной работы.

В первом разделе проанализированы методы, используемые в настоящее время для количественной оценки показателей надёжности, которые можно разделить на формальные математические и учитывающие физические причины отказов. Математические методы расчёта надёжности изложены в работах таких видных учёных, как А.И. Берг, Н.Г. Бруевич, Б.В. Гнеденко, В.И. Сифоров, Б.С. Сотсков и др. В инженерной практике проектирования конструкций в основном используются методы теории надёжности как вероятностной прочности. Систематическое изложение этих методов в отечественной литературе связано с работами Н.С. Стрелецкого, а дальнейшее развитие они получили в работах А.Р. Ржаницина, Я.Б. Шора, А. Фрейденталя и др.

Последние десятилетия характеризуются интенсивным увеличением объёма и уровня научных исследований в области надёжности конструкций механических систем. Методы вероятностно-статистической оценки выносливости материалов, действующих нагрузок, расчёта надёжности и долговечности конструкций изложены в фундаментальных работах С.А. Алексеева, Б.В. Бойцова, В.Ф. Гладкого, Б .В. Гнеденко, В.Ф. Грибанова, A.C. Гусева, В.П. Когаева, A.A. Кузнецова, В.И. Куренкова, H.A. Махутова, В.И. Перлика, Д.Н. Решетова,

A.Р. Ржаницына, А.Ф. Селихова, C.B. Серенсена, М.Н. Степнова, Ю.Л. Тарасова, С.А. Тимашева, В.Т. Трощенко, а также зарубежных учёных

B. Вейбулла, Т. Екобори, А.О. Пейна, А. Фрейденталя, М. Шинозуки и др. Наиболее общий подход к расчёту надёжности, основанный на теории множеств, предложен в 1959 году В.В. Болотиным и развит им в стройную общую теорию надёжности, которая стала методологической основой проектирования сложных технических систем в различных отраслях народного хозяйства.

Требования, предъявляемые к таким ответственным энергетическим сооружениям, как магистральные трубопроводы обуславливают разработку новых вопросов об их надёжности, исходя из современных достижений науки. Аналитической основой решения задач оценки надёжности конструкций магистральных трубопроводов являются методы исследований физики отказов и анализа надёжности, расчётов на прочность и долговечность, развитые Х.А. Азметовым, В.А. Березиным, П.П. Бородавкиным, А.Г. Гумеровым, P.C. Гумеровым, СШ. Иванцовым, P.C. Зайнуллиным, М.Х. Султановым, В.В. Харионовским, Э.М. Ясиным и другими учёными.

В данном разделе рассматриваются некоторые подходы к расчётной оценке показателей надёжности, используемые в современной инженерной практике проектирования, в том числе с использованием вероятностных моделей. Обеспечение безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов основано на применении средств технической диагностики, которые позволяют с достаточной точностью выявлять расположение, тип и размер повреждений стенок. Однако вопросы, связанные с определением реальной опасности обнаруженных дефектов, пока разработаны не в полной мере. Расчёт трубопроводов на прочность при проектировании не учитывает возможность возникновения или развития дефектов в процессе эксплуатации (СНиП 2.05.06-85*), трубопро-

воды проектируются на основании российских и зарубежных норм как бездефектные сооружения.

Обзор существующих исследований, посвящбнных проблеме надёжности конструкций трубопроводных систем, показывает, что, несмотря на большое количество работ по данной теме, ряд актуальных научных и практических вопросов остается нерешенным.

Комплексное решение проблемы безотказности и долговечности конструкций с учётом всей совокупности факторов возможно лишь с позиций общей теории надёжности. Основу этой точки зрения составляют два важных момента. Во-первых, отчётливое понимание того факта, что и внешние условия эксплуатации (включая внешние нагрузки), и несущая способность конструкции в процессе эксплуатации - случайные процессы. Поэтому при решении задачи оценки надёжности необходимо привлекать аппарат теории случайных функций. Во-вторых, признание того, что отказ конструкции может быть обусловлен ростом усталостных трещин при нагрузках переменного уровня.

В результате анализа современного состояния научно-технической задачи расчёта показателей надёжности трубопроводных систем и в соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы задачи исследования, приведённые во введении.

Во втором разделе приведена: принятая в диссертации схематизация трещиноподобных дефектов в трубах. Для трубопроводов наибольший интерес представляют несквозные и, в первую очередь, поверхностные трещины. Очевидно, что такие дефекты имеют трёхмерный характер и в общем случае являются многопараметрическими. При неполноте информации о дефекте, а также для упрощения расчёта трещиноподобный дефект целесообразно представить в виде трещины полуэллиптической формы.

