Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ТОРОПОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДОВ ВНУТРИТРУБНЫМИ МЕТОДАМИ РЕМОНТА
25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов баз и хранилищ
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Тюмень - 2007 г.
Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете
Официальные оппоненты: Земенков Юрий Дмитриевич доктор технических наук, профессор, Малюшин Николай Александрович доктор технических наук, профессор, Азметов Хасан Ахметзиевич доктор технических наук, профессор.
Ведущая организация: ЗАО ПИРС г.Омск
Защита состоится 9 ноября 2007 г.
на заседании диссертационного совета Д 212.273.при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета
Автореферат разослан ___________.
Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук. ______________ С.В.Кузьмин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение надёжности и безопасности эксплуатации трубопроводов является одной из наиболее актуальных технических задач. Известно, что срок эксплуатации значительной части трубопроводов превысил или близок к нормативному. Поддержание работоспособного состояния трубопроводов невозможно без проведения восстановительных и ремонтных работ. Выполнение этой задачи сопряжено с большими капиталовложениями, а в сложных условиях прокладки и со значительными техническими трудностями.
Одним из перспективных направлений, позволяющих поддержать необходимый уровень эксплуатационной надёжности и снизить общие затраты, является применение внутритрубных методов ремонта. При этом минимизируются земляные работы, сокращается время поиска зоны дефекта, а в ряде случаев применение этих методов является единственно возможным способом восстановления трубопровода.
Внедрение новых способов строительства, в частности наклоннонаправленного бурения, при которых значительно снижается доступность к повреждённому участку трубопровода, ещё больше повышает актуальность работ в этом направлении, особенно при ремонте переходов через водные преграды глубокого заложения. Принимая во внимание важность проблемы и рост числа потенциальных объектов, в настоящее время активно разрабатываются внутритрубные методы, ориентированные на профилактические ремонтные работы, позволяющие снизить влияние вредных факторов и увеличить сроки эксплуатации трубопроводов.
Вместе с тем, до сих пор не решен комплекс задач по разработке основных требований к конструктивным решениям ремонтных элементов, методам их расчёта и способам доставки в зону ремонта, приведении имеющихся знаний в единый комплекс.
Всё это свидетельствует об актуальности темы исследований, как с теоретической, так и с практической точек зрения.
Цель работы состоит в обосновании и разработке теоретических положений и практических способов обеспечения работоспособного состояния подводных переходов трубопроводов, на основе применения внутритрубных ремонтных элементов.
Объект исследования. Подводные переходы нефтепроводов и водоводов.
Предмет исследования. Процессы восстановления исправного состояния подводных переходов трубопроводов с помощью внутритрубных ремонтных элементов.
Основные задачи
исследования.
В соответствии с поставленной целью, решались следующие основные задачи:
1. Разработать общие принципы по конструктивным решениям внутритрубного ремонтного оборудования и назначить области допустимого изменения основных параметров;
2. Обосновать формы упругих ремонтных оболочек и найти соответствующие им схемы нагружения с учетом возможного появления зон пластической деформации;
3. Провести моделирование и экспериментальное исследование работы конструкций внутритрубных элементов использующих для собственной деформации эффект памяти формы;
4. Получить зависимости по определению положения ремонтных элементов во внутренней полости трубопровода при установке на жесткой связи и оценить смещение при потере устойчивости штанг для различных компоновочных решений;
5. Разработать и исследовать модель процесса управления движением длинномерных упругих вставок во внутренней полости трубопровода в реальном масштабе времени;
6. Разработать технические решения и исследовать процессы соединения полимерных оболочек в полости трубы, найти зависимости прочностных характеристик от условий нагрева и геометрических параметров элементов.
Научная новизна исследования.
1. Исследовано формообразование и деформация симметрично нагруженных тонкостенных оболочек под действием внешних нагрузок, равномерно распределенных по их образующим. Получены и проанализированы данные о геометрии, распределении напряжений, и положении участков упругой и пластической деформации, позволяющие поведение ремонтной гильзы при снятии с нее нагрузок во время установки в рабочее положение и оценить остаточные деформации при разных схемах нагружения.
2. Дана оценка контактных давлений при монтаже образцов, имитирующих ремонтные гильзы, из СПФ на плоской модели трубопровода. Установлено влияние начальной формы оболочки на распределение контактных давлений для различных форм гофрирования. Разработана методика расчета замковых элементов для комбинированных гильз из СПФ.
3. Получены аналитические зависимости для определения положения ремонтного оборудования по отношению к дефекту трубопровода и оценке возможного смещения при потере устойчивости штанги при различных конструктивных схемах. Выявлено, что имеется оптимальное соотношение диаметров штанг, при которых ее критическая длина имеет выраженный максимум, слабо зависящий от диаметра ремонтируемой трубы.
4. Разработана математическая модель и программы численного решения для многослойных гильз с нелинейными теплофизическими характеристиками.
Получены зависимости температурных режимов от конструктивных параметров свариваемых элементов.
5. Экспериментально исследованы процессы соединения полиэтиленовых оболочек с помощью закладных элементов. Получены зависимости прочностных характеристик от основных конструкционных параметров и предложены практические рекомендации по их использованию при создании внутритрубного ремонтного оборудования.
6. Впервые разработана и исследована динамическая модель длинномерной внутритрубной вставки, с учетом ее основных геометрических параметров и физико-механических свойств материала. Получены точное и приближенное решения уравнения движения. Предложен эффективный метод численного решения уравнений, позволяющий проводить расчеты в реальном масштабе времени, с целью управления движением вставки на ремонтируемом подводном переходе.
7. Впервые выявлены закономерности движения длинномерных внутритрубных вставок, движущихся внутри трубопровода по профилю переменной кривизны. Показано, что движение на участках аппроксимированных монотонными функциями имеет неравномерный скачкообразный характер, что особенно проявляется на восходящих участках подводного перехода.
8. Разработана методика моделирования реальных профилей подводных переходов с помощью ряда аналитических функций. Дана оценка степени сходимости результатов расчетов скорости и положения вставки в зависимости от кривизны участка и общей длины перехода.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых методов и подходов, а также сопоставлением с соответствующими экспериментальными данными и известными результатами других авторов.
Практическая значимость и реализация работы.
Практическая ценность работы заключается в разработке теоретических положений внутритрубных методов ремонта, ориентированных на профилактические работы, позволяющие снизить влияние внешних воздействий и увеличить сроки эксплуатации трубопроводов:
- в работе предложены конструкции ремонтных гильз для дистанционного ремонта внутренней полости трубопроводов из сплавов с памятью формы с покрытием из экзотермических порошков;
- разработан новый способ соединения внутренних полиэтиленовых оболочек сваркой закладными элементами;
- предложена технология ремонта подводных переходов гильзами из сплавов с памятью формы и обоснованы основные конструкционные решения ремонтного оборудования;
- разработано программное обеспечение расчетов многослойных гильз с нелинейными теплофизическими параметрами;
- предложен пакет программ по расчету движения длинномерных гибких оболочек по внутренней полости трубопровода в режиме пневмотранспорта;
- созданы экспериментальные установки, позволяющие проводить исследования основных параметров внутритрубных ремонтных элементов.
Результаты исследований использованы в практической деятельности ОАО Гипротюменьнефтегаз.