Для трёхмерных дефектов параметры механики разрушения в общем случае могут изменяться вдоль фронта трещины. Поэтому для них необходимо проверять выполнение критерия разрушения в нескольких точках, расположенных на границе дефекта. Для поверхностных трещин полуэллиптической формы, описываемых двумя параметрами (глубиной / и полудлиной а), можно ограничиться вычислением параметров механики разрушения в точках А, В и/или С, показанных на рисунке 1.

анализа и использование специальных Рисунок 1-Схематизация несквозной постпроцессорных команд или макротрещины сов ддЯ вычисления требуемых параметров. При этом рассматриваются два главных этапа данной процедуры: моделирование области трещины; вычисление параметров механики разрушения. Для моделирования несквозных поверхностных трещин разработана програм-

Далее изложены особенности решения задач механики разрушения с гомощью МКЭ-пакета АМБУБ. Оно включает в себя выполнение линейно-упругого или упругопластического

ма-макрос, позволяющая автоматически строить объёмные сингулярные элементы (со смещенными на четверть длины стороны промежуточными узлами) вокруг фронта трещины.

С использованием МКЭ-пакета АЫЭУБ и разработанной методики моделирования трещин определены значения коэффициентов интенсивности напряжений для наиболее применяемых типоразмеров труб с учётом возможного наличия в них осевых и окружных (наружных и внутренних) трещин. Показано, что зная величину рабочего давления р и локальных осевых напряжений а, расчёт коэффициентов интенсивности напряжений для труб с осевой и окружной трещиной можно выполнять соответственно по формулам

= (1)

где Лср - средний радиус трубы.

Безразмерные коэффициенты Мр и Ма являются инвариантными как по

отношению к диаметру трубы, так и к толщине её стенки. Для определения этих коэффициентов в точках А и В фронта трещины (см. рисунок 1) в зависимости от отношений 1/а и 1/1 составлены специальные таблицы.

В третьем разделе рассмотрены численные методы решения задач статистической динамики и принятая методика определения вероятностных характеристик поведения конструкции трубопровода при случайных воздействиях на основе метода интерполяционных полиномов.

Основная расчётная формула интерполяционного метода имеет вид

я

<*,> = 2(2) £-1

Здесь Ф^ = ,...,/■„(_) — значение функционала от выходных коорди-

т

нат в узле интерполяции к, pt=Y\Pk "число Кристоффеля, соответствующее

у-' '

узлу интерполяции к, Ц = — общее число узлов интерполяции; текущий

номер узла интерполяции к находится соответствующим перебором индексов к\, к2,..., кт. Оптимальный выбор узлов интерполяции г^ и чисел Кристоффеля

рк/ определяется функцией плотности вероятности входной случайной величины и соответствующей системой ортогональных полиномов относительно веса/Дгу).

Для представления входных случайных процессов предлагается использовать неканоническое разложение в сочетании с методом интерполяционных полиномов. При этом к-я реализация случайного процесса *(г) записывается в виде

**(') = <*(')> + У к, <окг + 6к2 со (3)

где - значения независимых случайных величин у, д, со в узлах ин-

терполирования; номер к определяется соответствующим перебором индексов ки к2 и к3.

Проведенные исследования для участка реального магистрального подземного нефтепровода в районе перехода через реку позволили сделать вывод о том, что при оценке надёжности трубопроводных систем решение задачи статистической динамики целесообразно проводить методом интерполяционных полиномов.

Исходя из особенностей эксплуатации магистральных трубопроводов и учитывая, что для них характерно наличие несквозных поверхностных дефектов, разрушение конструкции происходит при прорастании трещины на всю толщину стенки трубы.

Уравнение, определяющее поцикловую скорость роста усталостных трещин, в общем виде можно представить следующим образом:

яУ/ <1Ы = <р(а, 7, ДАТ, г,, /-2,..., г,), (4)

где с!ШЫ- скорость роста трещины; а - амплитуда номинальных напряжений; / - текущая длина трещины; АК = Ктдх - - размах коэффициента интенсивности напряжений за рассматриваемый цикл нагружения; - параметры, характеризующие условия эксплуатации, геометрические параметры конструктивного элемента и физические свойства материала.

Модель постепенного отказа здесь является кумулятивной. Поэтому для вероятности безотказной работы (ВБР) следует записать:

Я(/) = Р{/(/)</с; Ктлх(г)<Кь, г е[0,г]}, (5)

где /с - критическая длина трещины, равная толщине стенки трубы; Кк - циклическая вязкость разрушения.