Разработки автора используются в учебном процессе ТюмГНГУ при чтении курсов лекций Ремонт нефтегазопроводов и при переподготовке специалистов трубопроводного транспорта на факультете повышения квалификации при ТюмГНГУ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались в 1997 - 2005 г.г. на международных, всероссийских и региональных конференциях посвященных проблемам трубопроводного транспорта, в том числе:
- научно-технической конференции Энергосбережение при освоении и разработке северных месторождений Западно-Сибирского региона, - Тюмень: 1997;
- всероссийской научно-технической конференции Тюменская нефть вчера и сегодня, - Тюмень: 1997;
- всероссийской научно-техническая конференция Нефть и газ Западной Сибири, - Тюмень: 1998;
- международной научно-практическая конференция Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях, -Тюмень: 2001;
- региональная научно-техническая конференция. Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли, - Тюмень: 2001;
- научно-технической конференции Транспортный комплекс-2002,- Тюмень: 2002;
- региональной научно-технической конференции Нефть и газ: Проблемы недропользования добычи и транспортировки, - Тюмень: 2004;
- международной научно-технической конференции Интерстроймех-2005, Тюмень: 2005;
- региональной научно-технической конференции Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли, - Тюмень: 2005.
На защиту выносятся результаты теоретических обобщений, экспериментальных исследований и научно-обоснованные практические рекомендации по созданию методов внутритрубного ремонта трубопроводов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе монография.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов и приложения. Работа содержит 272 листов машинописного текста, 94 рисунка, таблиц, списка литературы из 151 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, задачи и основные направления исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость работы.
В первом разделе представлено современное состояние проблемы, проведен анализ условий эксплуатации и ремонта подводных переходов нефтепроводов и водоводов.
Общетеоретическим и прикладным вопросам ремонта трубопроводов и экологической безопасности их эксплуатации посвящено значительное количество работ Азметова Х.А., Березина В.Л., Бердышева В,В., Бобылёва Л.М., Бородавкина П.П., Васильева Г.Г., Векштейна М.Г., Гетманского М.Д., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., Забела К.А., Земенкова Ю.Д., Зубаирова А.Г., Иванова В.А., Кузьмина С.В., Левина С.И., Левитина Ю.И., Малюшина Н.А., Маричева Ф.Н., Мингалёва Э.П., Мугаллимова Ф.М., Мустафина Ф.М., Нефедова Н.Ф., Новосёлова В.В., Орлова В.А., Примина О.Г., Продоуса О.А., Сапожникова Е.В., Султанмагомедова С.М., Харькина В.А., Храменкова С.В., Шамазова А.М и других авторов из анализа работ которых следует, что комплекс задач, относящихся к внутритрубному ремонту, по разработке основных требований к конструктивным решениям ремонтных элементов, методам их расчёта и способам доставки в зону ремонта, приведении имеющихся знаний в единый комплекс, до сих пор не решен.
В работе дана классификация и приведена характеристика внутренних повреждений. Показано, что аварии трубопроводов, являющиеся, в большинстве случаев, результатом развития эксплуатационных дефектов, вызываются действием двух групп факторов. Первая группа связана со снижением несущей способности трубопровода, вторая - с увеличением нагрузок и внешних воздействий.
Снижение несущей способности нефтепровода происходит из-за развития дефектов в стенке труб, в частности различных видов коррозии, а так же старения металла под действием циклических нагрузок.
Вторую группу составляют нагрузки и внешние воздействия, которые изменяют напряженно-деформированное состояние трубопровода.
Особенно опасными являются трубопроводы, транспортирующие многофазные среды. Как показывает опыт эксплуатации, основными причинами нарушения их герметичности являются коррозионные процессы, поражающие внутреннюю поверхность трубы. На их долю приходится треть всех аварий.
Особенно высокая скорость коррозии наблюдается в трубопроводах, по которым продукция транспортируется с низкими скоростями.
Показано существование определенных закономерностей в расположении дефектов от профиля подводного перехода. Поражение металла в виде пятен, каверн развивается в основном на горизонтальных и нисходящих участках. В начале восходящих участков образуются поражения в виде рельефных канавок (ручейковая коррозия). Ручейковая форма разрушения наблюдается при обводненности нефти. В случае канавочной коррозии трубопровода относительные потери металла по сечению трубы незначительны. Изменения толщины стенки вне канавки незначительны и находятся в пределах допусков на толщину стенки труб.
Показана прямая взаимосвязь коррозионных разрушений со структурными формами газожидкостного потока. Коррозионные разрушения нижней части трубопровода во многом связаны с содержанием в трехфазном потоке механических примесей, которые выпадают на дно трубы в процессе транспорта нефти и при движении вызывают абразивный износ трубы по нижней образующей, способствуя тем самым росту интенсивности коррозии в данной области.
Для сохранения работоспособного состояния перехода особое значение имеют профилактические мероприятия по защите внутренней стенки подводного трубопровода и предотвращению развития дефекта.
Автором приведен анализ технологий и материалов, основных компании мира, имеющих опыт внутритрубного ремонта трубопроводов. Выявлены основные тенденций в развитии методов ремонта трубопроводов для участков сложного профиля и ограниченного доступа к местам дефектов, показано, что в этих условиях, весьма эффективны методы, основанные на использовании внутритрубных многофункциональных технологических устройств.
Обоснована необходимость в разработке и научно-методическом обеспечении новых технологий и технических средств, особенно для дистанционного ремонта внутренних дефектов трубопроводов.
Второй раздел посвящен разработке методов расчёта внутритрубных элементов для локального ремонта подводных переходов трубопроводов.
Внутритрубные технологии и соответствующие технические средства базируются на применения ремонтных элементов, выполненных, либо в виде коротких металлических гильз, имеющих длину в несколько диаметров (рис. 1а), или длинномерных пластиковых элементов длинной до нескольких сотен метров.
Основой металлических вставок служит сталь с различными механическими свойствами (соответственно для пластически деформируемых или упруго деформируемых гильз) или сплавы с памятью формы (СПФ), деформация которых происходит при их нагреве непосредственно в зоне дефекта.
Для герметизации и адгезии на наружную поверхность вставок наносятся мастики или пластиковые покрытия, которые позволяют получить монолитную многослойную конструкцию, защищающую внутреннюю полость трубопровода от разрушения и воздействия агрессивных сред.
Металлические гильзы используются так же в качестве стопорных элементов, когда пластиковая тонкостенная изолирующая труба, установленная в месте дефекта, после радиального воздействия на ее торцевые части, удерживается в зоне дефекта металлическими гильзами, а после термической деформации за счет адгезии и трения пластика (рис. 1б).
Длинномерные элементы выполняются из пластика и соединяются во внутренней полости трубопровода коннекторами или закладными термоэлементами (рис. 1в).
а) б) в) Рис. 1. Схемы внутритрубных ремонтных элементов.
На основе анализа основных факторов определяющих выбор метода ремонта, в работе предложена типология внутритрубных элементов (рис 2).
Термическое воздействие на Снижающие гидравлическое элементы из пластиков сопротивление Термическое Замковые Коннекторы воздействие на элементы из СПФ Разрывные Упрочняющие Снятие внешних связей с упругих оболочек Гофрированные Изолирующие Деформация Цилиндрические Герметизирующие внутренними центраторами Конструкции ремонтных Способ установки в Функциональное элементов рабочее положение назначение Типология ремонтных элементов Размерный ряд Способ доставки к Материал ВРЭ месту дефекта Гильзы Жесткая связь Стали Длинномерные Пластики элементы Гибкая связь СПФ Полноразмерные Режим элементы - пневмоЭкзотермические способ труба в транспорта порошки трубе Рис. 2. Типология внутритрубных ремонтных элементов.
В зависимости от выполняемых функций эти элементы подразделяются на:
- герметизирующие, предотвращающие истечение транспортируемого продукта за счёт механического запирания свищей;
- изолирующие, перекрывающие доступ транспортируемого продукта к внутренней поверхности трубы, в частности, в зону активной коррозии или в зону сварного незаизолированного шва и т.д.;
- упрочняющие элементы, повышающие прочностные характеристики трубы в области ремонтируемого дефекта;
- коннекторы, исполняющие роль внутренних муфт, соединяющих внутритрубные вставки;
- снижающие гидросопротивление за счёт использования материалов или внутренних покрытий, имеющих более низкий коэффициент гидравлического сопротивления.
В качестве основных материалов для ВРЭ рассматриваются:
- стали, обладающие соответствующими антикоррозионными свойствами, и в зависимости от конструкции ВРЭ, повышенной пластичностью или упругостью;
- полиэтилен, в качестве основного конструкционного материала для длинномерных РЭ, а так же в качестве покрытия ремонтных гильз;
- сплавы с памятью формы, в частности никелид титана, как материал, имеющий необходимые конструкционные и технологические свойства;
- объёмные пакетируемые элементы из смеси веществ, при внешнем инициировании вступающие в экзотермические реакции, с целью нагрева ВРЭ на основе эффекта памяти формы.
Доставка ВРЭ в ремонтную зону может быть осуществлена, как с помощью гибкой или жесткой связи, в частности буровых штанг установок направленного бурения, так и автономно при помощи компрессоров для перемещения ВРЭ в режиме пневмотранспорта. Во втором случае необходимо обеспечить управление положением ремонтного элемента внутри трубопровода в реальном масштабе времени.
Способ установки и фиксации в рабочем положении определяется конструкцией и материалом ВРЭ. В работе рассмотрены установка в рабочее положение ВРЭ, с применением оборудования, построенного по принципу внутренних гидравлических центраторов (при пластической деформации внутренних гильз), а так же установка на основе предварительно упруго деформированных ВРЭ, которые после снятия внешних связей принимают рабочее положение. Гильзы, изготовленные из сплавов с памятью формы, принимают рабочее положение при их нагреве до температуры срабатывания сплава.
В данном разделе рассмотрены методы расчёта внутритрубных элементов для локального ремонта подводных переходов трубопроводов, выполненные в виде коротких металлических гильз.
Для обеспечения работоспособности элементов и сохранения эксплуатационных свойств ремонтируемых трубопроводов, определены области допустимых изменений и назначены ограничения на основные конструкционные параметры: толщину оболочки, её гидросопротивление и силы трения о стенку трубы.
В частности, один из основных параметров ремонтной гильзы - полная толщина оболочки. От её величины зависит усилие деформации гильзы, прочностные характеристики, общие энергозатраты ремонта и т.д. На основании обобщения требований, получена допустимая толщина стенки - не более 5 % от внутреннего диаметра трубы.
Согласно проведённой оценке установка ремонтных гильз при максимально необходимой толщине стенки (4-6 мм) вызывает незначительные по величине потери напора, которые не могут повлиять на гидравлический режим трубопровода.
Силы трения, обеспечивающие рабочее положение гильзы в трубопроводе, определяются с одной стороны физико-химическими свойствами продуктов отложения на стенке трубопровода, а с другой стороны материалом и конструктивным решением внутритрубных элементов. Так при определении коэффициента трения в нефтепроводе его значение зависит от соотношения парафинового ряда в составе внутренних отложений. Коэффициент трения смазанных стальных поверхностей при комнатных температурах для чистых парафинов изменяется в довольно широких пределах от 0,26 у нонана, с длиной молекулярной цепи С9, до 0,11 у триаконтана с длиной цепи С30. Необходимо отметить что начиная с длины молекулярной цепи С22 значение коэффициента трения сохраняет практически постоянное значение. Таким образом, анализ изменения коэффициента трения при температурах перекачки показывает, что область его изменения лежит в интервале от 0,11 до 0,4, и определяется составом перекачиваемого продукта, температурой и степенью очистки внутренней стенки трубы. Сила трения между внутренней поверхностью трубы и внутритрубным устройством может быть получена из выражения:
aFтр = LpDf (Cx ) (1) q(a)da где: q() - распределение усилий прижатия по сечению гильзы;
- угол раскрытия разрывной гильзы (для цельной гильзы =2);
f (Cx) - коэффициент трения, как функция длины молекулярной цепи.
Сравнительный расчёт сил трения и усилий сдвига от потока жидкости показывает кратное превышение трения в рассматриваемой размерной области, что гарантирует статическое положение гильзы в трубе.
Общим условием доставки гильзы к месту установки в зоне дефекта, является её предварительное деформирование в поперечной плоскости. Это уменьшает габариты и даёт возможность перемещать её по внутренней полости трубы к месту монтажа. В разделе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований деформации для 1) упруго-деформируемых, 2) пластически-деформируемых и 3) гильз использующих для трансформации эффект памяти формы.
Исследование формы упругой гильзы, моделирующей реальные ремонтные конструкции, проводилось экспериментально на установке плоская модель сечения. Это связано с тем, что при больших деформациях, в сечении появляются пластические зоны, и получение аналитических выражений для расчёта формы оболочки становится невозможным. При этом особый интерес представляют переходные сечения оболочки, при которых наблюдаются участки как упругодеформированные, так и пластически деформированные.
Установка представляет собой плиту с закрепленными на ней подвижными упорами, число (максимум 8) и угловые координаты которых могли изменяться.
В центре устанавливалась оболочка, которая при радиальном синхронном перемещении упоров симметрично деформировалась. Схема нагружения оболочки для восьми упоров приведена на рисунке 3. Ширина деформируемой оболочки составляла 20 мм. Материал легированная сталь. Координаты оболочки снимались графически.
С учётом этого, исследование формообразования упруго-деформированных гильз проводилось экспериментально в следующей последовательности:
1. Выбор силовой схемы нагружения - вида симметрии и числа упоров, исходя из диаметра и толщины стенок оболочки;
2. Деформирование образца;
3. Определение координат сечения оболочки;
4. Аппроксимация формы сечения аналитическими функциями;
5. Оценка изгибных напряжений по текущей кривизне оболочки.
Рис. 3. Схема нагружения оболочки.
Координаты вводились в программный комплекс Statistica, и по этим точкам строилась функция, описывающая линию гофры. По найденной функции определялась текущая кривизна и соответственно деформация наружных слоев материала. По диаграмме растяжения-сжатия используемой стали, через относительную деформацию, определялись текущие напряжения.
В результате были получены данные о геометрии оболочек, распределении напряжений и положении участков упругой и пластической деформации, в зависимости от толщины оболочки, её начального диаметра, количества точек приложения сил и величины радиального перемещения.
На рисунке 4 приведены результаты деформации оболочки диаметром 3мм с толщиной стенки =0,5. Величина смещения участков оболочки, к которым прикладывались усилия, в данной схеме нагружения равнялась 52 мм. При этом наблюдалось уменьшение диаметра описанной окружности на 38 мм соответственно (смещение наружных вершин гофр во внутрь на 19 мм).
152 1111111111111111111110,500 0,700 0,900 1,100 0,20 0,30 0,39 0,47 0,Участок 1 Участок Рис. 4. Формы гофры по участкам.