Оценку ВБР при постепенном отказе можно проводить по приближённой формуле модели цепи, в которой

Н«) = Р{1(?)<1су, Н2(1) = Р{Кт{т)<К^ г6[0,/]}. (б)

В предлагаемой методике пошагового вычисления значений ВБР решение задачи статистической динамики (определение параметров качества системы /(/) и Щ)) выполняется методом интерполяционных полиномов. При этом случайный стационарный процесс нагружения N(1) с заданной спектральной плотностью 5^(0) представляется неканоническим разложением (3), а поцикловая скорость роста усталостной трещины полностью определяется соотношением (4). Вычисления здесь продолжаются до тех пор, пока ВБР #(/) не станет меньше некоторой, наперёд заданной величины Н".

В четвёртом разделе приведены практические примеры расчёта показателей надёжности реальных трубопроводных систем с использованием предложенной методики.

При оценке живучести напорного трубопровода технологической обвязки нефтеперекачивающей станции (рисунок 2) предполагается, что работа насосного агрегата вызывает виброперемещения, действующие на трубу в точке 1 и

представляющие собой стационарный случайный узкополосный процесс и(/)-Характеризующие данный процесс функции приведены на рисунке 3, где та -круговая частота вращения ротора насоса.

К„(т) Д[И(0]

1-А 1 |

1

Рисунок 2 — Геометрия трубопровода Рисунок 3 - Корреляционная функция (а) и

спектральная плотность (б)

Выполненный с помощью МКЭ-пакета А^УБ гармонический анализ вынужденных установившихся колебаний данной трубопроводной системы показывает, нто максимальная амплитуда осевых фибровых напряжений имеет место в сечении, обозначенном на рисунке 2 цифрой 3, в точке с окружной координатой 9 = 45°, отсчитываемой от плоскости колена. Принимается, что в данном месте имеется окружная наружная трещина полуэллиптической формы.

Считается, что толщина стенки трубы, начальные глубина и полудлина трещины, а также циклическая вязкость разрушения являются случайными величинами, распределёнными по нормальному закону. При этом для трещины рассматриваются три варианта начальных размеров.

Для решения задачи статистической динамики здесь используется метод интерполяционных полиномов, причём для представления случайного процесса нагружения применяется неканоническое разложение (3). Скорость распространения трещины непостоянна вдоль её фронта и описывается с помощью модифицированных соотношений Пэриса. При этом расчёт коэффициентов интенсивности напряжений выполняется по второй формуле (1).

Рост усталостной трещины продолжается до тех пор, пока она не прорастет на всю толщину стенки трубы или не достигнет длины, достаточной для начала заключительной стадии нестабильного разрушения.

В результате решения задачи получены зависимости математических ожиданий размеров трещины (рисунок 4) и максимальных значений коэффициента интенсивности напряжений в точках А и В, а также зависимость ВБР (рисунок 5) от времени эксплуатации.

При нормативной надёжности Я" = 0,99 и числе узлов интерполяции «дг^, =18 живучесть напорного трубопровода с трещиной составляет 9,03 лет.

= 10

V 4 К * \

\ \ \ \

ча «14' \ \ V»-- 18

\ \

!

Оболочечная модель участка трубопровода (подмодель первого уровня)

I, годы I, годы

Рисунок 4 - Увеличение размеров трещины Рисунок 5 - Вероятность безотказной работы В качестве второго примера рассматривается подземный промысловый трубопровод для сбора газоконденсатной смеси. Для анализа его напряжённо-деформированного состояния используется многоуровневый подход (рисунок 6).

На первом этапе рассматривается вся трубопроводная система, для которой строится балочная модель. С её помощью выявляется наиболее опасный участок трубопровода, где возникают максимальные напряжения. Далее, на втором этапе, рассматривается только этот участок. Для него строится уже оболочечная модель. В концевых сечениях данного участка прикладываются

Балочная модель трубопровода

Объемная модель фрагменте сгеакк трубы с дефектом (подмодель второго уровня)

Рисунок 6 - Многоуровневый подход к расчёту трубопроводов

перемещения, найденные на первом этапе, т.е. с помощью балочной модели. На последнем (третьем) этапе рассматривается лишь фрагмент стенки трубы, где имеется дефект в виде внутренней поверхностной трещины. Для данного фрагмента строится объёмная модель. При этом в качестве граничных условий на границе вырезки задаются перемещения, найденные на втором этапе на базе оболочечной модели.

При вычислении показателей надёжности предполагается, что действующее на трубу внутреннее давление представляет собой стационарный случайный процесс p(t) с математическим ожиданием (р(/)) = 20МПа. дисперсией

Д/Ч01 = (0,1 {pit)}?, корреляционной функцией и спектральной плотностью

sm ал

D[p(t)}

(0 <&<&),

о

где ;

5» =

«с

»40 рад/с - предельная круговая частота. Здесь также получены зависимости математических ожиданий размеров трещины и максимальных значений коэффициента интенсивности напряжений, а также зависимость ВБР от времени эксплуатации (рисунок 7).

Как показывают результаты расчёта, при нормативной надёжности Я" = 0,99 живучесть данного трубопровода с трещиной составляет 5,99 лет.

В пятом разделе изложена методика оценки безопасности подземных трубопроводов, прокладываемых в промерзающих пучинистых грунтах.

В качестве объекта исследования выбирается газопровод 720x14, изготовленный из стали 13Г1С-4. При этом диаграмма деформирования материала схематично представляется в виде

V

Рисунок 7 - Вероятность безотказной работы подземного трубопровода

трёх функций, соответствующих участкам упругой работы, упругопластиче-ской работы и упрочнения.

Одним из самых трудоёмких этапов предлагаемой методики является моделирование силового воздействия бугра пучения на подземный трубопровод. Решение такой задачи должно проводиться п геометрически и физически нелинейной постановке, т.е. с учётом больших перемещений, пластических деформаций и нелинейности поведения окружающего трубу грунта.

Для автоматизации данного процесса разработана программа-макрос для МКЗ-пакета АМБУЗ. При этом реальный бугор пучения аппроксимируется расчётным бугром

прямоугольной формы высо- Рисунок 8-Аппроксимация бугра пучения

той Я0 и длиной 2Ло (рисунок

8). Поскольку мёрзлый грунт не является абсолютно жёстким, происходит частичное смятие бугра за счёт сил, действующих со стороны трубопровода.

Выделяются два типа предельных состояний I и II. Первое связывается с наступлением текучести

~ " с,

где а,

собности трубопровода, обусловленным образованием пластического шарнира или местной потерей устойчивости (гофрообразованием):

*ь = *гА»ах или (9)

где £ь - деформация изгиба грубы; ех - осевая (фибровая) деформация сжатия; ^мшах ~ деформация, соответствующая максимуму на кривой «момент - деформация»; ек, - деформация сжатия, при которой начинается гофрообразование.

Предельные состояния для рассматриваемого газопровода 720x14 изображены на рисунок 9, причём штриховая линия соответствует предельному состоянию типа I, а сплошная - состоянию типа И.

Если оценивать рабо- тоспособность рассматри- ваемого газопровода по критерию типа II, то видно, что наиболее опасными для него являются бугры

Мшес > (8)

м*кс - напряжение по Мизесу. Второе - с резким снижение несущей спо-

пучения длиной 3,8 м, причём бугры меньшей длины сминаются трубопроводом до наступления в нём предельного состояния типа И, и поэтому они вообще не представляют какой-либо опасности вне зависимости от высоты бугра.

Для решения задачи статистической динамики используется метод интерполяционных полиномов. В качестве случайных входных данных выбираются две величины Н0 и Их числовые характеристики приняты следующими: <Я0>= 0,15 м; (Л„>= 5 м; =0,2<#„>; 5. =0,2(4,}. Выходными случайными величинами здесь являются <тМязес, гь и используемые в критериях (8) и (9). Для них получены функции распределения (рисунок 10).

Для оценки показателей безопасности и риска рассматриваемой конструкции используется теория, предложенная В.В. Болотиным:

Я(<) = ехР[-Л;(1-Я(Ф))],(10)

где 3(1) - функция безопасности; Л - математическое ожидание числа бугров пучения в единицу времени; В(Ф) - условная безопасность, определяемая как

Я,(Ф} = Р{ам_<гт02} или Вв(Ф)^тт(Р{еь<£Мш^}, (11)

Входящие в эти выражения вероятности легко находятся с помощью функций распределения соответствующих выходных параметров.

Таким образом, для рассматриваемого бугра пучения условная безопасность предельного состояния типа I составляет всего Д(Ф)= 0,361, а предельного состояния типа И - Вв(Ф) = 0,993.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведённых исследований решена научно-техническая задача, имеющая важное хозяйственное и экономическое значение для повышения вероятности безотказной работы и долговечности современных продукто-нроводов за счёт создания, развития и совершенствования научных методов расчёта и анализа показателей надёжности трубопроводных систем на основе моделирования процессов роста трещин при случайных нагрузках.

1 /

/

л

V ;

V 1 1 я, ... - ..5

Рисунок 9 - Допустимые размеры бугров пучения

£ У я-

6- 4- — —

- -- ___ 1

310 320 330 3]и 330 МО 371) 3«С 3&0 400 419

сгиюс, МЛа

Рисунок 10- Функция распределения напряжения СГмизес

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты.