Такой подход позволил определить допустимое уменьшение габаритов упругих оболочек, наложением на них внешних связей, без образования зон пластической деформации.
Так же проведены исследования геометрических параметров гофрированных ремонтных гильз работающих полностью в области пластических деформаций. Получены расчётные зависимости и установлены предельные размеры гильз с постоянной кривизной гофр. Показано, что в этом случае отношение начального и конечного диаметра гильзы с увеличением числа гофр p.
стремится к Одним из перспективных направлений в области внутритрубного ремонта, является применение в ней материалов с памятью формы (СПФ). В работе проведен анализ технологических свойств и области возможного использования гильз из СПФ, при ликвидации повреждений на подводных переходах трубопроводов.
По результатам морфологического анализа, предложены основные конструктивные решения внутритрубных ремонтных гильз из СПФ, сформулированы технологические требования к ремонтным элементам и условиям их работы в полости трубопровода.
Следует отметить, что усилие, достигаемое с помощью элементов и конструкций из сплавов никелида титана, качественно отличается от усилий, которое можно было бы достигнуть с помощью упругих стальных пластин и пружин, различных стяжек и растяжек. Упругая сталь, как и любая растяжка, дает максимальное усилие в крайней точке деформации. По мере уменьшения деформации упругое усилие всегда падает. Усилие, создаваемое металлом с памятью формы в процессе восстановления первоначальной формы всегда постоянно на всех стадиях восстановления формы. Кроме того, установка упругих элементов в достаточно стеснённых условиях весьма трудоемка, а зачастую и просто невозможна, тогда как элементы с памятью формы возможно установить практически в любой конфигурации за счет свойств пластичности.
Ремонтные гильзы, использующие материалы с памятью формы условно можно разделить на пять типов:
1. Неразрывные цилиндрические оболочки, деформируемые по схеме растяжениеЦсжатие с постоянной кривизной по всему периметру оболочки;
2. Неразрывные цилиндрические оболочки, деформируемые по схеме предварительного гофрирования;
3. Разрывные пространственноЦориентированные цилиндрические гильзы;
4. Спиральные гильзы;
5. Замковые гильзы разных конструкций, в которых рабочий элемент, выполненный из СПФ, при своём срабатывании переводит оболочку в рабочее положение.
В целях изучения поведения элементов из СПФ в полости трубы разработана установка и проведено экспериментальное исследование деформации внутренней гофрированной гильзы.
Установка (рис.5) предназначена для исследования изменения геометрических параметров в процессе деформации ремонтного кольца и оценке его контактных давлений на стенки трубы в плоской модели трубопровода.
Материал кольца - NiTi, температура срабатывания 41-47 С, химический состав Никель 55,2%, Титан 44,8%, Углерод 0,037%, Кислород 0,10%, Азот 0,009%, Водород 0,0072%.
Рис. 5. Установка плоская модель.
Соотношение диаметров ремонтной вставки в развернутом и гофрированном состоянии в процессе эксперимента изменялось до величины 1,8.
При этом деформация в любой точке не превышала 8 %, что обеспечивало восстановления первоначальной формы СПФ.
В рамках эксперимента проведена оценка контактных давлений на стенки трубы, возникающих при деформации образцов имитирующих ремонтные гильзы.
Результаты обработаны в программном комплексе Statistica. Получены эпюры контактных давлений. Установлено, что распределение контактных давлений по внутренней поверхности установки не равномерно, и имеет максимумы в точках с первоначальным касанием элемента, что связано с характером деформации элемента. А именно, в первую очередь касание внутренней полости ремонтируемого участка происходит внешними точками гофр. Далее образец переходит в промежуточное состояние, при котором кривизна между точками касания меняет знак и испытуемый элемент упруго срабатывает по всему контуру ремонтируемой поверхности. Таким образом, равномерность эпюры давления является функцией количества гофр.
Одним из возможных конструктивных решений внутритрубных ремонтных элементов являются, как было сказано выше, замковые гильзы, которые могут быть выполнены по различным схемам, но общий принцип работы которых заключается в срабатывании рабочего элемента из СПФ и расклинивании стальной оболочки во внутренней полости трубопровода.
При этом необходимо определить зависимость сжимающей силы р от расстояния между концами рабочего элемента (рис.7). Упругая деформация СПФ может достигать 10%, однако зависимость напряжений от деформаций при этом существенно нелинейная. Обычно в таких случаях зависимость () берется в виде =А, причем 0<1. Такая же зависимость часто используется в теории малых упруго-пластических деформаций для аппроксимации зависимости интенсивности напряжений от интенсивности деформаций.
Недостатком такой аппроксимации является то, что d/d при 0, тогда как в действительности d/d = Е при = 0, где Е - модуль упругости материала. Кроме того, такая зависимость непосредственно может быть использована только при > 0, поэтому в процессе решения необходимо следить за знаком .
Y S X Рис.6. Схема замка гильзы.
Более универсальной и свободной от указанных выше недостатков является зависимость вида:
=Е1 ЦЕ33 (2) Где коэффициенты Е1 и Е3 можно определить из реальной диаграммы деформирования материала, в частности СПФ.
При использовании зависимости вида (2) удается получить аналитическое решение даже для геометрически нелинейной задачи, если пренебречь распределенными нагрузками и осевой деформацией стержня. Ниже приведена последовательность расчёта рабочего элемента, полученная в результате решения данной задачи.
1. Задается значение 0 - угла поворота оси стержня в точке s = 0. По физическому смыслу задачи 0 0 < . Причем 0 = 0 при р ркр, где ркр - Эйлерова критическая сила, 0 при р .
2. Для заданного значения 0 из (3) находится р. Уравнение (3) решается численно методом хорд. В качестве начального приближения берётся значение р определенное из решения аналогичной задачи для линейно упругого материала при таком же 0. В решенных задачах для получения решения с 5Цю верными цифрами требовалось не более 5 итераций. Интеграл в (3) вычисляется по квадратурной формуле Гаусса.
q1+ 1- 2D3 p sin cos2 j l B1 (3) = dj 2 2 p q0 p 1- sin sin j 3. По (4) находится координата х правого конца стержня. Интегралы в (4) так же вычисляются по квадратурной формуле Гаусса. По условию задачи должно быть х > 0, поэтому, как только координата х станет меньше 0, решение прекращается.
B1 j q0 2 q2 x(j) = 2 1- sin sin j 1+ 1- 2D3 p sin cos2 j dj - s(j).
(4) 2 p 2 p Полученные значения р и х являются решением поставленной задачи. Для контроля находится max. При этом найденное значение max не должно превышать допустимой для данного материала величины.
Х (м) 0.0.__ __ 0.P (н) 350 400 450 500 550 600 650 7Рис.7. Зависимость расстояния Х от силы Р:
1-неленейный, 2-линейный.
На рис.7 показаны графики зависимости расстояния Х между концами стержня от сжимающей силы Р для линейно и нелинейно-упругого материала для стержня прямоугольного сечения h = 4 мм, b = 40 мм, l = 1 м. Параметры Е1 и Е3 равны:
Е1=1,1104 МПа, Е3=9,6105 МПа.
В третьем разделе представлены результаты исследований в области разработки технологии и технических средств, для доставки и установки внутритрубных ремонтных элементов на подводных переходах.