1. С использованием интерполяционных полиномов разработан метод моделирования реализаций случайных процессов изменения эксплуатационных факторов (включая внешние нагрузки), что позволило существенно снизить трудоёмкость решения задачи статистической динамики.

2. На основе численного моделирования процесса роста поверхностных трещин с помощью метода конечных элементов и метода интерполяционных полиномов предложен расчётный метод оценки надёжности силовых элементов нефтегазопроводов, практическое применение которого позволило оценить остаточную долговечность элементов реальной трубопроводной системы. Положительные результаты дают возможность распространения метода на проектные и эксплуатирующие предприятия отрасли.

3. Впервые предложен и реализован на практике многоуровневый подход к анализу НДС продуктопроводов, основанный на применении различных расчётных схем с использованием программного комплекса АЖУБ. Данный подход позволяет на порядок снизить затраты при исследовании локальной прочности и надёжности протяжённых трубопроводных систем при наличии дефектов, например, типа поверхностных трещин.

4. На основе теории В.В. Болотина впервые решена задача количественной оценки функции безопасности трубопровода, прокладываемого в условиях промерзающих пучинистых грунтов. При этом разработана программа-макрос, позволяющая автоматизировать трудоёмкий процесс моделирования силового воздействия бугра пучения на подземный трубопровод. Такой подход позволяет многократно снизить затраты при определении областей допустимых размеров бугров пучения и вычислении функции безопасности.

5. Получены результаты количественной оценки вероятности безотказной работы и надёжности трубопровода технологической обвязки нефтеперекачивающей станции и подземной трубопроводной системы. На конкретных примерах решены сложные задачи моделирования процессов роста трещиноподобных дефектов при циклических нагрузках. Рассчитанные зависимости позволили оценить живучесть конструкции по величине нормативной надёжности и определить наработку на отказ.

Представленные в работе методики, процедуры, алгоритмы и рекомендации использованы в практике проектирования магистральных трубопроводов и трубопроводных систем в Открытом акционерном обществе «Институт по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности» (ОАО «Институт Гипроъостокнефть») и на Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов».

Предложенные методы расчёта показателей надёжности трубопроводных систем могут использоваться при доработке нормативной документации проектирования продуктопроводов с учётом современных требований по обеспечению безопасности и снижению риска катастрофических разрушений.

Таким образом, поставленная цель диссертации достигнута.

В дальнейших исследованиях рекомендуется использовать полученные результаты при создании методов расчёта показателей надежности сложных систем

при наличии в силовых элементах стохастических ансамблей поверхностных трещин.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

из перечня ведущих научных рецензируемых журналов и изданий:

1. Цапурин, К.А. Решение задачи статистической динамики для магистрального нефтепровода / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, К.А. Цапурин // Вестник Самар, гос. аэрокосм, ун-та. - 2006. -№ 1. - С. 187-193.

2. Цапурин, К.А. Коэффициенты интенсивности напряжений для труб с несквозными трещинами / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, К.А. Цапурин // Известия Самар. науч. центра РАН. - 2008. - Т. 10. - te 3(25). - С. 905-910.

3. Цапурин, К.А. Оценка надежности трубопроводных систем с трещинами методами интерполяционных полиномов / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, 1С А. Цапурин И Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. — Т. 76. -№5.-С. 49-52.

4. Цапурин, ICA. Оценка показателей прочности и надёжности подземной трубопроводной системы / К. А. Цапурин, Ю. В. Скворцов, С. В. Глушков // Известия Самар. науч. центра РАН. - 2011. - Т. 13. - № 4 (4). - С. 1168-1171.

5. Цапурин, ICA. Расчёт показателей надёжности трубопроводных систем с учётом трещиноподобных дефектов и сложных условий эксплуатации. // Вестник СамГТУ. Серия: Физико-математические науки. - 2012. - №4/29. - С.154-161.

в других изданиях:

6. Перов, С.Н. Конечно-элементное моделирование трещин и вычисление параметров механики разрушения / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, КА. Цапурищ Самар. гос. аэрокосм. ун-т. - Самара, 2006. - 24 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.03.2006, ifs 218-В2006.

7. Перов, СЛ. Вычисление коэффициентов интенсивности напряжений для труб с поверхностными трещинами / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, К.А. Цапурин // Наука и технологии: труды XXVI Российской школы. - М: РАН, 2006. - Т. 1. -С. 274-281.

8. Цапурин, К.А. Многоуровневый подход к оценке прочности подземной трубопроводной системы / C.B. Глушков, КА. Цапурин // Техника и технология: новые перспективы развития: материалы IV Международной научно-практической конференции (09.12.2011). - М.: Издательство "Спутник+", 2011. -С. 101-104.