На основании проведённого анализа, были выявлены основные факторы влияющие, в рамках принятой технологии, на технические и технологические возможности внутритрубных ремонтных устройств, а именно:
- точность установки гильз в рабочее положение по продольной координате трубопровода;
- точность установки по сечению трубопровода (угловая ориентация);
- неравномерность усилий деформации по сечению;
- влияние цикличности процесса на основные параметры.
В соответствии с этим, в разделе представлены результаты исследований влияния перечисленных факторов на характеристики ремонтного оборудования, дано обоснование принимаемых технических и компоновочных решений и получены аналитические зависимости для расчёта основных параметров.
Рис. 8. Положение штанги и ВРУ относительно дефекта при потере устойчивости штанги.
В частности, при использовании рабочей схемы с перемещением ремонтного оборудования с помощью жесткой связи, возникает необходимость определения положения ремонтной вставки по отношению к дефекту трубопровода и оценка возможного смещения гильзы вследствие потери устойчивости штанг установки ННБ. Определение смещения необходимо, как для точной установки ремонтного элемента внутри трубопровода, так и для обоснования длины гильзы.
Поскольку определение положения ремонтной вставки осуществляется по длине штанги, то её истинное положение будет определено с ошибкой равной разности абсолютной длины штанги и координатой вставки при потере устойчивости.
В качестве основной была выбрана расчетная схема, при которой штанги расположены по нижней образующей трубы, и при отклонении в любую сторону на них действует сила, стремящаяся вернуть их в положение равновесия.
С учетом этого выражения уравнение устойчивости штанг примет вид:
4 d w d w (5) H + T + fw = ds4 dsПолученное уравнение полностью совпадает с уравнением устойчивости балки на упругом основании и с уравнением устойчивости круговой цилиндрической оболочки при осевом сжатии. В работе проведен анализ имеющегося решения применительно к сформулированной выше задаче.
Необходимо отметить, что помимо веса штанги на стенку трубопровода действует сила, обусловленная дополнительным давлением от потери устойчивости штанги. Величина этой силы зависит от длины полуволны и будет тем больше, чем меньше длина полуволны, поэтому максимальная сила давления будет в первой полуволне. Добавочная сила трения от этой силы составляет, как показывают оценочные расчеты не более 10 % от величины силы F. Эта оценка значительно завышена, т.к. добавочная сила взята максимальной (по значению в первой полуволне) и постоянной по всей длине трубы, тогда как в действительности она изменяется от максимального значения в начале трубы до в конце трубы.
Длину стержня L, при которой сопротивления движению вставки Тдостигнет критического значения определится из уравнения:
2 2ЕJ Tо Lкр = (6) k (D - dе )mg mg Значение Lкр, получено при условии, что сжимающая сила постоянна и равна Тмах, тогда как в действительности она принимает это значение только в одной точке, что создаёт определенный запас при расчёте критической длины.
Из проведенных в работе расчетов результатов видно, что критическая длина штанги существенно зависит от диаметра трубопровода. При увеличении диаметра в два раза от 700 мм до 1400 мм она уменьшается примерно в 1,5 раза.
Критическая длина сильно зависит от коэффициента трения, его желательно уменьшать всеми возможными способами. В выражении (6) J и m зависят от de и di - внешнего и внутреннего диаметров штанги, значит и Lкр зависит от этих параметров. Выявлено оптимальное соотношение диаметров de и di, при котором Lкр имеет максимальное значение, причем это соотношение слабо зависит от диаметра трубопровода. Например, для стальной штанги с внешним диаметром мм оптимальный внутренний диаметр лежит между 80 и 85 мм.
Для сравнения критическая длина свободного шарнирно опертого стержня такого же поперечного сечения при сжимающей силе Т 10 Кн определенная по формуле Эйлера составляет всего 11,7 м. Это значит, что при использовании центрирующих колец их нужно ставить в начале примерно через 6 метров. Если же стержень лежит в трубе, то такой нагрузке соответствует критическая длина, равная примерно 1650 метрам для трубопровода диаметром 700 мм.
На основе полученных аналитических зависимостей создано программное обеспечение для расчета величины смещения и определении координаты ремонтного элемента при установке его в рабочее положение. Получены так же аналитические зависимости и разработаны программы по расчету угловой ориентации внутренних ремонтных устройств в зависимости от центровки ремонтного блока.
В случае установки ремонтных элементов без предварительной раскачки трубопровода, при расчёте сил сопротивления, необходимо учитывать, что вытеснение продуктов перекачки из полости ремонтируемого трубопровода нестационарный процесс, характеризующийся непрерывным изменением массы и сопротивлением системы. Определяющее влияние на этот процесс оказывают гидродинамические параметры вытесняемого продукта и продольный профиль ремонтируемого участка рис. 9. Кроме того использование установок ННБ предполагает цикличность процесса перемещения ремонтного блока, а следовательно необходимость учёта динамики процесса.
Рис. 9. Расчётная схема вытеснения продукта перекачки из трубопровода:
1- трубопровод; 2- ремонтный блок; 3- направляющие штанги; 4 - установка ННБ; 5- профиль ремонтируемого участка; 6- вытесняемый участок продукта; zкоордината положения ремонтной установки; x- координата по длине трубопровода; L-длина трубопровода.
Расчётные значения ускорений и скоростей перемещения ремонтного блока определяются при этом по техническим характеристикам используемых установок наклонно-направленного бурения.
Тогда дополнительное усилие, действующее на ремонтный блок, от перемещения транспортируемого продукта определится как:
(L - z)pD dx pD2 (L - z)pD2 d x (7) F = lr + rg (hL - hz )+ r 8 dt 4 4 dt где: - коэффициент гидравлического сопротивления;
g - ускорение свободного падения;
h - разность отметок рассматриваемой точки и начала трубопровода.
Наличие внутренних отложений значительно увеличивают силы сопротивления. В начале движения ремонтного блока, перед его концевым уплотнением, отложения заполняют живое сечение трубопровода лишь частично.
В этом случае общее давление на уплотняющую манжету складывается из гидродинамического давления вытесняемой жидкости и контактного давления продуктов отложения. В дальнейшем сечение трубы перекрывается полностью и происходит формирование цилиндрической пробки.
При этом усилие на ремонтный блок увеличивается на величину:
4z fотlпр pD3rg Fпробки = (8) exp D -1 16z Для опорожнения полости ремонтируемого участка трубопровода, в нитку врезается вантуз, что увеличивает гидравлическое сопротивление всей линии вытеснения и соответственно усилие перемещения. Уравнение, учитывающие потери давления на трение в сливном патрубке, а так же местные потери давления, возникающие при изменении сечения трубы, имеет вид:
2 d D lв D 2 P = 0,251- rV + 0,5lrн V (9) D d d d где: lв - длина сливного патрубка;
d - диаметр сливного патрубка.
Оптимальные размеры сливных патрубков, обеспечивающих допустимую скорость перемещения ремонтного блока, определяются на основании расчета типовых технологических схем удаления продуктов перекачки, В разделе рассматриваются вопросы разработки технологии ремонта подводных переходов, с обоснованием состава ремонтного комплекса и его базовых характеристик. Как отмечалось выше, основным оборудованием в составе комплекса является ремонтный блок.
Ремонтный блок предназначен для установки гильз в рабочее положение в зоне дефекта. Конструкции ремонтных блоков, в отличии от силовых, различны для каждого типа гильз и определяются характером внешнего воздействия, необходимого для приведения предварительно деформированной оболочки в рабочее состояние.