9. Цапурин, КА. Оценка надёжности трубопроводов, прокладываемых в промерзающих пучинистых грунтах (Текст] / К. А. Цапурин, Ю. В. Скворцов, C.B. Глушков // Технические науки: теория н ¡тактика:. мзтер^лаы междунар. за-оч. науч. конф. (г. Чита, апрель 2012 г.). — Чнчч:: Г-1№гсд,='пъ<> Молодой учёный, 2012.-С. 98-105.

Иодпвсзго п печать !8 ок-гт-^ря Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетам. Печать оперативная. Обгём 1,0 печ. л. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета

443086, Самара, Московское шоссе 34, Самарские государств ев ный аэрокэсг/свческкЗ университет имен я академика С.П. Королёва (кадиовальный исследовательский университет)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА

04201452169

Цапурин Константин Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ С УЧЁТОМ ТРЕЩИНОПОДОБНЫХ ДЕФЕКТОВ И СЛОЖНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И

ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ...........................................................10

1.1 Основные показатели надёжности конструкции и методы их

расчета..............................................................................................................10

1.2 Актуальные задачи оценки показателей надежности труб при наличии трещин в стенке...............................................................................................20

1.3 Выводы и постановка задачи исследований................................................31

2 МЕТОДИКА ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ ДЛЯ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ В ТРУБАХ...............................................35

2.1 Схематизация поверхностных трещиноподобных дефектов в стенках трубы................................................................................................................35

2.2 Выбор параметров качества для труб с трещинами....................................36

2.3 Использование метода конечных элементов для определения параметров механики разрушения в зоне поверхностных трещин...........40

2.4 Полуэмпирические соотношения для вычисления коэффициентов интенсивности напряжений в стенках труб с поверхностными трещинами.......................................................................................................46

3 МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

НАДЁЖНОСТИ ПРИ ПОСТЕПЕННОМ ОТКАЗЕ НА ОСНОВЕ

МЕТОДА ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫХ ПОЛИНОМОВ....................................49

3.1 Численные методы решения задачи статистической динамики................49

3.2 Моделирование случайных процессов для решения задач статистической динамики..............................................................................58

3.3 Количественная оценка надёжности элементов с трещиной в стенке трубы при циклических нагрузках................................................................61

4 РЕЗУЛЬТАТЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ТРУБОПРОВОДОВ.....71

4.1 Расчет вероятности безотказной работы напорного трубопровода технологической обвязки нефтеперекачивающей станции.......................71

4.2 Оценка показателей прочности и надёжности подземной трубопроводной системы...............................................................................89

5 ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ, ПРОКЛАДЫВАЕМЫХ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ............................................................................................................121

5.1 Исходные данные для расчёта.....................................................................121

5.2 Критерии предельных состояний................................................................128

5.3 Описание программы-макроса для моделирования силового воздействия бугра пучения на подземный трубопровод..........................133

5.4 Построение областей предельно допустимых размеров бугров

пучения..........................................................................................................144

5.5 Решение задачи статистической динамики................................................146

5.6 Вычисление функции безопасности...........................................................148

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................153

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...................................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................................................................................184

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В настоящее время протяжённость магистральных продуктопроводов в Российской Федерации составляет около 200 тыс. км, промысловых трубопроводов - 350 тыс. км, для функционирования которых используются около 800 компрессорных и нефтегазоперекачивающих станций. Многие магистральные трубопроводы имеют большой срок эксплуатации, зачастую в экстремальных условиях, поскольку они прокладывались в самых разнообразных топографических, геологических, гидрологических и климатических условиях. Причиной повреждения и разрушения трубопроводов часто является ослабление стенки трубы из-за наличия трещиноподобных дефектов. При этом аварии и катастрофы, связанные со сбросом нефти и нефтепродуктов, составляют до 60% техногенных чрезвычайных ситуаций с экологическими последствиями.

В то же время в течение последних десятилетий созданы и продолжают интенсивно вводиться в строй уникальные по протяжённости новые сложные технические системы трубопроводного транспорта природного газа, нефти и нефтепродуктов. Разработка новых месторождений вызвала необходимость проектирования и строительства новых путепроводов в болотистых местностях, в зонах с повышенной сейсмической опасностью, и в других сложных условиях, таких как промерзающие пучинистые грунты.