Для упругих гильз конструкция выносного ремонтного блока определяется схемой деформации оболочки. Оболочка может удерживаться в деформированном состоянии упорами с внешней стороны гильзы или связями с внутренней стороны, как жесткими, так и гибкими. В соответствии с этим реализуются две основные схемы рабочего блока: первая предполагает использование внешних упоров, вторая любой механический разрыв внутренних связей.
Для пластически-деформированных гильз, основной задачей выносного ремонтного блока является пластическая деформация гофрированной оболочки в правильную цилиндрическую. Важным фактором, влияющим на качество ремонта и условия напряженно-деформированного состояния системы ремонтная вставка-трубопровод, становится правильный выбор кинематической схемы силового механизма. В качестве прототипа силового оборудования рассматривались внутренние центраторы, применяемые в трубопроводном строительстве. Исследовались их конструкционные и функциональные возможности, с целью применения существующих технических решений. На основе проведенного анализа был сделан вывод о нецелесообразности использование шарнирно-рычажных и клиновых центрирующих механизмов и необходимости использовать независимый привод, в частности гидроцилиндры.
В связи с этим, так же изучался вопрос о применении независимого раздельного гидропривода для деформации пластиковых оболочек, моделирующих длинномерные внутритрубные элементы. Для этого была спроектирована и создана полномасштабная модель элементов силового блока.
Деформировались концевые части оболочек и отдельные полноразмерные кольца. При этом максимальная длина деформируемой концевой части оболочки равнялась 190 мм, соответственно полноразмерного кольца 380 мм. Начальный внутренний диаметр деформируемых оболочек составлял не менее 300 мм, максимальный - 324 мм. Усилие, передаваемое на нажимную планку - по 950 Н для каждого из 16-ти поршней.
Проведенные исследования показали расхождение между расчетными значениями перемещений колец, в том числе и при расчете краевого эффекта, и фактически наблюдаемыми. Так как максимальная разность сил, развиваемых гидроцилиндрами, составляла не более 0,5 % для цилиндров, изготовленных по 8квалитету, а величина погрешности от разницы кривизны не превышала для установки 1%, неравномерность деформации, свыше расчётной, объясняется неоднородностью материала колец в пределах заводских допусков. В тоже время сопоставление результатов экспериментов с допусками геометрии трубы позволило сделать вывод о возможности использования данной силовой схемы при проектировании выносных ремонтных блоков.
Для ремонтных блоков устанавливающих гильзы из сплавов с памятью формы компоновочное решение предусматривает последовательную установку поршней с образованием между ними ремонтной рабочей камеры, в которой находится гильза из СПФ. Были проанализированы различные виды очистных и разделительных поршней, как импортных, так и отечественных, по всему типоразмерному ряду от 159 мм до 1420 мм. На основании изучения их технологических свойств, а так же результатов эксплуатации, выявлен ряд конструкций, которые приняты в качестве базовых при создании ремонтного блока комплекса.
Поршни изолирует ремонтную камеру от полости трубопровода, что даёт возможность создавать в камере избыточное давление и поднимать в ней температуру до величины соответствующей температуре срабатывания материала из СПФ. Теплоноситель подаётся в полость ремонтной камеры по направляющим штангам. Для предотвращения перетечек продуктов вытеснения, в полости рабочей камеры создаётся избыточное давление, величина которого зависит от характера перемещения поршня и определяется расчётом.
В разделе приведены основные компоновочные схемы рабочих блоков и их расчетные характеристики.
В четвертом разделе рассмотрены вопросы разработки технологии ремонта трубопроводов длинномерными внутренними вставками.
Процесс формирования нового (полиэтиленового) трубопровода внутри ремонтируемого заключается в следующем.
С одной из сторон ремонтируемого участка обустраивается монтажная площадка и делается сечение трубопровода, через которое последовательно одна за другой подаются полимерные трубы (вставки). Для образования герметичной непрерывной нитки они свариваются между собой. Для этого используется элемент из сплава, обладающего эффектом памяти формы с нанесённым термосоставом, который обеспечивает соосное соединение полиэтиленовых труб и их сварку.
Перемещение вставок осуществляется под действием давления Р воздуха или другой среды, действующего на диафрагму внутри полиэтиленовой трубы.
При нагреве элемента из СПФ изменяется его диаметр, при этом деформируются концевые части пластмассовых вставок так, что они прижимаются к внутренней поверхности стального трубопровода.
Кроме того, оплавив внутренние слои полиэтиленовых труб, кольцо вплавляется в толщу последних, обеспечивая тем самым герметичность соединения за счет выдавливания части расплава в пространство, образованное скосами торцевых поверхностей вставок.
Для расчета теплофизических параметров сварки полиэтиленовых оболочек разработана математическая модель многослойной термической гильзы (слой нагревателя-СПФ-полиэтилен-сталь-грунт) (10-13). При этом предполагается, что для всех материалов, кроме полиэтилена и металла с памятью формы, теплофизические величины являются константами.
Уравнение, начальные и граничные условия для слоя металла с памятью формы:
T2(r,z,) T2(r,z,) T2(r,z,) 1 2 = (r2(T2) )+ (2(T2) ) c r r r z z T2(r,z,0)=Tгр T в(T2-Tв)+2(T2) =q0(z) r r=r T(10) в(T2-Tв) = z z=L T2 =T3 r=r T2 T 2(T2) = 3(T3) r r r=r Для цилиндрического слоя полиэтилена:
T3 T3 T 1 pn pn c (T3 ) pn (T3 ) = r r (rpn (T3 ) r ) + z ( (T3 ) z T3 (r, z,0) = Tгр T3 = T4 r=r T4 T= (T3 ) pn r r r=r(11) T в (T3 - Tв ) = (T3 ) pn z z= L T2 = T3 r=r T2 T= 3 (T3 ) r r r=r Для ремонтируемой металлической трубы:
2 T4 T4 T4 T1 = + + 2 a r r r z T4 (r, z,0) = Tгр T4 = T3 z L, r = r T4 T = (T ) 4 3 r r z L, r = r(12) TT4 = Tгр z = ; в (T 4 - Tв ) = r |z|> L, r = r T4 = T5 r = r T4 T = гр r r r = r И уравнение теплопроводности для выделенного цилиндрического слоя грунта:
2 T5 T5 T5 T1 = + + 2 a r r r z гр T5 (r, z,0) = Tгр T4 = T5 r= r (13) T4 T 4 r = гр r r= r T5 = Tгр |z|= , r =R Обозначения:
aв - коэффициент теплоотдачи, l2 - коэффициент теплопроводности, T2 температура металла гильзы, Tв - температура воздуха в трубе, считается постоянной в процессе нагрева, r12 - внутренний радиус гильзы, r23 - внешний радиус гильзы, r34 - внешний радиус полиэтиленовой оболочки, r45 - внешний радиус ремонтируемой трубы, q0 (z) - плотность теплового потока, создаваемая нагревательным элементом, l3(T3) - коэффициент теплопроводности полиэтилена, L0 - размер по горизонтали цилиндрической гильзы, T2 - температура металла гильзы, l4 - коэффициент теплопроводности ремонтируемой трубы, lгр коэффициент теплопроводности грунта, lpn (T3 ),C (T3 ), r (T3 ) - коэффициенты pn pn теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности для полиэтилена, зависящие от температуры самого полиэтилена.
Разработана программа численного решения системы. Проведено тестирование программы на получении численного решения и сравнении его с точными, известными аналитическими решениями, для всевозможных вариантов эволюционных задач.
В результате получены распределения температуры по сечению различных конструкций и типоразмеров ремонтных термических гильз, на любой момент времени, а так же зависимости температуры от времени в заданном сечении гильз.
Определено время разогрева гильзы, необходимое для оплавления зоны контакта, в зависимости от конструкции и начальных условий работы ремонтного элемента (рис. 10-11). Это позволяет регулировать режимы сварки полиэтиленовых вставок в зависимости от внешних условий принятых технологических решений.
Рис. 10. Зависимость температуры от времени в заданном сечении.
Рис. 11. Зависимость температуры от расстояния.
Для определения оптимальных режимов сварки полимерных оболочек внутренними закладными элементами разработана экспериментальная установка, общий вид которой показан на рис. 12.
Целью экспериментальных исследований являлось определение режимов сварки по условию максимальной прочности сварного соединения.
Испытания проводились на образцах, изготовленных из полиэтиленовых труб (ПЭ80). Трубы предназначены для транспортировки природного газа и имеют соответствующую маркировку (ПЭ80 ГАЗ SDR11 22520,5 ГОСТ Р 50838-95).
Производитель ЗАО Завод АНД Газтрубпласт, Россия. В соответствии с сертификатом № Росс.Ru.АЯ 02.В 15563 трубы были изготовлены из сырья F3802В ОАО Ставропольполимер, как серийный выпуск.
Перед сваркой образцы для нормализации выдерживались в печи при температуре 70 С в течении 2 часов.
Испытания на прочность проводились на разрывной машине ЗИП Р-10 при скорости деформации 50 мм/мин и температуре 18 С (после выдержки образцов в течении 24 часов при комнатной температуре).
При назначении уровней варьирования зазора между образцами были учтены результаты, полученные в ходе предварительного эксперимента, который показал, что уже при расстоянии, равном 22-25 мм, валики грата, выдавливаемые в зазор, не соприкасаются между собой. Поэтому не происходит герметизации стыка. Вследствие этого, наибольшую величину зазора между образцами в ходе эксперимента не превышали более 20 мм. Наименьший зазор был равен 0 мм.
Рис. 12. Общий вид экспериментальной установки.
На основании проведенных исследований разработаны практические рекомендации по определению оптимальных режимов и условий получения прочных соединений. Получены зависимости прочностных характеристик соединения от условий нагрева и геометрических параметров элементов.
Так как после монтажа полиэтиленовой вставки между ней и ремонтируемой трубой сохраняется зазор, в разделе разработана методика расчёта параметров сечения полиэтиленовая вставка - трубопровод. Получены выражения для расчета параметров двухслойного трубопровода, максимально использующие сопротивления как пластмассовой, так и стальной трубы.
Получены аналитические зависимости для оценки влияния краевого эффекта на деформации внутренней ремонтной вставки при её установке в рабочее положение.
В пятом разделе рассмотрены вопросы динамики движения длинномерных ремонтных элементов по переходам сложного профиля.
Проведен анализ сил действующих на ремонтные элементы, исследование движения внутри пространственно искривленного стального трубопровода, приводятся решение полученных уравнений методом конечных разностей, а так же методом Галеркина.
Выявлен характер движения ремонтного элемента на различных участках профиля.
В частности, для прямолинейного участка, трубопровода с наклоном и длиной элемента трубы ds уравнение имеет вид:
u EA 2u = - g(sin a + k cosa ) (14) 2 t g s где: u(x,t) - перемещение элемента;
A - площадь сечения трубы;
E - модуль упругости материала трубы;
g - погонная масса трубы;
g - ускорение свободного падения.
Начальные условия:
u(x,0) = 0, (15) u(x,0) = 0.
t Граничные условия:
u(0,t) EA = TA = 0, s (16) u(l,t) EA = TB.
s Уравнение описывает поступательное движение и продольные колебания ремонтной вставки и является линейным неоднородным дифференциальным уравнением 2-го порядка гиперболического типа.
Дана оценка и показано, что в виду малости амплитуды продольных колебаний, для реальных размеров ремонтных элементов, в расчетах можно использовать уравнение движения центра масс.
В разделе приводится вывод уравнения движения ремонтной вставки внутри изогнутого стального трубопровода моделирующего участок подводного перехода.
Рис. 13. Силы, действующие на элемент ремонтной вставки:
i, k - орты декартовой системы координат XOZ; t, n - единичные векторы, направленные по касательной и по нормали к оси трубы в сторону вогнутости;
FA, FB - силы, действующие в сечениях A и B трубы, причем F = Tt + N n ;T и N - тангенциальная и перерезывающая силы, соответственно; M, M - изгибающие А В моменты в сечении А и В ; P, Q - силы веса и реакции, действующие на рассматриваемый элемент; F,F - силы инерции; F - сила трения;. c = - тр t n R кривизна оси трубы.
Полученное уравнение является нелинейным дифференциальным уравнением в частных производных.
2 u u d c g - EA - EJ c + g g sin j + 2 ds t s (17) d c u + f EJ - EA c g g cos j = s ds Начальные и граничные имеют вид:
u (s, 0 ) = 0, v (s, 0 ) = 0, дu (18) T (0, t ) = EA = 0, S = дs дu T (l, t ) = EA = T, S = l B дs где: l - длина ремонтной вставки;
TB - сила тяги, приложенная к т. B трубы.
Данное уравнение не имеет аналитического решения, поэтому был применен метод конечных разностей.
Для управления в реальном масштабе времени получено упрощенное решение уравнения методом Галеркина. При этом время расчетов сокращается примерно в 100 раз и составляет несколько секунд, что позволяет управлять движением ремонтного элемента и отслеживать положение и скорость на любой момент времени. При этом расхождение между точным и приближенным решениями не превышает для сложных профилей переходов 10%.
Ниже представлены результаты расчетов для сравнения точного и приближенного решения движение ремонтной вставки длиной l = 20м по трубопроводу, ось которого определяется уравнением:
h px p y = sin - (19) 0 x 2 при 2 l Ширина перехода ~1000 метров, глубина ~2 метра. Задача решалась при следующих исходных данных: внутренний диаметр трубопровода D = 1,02м, ВН внешний диаметр ремонтной вставки d = 0,9м, толщина стенки 15мм, коэффициент трения k = 0,2, расход воздуха q = 0,05кг / сек.
Зависимости v(t) и DP(t) приведены на рис. 14-15.
V,м/с 5.4.3.2.1.t,сек 0.0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.Рис. 14. Скорость движения:
1 - точное решение; 2 - приближенное решение.
P,кПа 5.3.2.1.0.0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.t,сек Рис. 15. Перепад давления:
1 - точное решение; 2 - приближенное решение.
Анализ результатов расчетов показывает, что приближенное решение обеспечивает приемлемую точность. Кроме того, имеется возможность уточнять приближенное решение, выбирая более сложную аппроксимацию для U (x,t).
Закон движения внутритрубного элемента u(s, t) определяется из уравнения, которое является нелинейным уравнением в частных производных двух независимых переменных s и t и неизвестных функций u, c иj. В такой постановке данная задача не разрешима, необходимо знать кривизну и угол наклона в каждой точке трубопровода. Поэтому все участки трубопровода, на которых и учитываются эти функции, необходимо аппроксимировать аналитическими функциями.
В разделе проведена аппроксимация профилей подводных переходов функциями синуса, сопряженными окружностями и кубическим полиномом.