В связи с этим задача расчёта показателей надёжности линейных частей существующих магистральных трубопроводов и обеспечения безопасности новых трубопроводных систем на стадии их проектирования в последние годы приобрела огромную актуальность. Однако до настоящего времени отсутствует теоретическое и экспериментальное обоснование составляющих запаса прочности, не учитывается стохастическая природа действующих нагрузок и характеристик используемых конструкционных материалов, что приводит к существенному увеличению металлоёмкости

4

трубопроводов и назначению неоправданно высоких значений коэффициентов запаса. Существующие в отрасли нормы и правила проектирования, основанные на нормативном методе расчёта конструкции по предельным состояниям, не позволяют проводить комплексную оценку надёжности в соответствии с современными требованиями, поскольку не учитывают в явном виде не только временные факторы, но и вероятностную природу характеристик несущей способности и нагрузок. При этом разработанные в других отраслях (авиастроении, ракетостроении, строительстве и т.д.) до уровня практических приложений методы количественной оценки надёжности, основанные на общей теории В.В. Болотина, используются в научных работах, посвященных конструктивной надёжности трубопроводного транспорта, и в практике проектирования и эксплуатации эпизодически и фрагментарно.

Поэтому целью настоящей диссертационной работы является разработка и апробация методов расчёта показателей надёжности проектируемых и находящихся в эксплуатации трубопроводных сооружений с учётом стохастического характера эксплуатационных нагрузок, рассеивания характеристик трещиностойкости и прочности элементов конструкций, наличия трещиноподобных дефектов и таких сложных условий эксплуатации, как промерзающие пучинистые грунты.

В магистральных нефте- и газопроводах отмечается неустановившийся

режим течения нефти или газа. Давление рабочей среды изменяется 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. 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. Волны

повышенного и пониженного давления вызывают динамические нагрузки,

которые могут привести к появлению напряжений, превышающих

5

разрушающие для элементов трубопровода. Вместе с тем, большая часть наблюдаемых повреждений происходит без видимых причин: внутреннее давление перекачиваемого продукта не превышает расчётного, отсутствуют пластические макродеформации в очаге разрушения, а механические свойства материала трубы изменяются в незначительных пределах. Подобные разрушения обычно обусловлены переменными нагрузками и носят усталостный характер. Число циклов переменных нагрузок при обычных условиях эксплуатации может достигать в год. Поэтому

при проектировании трубопровода как сложной технической системы необходимо учитывать возможность постепенных отказов при циклических нагрузках.

Основные задачи исследования

1. Разработка методики конечно-элементного решения трёхмерной задачи механики разрушения, моделирования поверхностных трещин в трубах.

2. Исследование применимости и практической реализации неканонического разложения на основе метода интерполяционных полиномов для решения задач статистической динамики.

3. Разработка методики количественной оценки надёжности трубопроводов с поверхностными трещинами при циклических нагрузках, основанной на применении метода интерполяционных полиномов.

4. Апробация разработанных методик расчёта показателей прочности и надёжности на реальных элементах надземных и подземных трубопроводных систем.

5. Разработка и апробация на реальной задаче оригинальной методики оценки надёжности трубопроводов, прокладываемых в промерзающих пучинистых грунтах.

Объектом исследования являются процессы изменения параметров состояния несущих элементов систем трубопроводного транспорта при

динамических случайных внешних воздействиях и в сложных условиях эксплуатации.

Предмет исследования - расчётно-экспериментальные методы определения показателей конструктивной надёжности трубопроводов на этапе проектирования и по результатам диагностики их эксплуатационного состояния.

Научная новизна

1. На основе метода интерполяционных полиномов создан эффективный по скорости и точности численный подход к решению задач статистической динамики для трубопроводов, эксплуатирующихся в промерзающих пучинистых грунтах.

2. Созданы эффективные процедуры, алгоритмы и методики расчёта показателей надёжности с учётом возможности постепенных отказов в элементах конструкции, эксплуатирующихся с распространяющейся усталостной трещиной в условиях циклического нагружения с постоянной и переменной амплитудами.

3. Разработан многоуровневый подход к анализу напряжённо-деформированного состояния продуктопроводов, основанный на использовании различных расчётных схем и метода конечных элементов.

4. Получены новые результаты количественной оценки показателей надёжности таких реальных трубопроводных систем, как напорный трубопровод технологической обвязки нефтеперекачивающей станции и подземная трубопроводная система, работающие в условиях циклической нагруженности с постоянными или случайными авмплитудами.

5. Разработана и апробирована оригинальная методика расчёта показателей надёжности трубопроводных систем, проложенных в промерзающих пучинистых грунтах.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка используемой литературы из 167 наименований и двух приложений.

В первом разделе проведён анализ существующих методов количественной оценки показателей надёжности конструкций, проведено их сравнение и описаны методы расчёта этих показателей, проанализированы достоинства и недостатки современных методов оценки конструктивной надёжности трубопроводов, сформулированы задачи исследования, приведённые в общей характеристике работы.

Во втором разделе предложена схема вычисления параметров разрушения с использованием метода конечных элементов для поверхностных трещин и предложены рекомендации по вычислению коэффициентов интенсивности напряжений для труб с поверхностными трещинами, которые можно использовать в инженерной практике проектирования.

В третьем разделе представлена эффективная методика моделирования реализаций случайных процессов сложной структуры неканоническим разложением с использованием метода интерполяционных полиномов, обоснованы процедура и алгоритм.

В четвёртом разделе приведены результаты применения разработанных процедур, алгоритмов и методик к анализу вероятности безотказной работы напорного трубопровода технологической обвязки нефтеперекачивающей станции, а также к оценке показателей прочности и надёжности подземной трубопроводной системы при наличии несквозной поверхностной трещины. При этом предложен и обоснован многоуровневый подход к анализу НДС продуктопроводов различной протяжённости, в рамках которого можно использовать расчётные схемы разной сложности. Согласно данному подходу на первом этапе рассматривается вся

трубопроводная система, для которой строится балочная модель. На втором этапе для наиболее опасного участка применяется уже оболочечная модель. И, наконец, на третьем этапе рассматривается лишь фрагмент стенки трубы, где имеется дефект или возможно его появление. Для этого фрагмента строится объёмная модель.

В пятом разделе разработана методика оценки и прогнозирования показателей надёжности и безопасности трубопроводов, прокладываемых в промерзающих пучинистых грунтах. Приведены результаты применения разработанных процедур, алгоритмов и методик к расчёту показателей надёжности и безопасности реального газопровода.

В основных результатах и выводах перечислены основные результаты диссертационного исследования, а также сформулированы основные выводы.

В приложении 1 представлены тексты программ-макросов, разработанных для автоматизации процессов построения в МКЭ-пакете А№У8 различных моделей рассматриваемого в диссертации трубопровода.

В приложении 2 представлен текст программы-макроса, разработанной для моделирования в МКЭ-пакете АК8У8 силового воздействия бугра пучения на подземный трубопровод.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ

КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ

1.1 Основные показатели надёжности конструкции и методы их расчёта

В настоящее время в ведущих в промышленном отношении странах сложилась практика оценки несущей способности R(t) и функции нагружения N(t) и, таким образом, расчёта прочности линейных частей трубопроводов и элементов их обвязки, основанная на нормативном подходе, традиционных методах строительной механики и использовании концепции коэффициентов безопасности.

Общие правила расчёта прочности трубопроводов, основанные на нормативном подходе, изложены в научных и методических работах [1, 13... 15, 20, 21]. Однако, нормативный подход имеет ряд недостатков.

Во-первых, существующие нормативные материалы зачастую превращаются в своего рода тормоз на пути совершенствования показателей металлоёмкости конструкции в той или иной отрасли промышленности.

Во-вторых, нормативные материалы регламентируют лишь часть вопросов, связанных с оценкой потребных значений несущей способности; в сущности, уровень надёжности конструкций при реализации таких подходов оценивается качественно, а не количественно.

В-третьих, не учитывается разнообразие эксплуатационных условий трубопровода (в том числе экстремальных), геометрических параметров стенки трубы, статистический разброс механических свойств используемого конструкционного материала, наличие трещиноподобных дефектов к началу эксплуатации трубопровода. В ряде случаев, как например, при анализе функционирования трубопровода в зоне пучинистых грунтов, вследствие недостатка данных о действительных условиях эксплуатации и возможных размерах бугров пучения, информация о них будет изначально носить статистический характер.

Поэтому доля исследований, направленных на практическое использование вероятностных моделей при расчёте прочности и надёжности трубопроводов, в последнее время существенно увеличивается.

Следует отметить, что интерпретация нормативных расчётов со статистических позиций основана на моделях, использующих элементарные понятия теории вероятностей. Упомянутые модели могут давать приемлемые результаты, если можно исключить из рассмотрения временные эффекты (например, процессы накопления повреждений и т.п.) и если нагрузка прикладывается квазистатически. Эти модели могут быть использованы также для нагрузок, непрерывно развертывающихся во времени, но только если в расчёты ввести распределение максимальных значений нагрузок на всем рассматриваемом отрезке времени.

В терминологическом стандарте по надёжности в технике ГОСТ 27.002-89 [27] изучаемые объекты подразделяются на системы и их элементы. Изделие, рассматриваемое с точки зрения надёжности как одно целое и характеризующееся определенными показателями надёжности, является элементом. Совокупность элементов, объединенных общим функциональным назначением, называется системой. Показатели надёжности системы определяются по показателям надёжности элементов и характеру их взаимного влияния.

Согласно терминолог