Графики этих функций, исходя из практики проектирования, лучше других представляют профиль подводного перехода полностью, либо отдельные его части.
Полученные зависимости позволяют рассчитать движение ремонтной вставки по трубопроводу любого профиля управлять ее движением в реальном режиме времени.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Разработана типология внутритрубных ремонтных элементов (ВРЭ).
Установлены конструктивные и технологические требования к ВРЭ и определены области возможного изменения основных параметров, с учетом сохранения технологических свойств ремонтируемых трубопроводов.
2. Предложены и обоснованы формы сечений и схемы деформации упругих гильз по условию прохождения по внутренней полости трубопровода. Получены и обобщены экспериментальные данные по деформации упругих ремонтных оболочек, распределении внутренних напряжений и положении участков упругой и пластической деформации. Проведено моделирование работы ремонтных гильз из СПФ при установке в рабочее положение на плоской модели трубопровода.
Оценено распределение контактных давлений по периметру сечения для различных видов гофрирования оболочки.
Разработана методика расчета замковых элементов из сплава с памятью формы для комбинированных ремонтных гильз.
3. Определены условия работы и потери устойчивости направляющих штанг внутренних ремонтных блоков. Установлена идентичность уравнений устойчивости штанг в трубе и балки на упругом основании. Получены аналитические зависимости для определения положения ремонтных элементов для различных схем крепления. Получены аналитические зависимости для расчета угловой ориентации внутренних ремонтных элементов.
4. Разработана методика расчета основных технологических параметров оборудования для внутритрубного ремонта трубопроводов, с учетом динамического сопротивления вытесняемого продукта и продуктов очистки полости трубопровода в циклическом режиме.
5. Разработана математическая модель многослойной термической гильзы с нелинейными теплофизическими характеристиками с функцией управления сваркой полиэтиленовых оболочек. Исследован аналитический вариант решения.
Разработана программа численного решения.
6. Разработана экспериментальная установка и методика исследования режимов сварки полимерных оболочек. Получены зависимости прочностных характеристик соединения от условий нагрева и геометрических параметров элементов. Разработаны практические рекомендации по определению оптимальных режимов сварки.
7. Разработана и исследована динамическая модель, описывающая движение длинномерной внутритрубной ремонтной вставки по профилю переменной кривизны. Получены уравнения движения и их решения методом конечных разностей.
Получены приближенные уравнения движения внутритрубной ремонтной вставки. Показано, что влияние геометрических характеристик вставки учитывается в данных уравнениях в неявном виде через силовые факторы.
8. Предложен эффективный метод численного решения приближенных уравнений, позволяющий проводить расчеты в реальном масштабе времени и управлять движением вставки.
Выявлены участки наибольших расхождений численных значений скорости движения и координат положения ремонтной вставки и их связи с аппроксимирующими функциями.
Основное содержание диссертации опубликовано в 39 работах:
в журналах и изданиях рекомендованных ВАК 1. Торопов С.Ю., Торопов В.С. Методика предсказания надежности нефтегазотранспортного оборудования // Известия высших учебных заведений:
серия Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1997г., №6.
2. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М., Сапожников Е.В. Транспортировка внутренних полиэтиленовых вставок к месту монтажа // Журнал Известия ВУЗов, серия Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003г., №1.- С.71-76.
3. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М., Сапожников Е.В. Приближенное решение уравнения движения полиэтиленовой трубы внутри трубопровода // Журнал Известия ВУЗов, серия Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003г., №3.- С. 49-53.
4. Торопов С.Ю., Бердышев В.В. Применение закладных металлических элементов при соединении пластмассовых труб// Журнал Известия ВУЗов, серия Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2005г., №1.
5. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М., Пономарева Т.Г., Качур В.М.
Определение положения ремонтного оборудования во внутренней полости трубопровода // Журнал Известия ВУЗов, серия Нефть и газ. - Тюмень:
ТюмГНГУ, 2005г., №4. - С. 67-71.
6. Торопов С.Ю., Торопов Е.С. Внутритрубные ремонтные гильзы на основе сплавов с памятью формы // Журнал Известия ВУЗов, серия Нефть и газ.
- Тюмень: ТюмГНГУ,. 2006г., №6.
7. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М. Расчёт комбинированных ремонтных гильз с элементами памяти формы // Журнал Известия ВУЗов, серия Нефть и газ. Тюмень: ТюмГНГУ, 2007г., №1. - С. 54-59.
8. Торопов С.Ю., Пономарева Т.Г. Расчёт температурного поля ремонтного элемента // Известия Вузов. Журнал Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007г., №2. - С. 53-59.
монографиях 9. Торопов С.Ю. Конструкции и расчёт оборудования для внутритрубного ремонта // СПб.: Недра, 2006г. - С. 200.
в других журналах и изданиях 10. Торопов С.Ю. Николаев Н.В. Работа пластмассового трубопровода проложенного внутри стального // Сборник научных трудов Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов в Западной Сибири - Тюмень:
ТюмГНГУ, 2003г.
11. Торопов С.Ю. Определение параметров бинарных внутритрубных полимерных покрытий трубопроводов // В сб. научн. тр.: Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001г. - С. 286-289.
12. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М., Прокопьев И.В. Оборудование для аварийного ремонта газонефтепроводов // Труда международной научнотехнической конференции Тюмень 2005г., частьII. - С.170-172.
13. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М. Вывод уравнения устойчивости стержня с ограничениями // Математическое и информационное моделирование. Сборник научных трудов. - Тюмень: ТГУ 2005г. - С. 114-121.
14. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М. Определение усилий при изгибе нелинейно-упругого стержня // Математическое и информационное моделирование. Сборник научных трудов. - Тюмень: ТГУ 2006г. - С.67-78.
15. Торопов С.Ю. Николаев Н.В. Вопросы ремонта газопроводов эксплуатирующихся на болотах и обводнённых территориях // Всесоюзная научно-техническая конференция Нефть и газ Западной Сибири, - Тюмень:
1998г. - С. 78 - 82.
16. Торопов С.Ю., Бердышев В.В. Исследование прочности соединений полиэтиленовых образцов, с закладными металлическими элементами // Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.
науч. тр. ЦТюмень: ТюмГНГУ, 2003г. - С. 152-156.
17. Торопов С.Ю., Бердышев В.В., Николаев Н.В. О длине зоны влияния краевого эффекта цилиндрической осесимметричной нагруженной оболочки // Нефть и газ: новые технологии в системах транспорта частьII: материалы региональной научно-практической конференции - Тюмень 2004г. - С. 56-58.
18. Торопов С.Ю., Зубарев Г.Ю., Салтанов Д.В. Взаимодействие ремонтной вставки с криволинейными участками трубопроводов // Сборник научных трудов Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России. - Тюмень:
ТюмГНГУ, 2001г. - С. 227-232.
19. Торопов С.Ю., Салтанов Д.В. Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли: Материалы региональной научно-технической конференции. - Тюмень, ТюмГНГУ, 2002г. - С.294-298.
20. Торопов С.Ю., Салтанов Д.В., Бердышев В.В., Сапожников Е.В. Расчет сил трения при движении в пространственно искривленных трубопроводах // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: материалы Международной научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г., часть II. - С. 87-93.
Подписано в печать __________ Бум. писч. № Заказ № _________ Уч. - изд. л. _____ Усл. печ. л. _____ Формат 60 84 /Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.
Издательство Нефтегазовый университет Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет Отдел оперативной полиграфии издательства Нефтегазовый университет 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.