Расчет толщины стенки газопровода

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ	6
ГЛАВА 1. ОПИСАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	7
1.1 Трубы и технологическое оборудование	7
1.2 Характеристика участка магистрального газопровода	7
1.3 Переходы  газопровода  через железные дороги	9
1.4 Климатическая характеристика участка производства работ	10
1.5 Геоморфология и рельеф местности	12
1.6 Геологическое строение района производства работ	13
ГЛАВА 2.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ	16
2.1 Механический расчет	16
2.1.1 Расчет толщины стенки газопровода	16
2.1.2 Расчет газопровода на прочность и устойчивость	17
2.1.3 Расчет газопровода с учетом суммарных напряжений	20
2.2 Вывод из механического расчета	20
2.3 Компьютерное моделирование надежности газопровода с выбранной толщиной стенки 12 мм	21
2.3.1 Математическое моделирование допустимого значения нагрузки на участок трубопровода при помощи пакета программ ANSYS. Обоснование необходимости компьютерного анализа	21
2.3.2 Инженерные расчёты как инструмент исследования процесса образования ЗКН	22
2.3.3 Методика эксперимента	22
2.3.4 Моделирование процесса сварки при капитальном ремонте	26
2.3.5 Результат переходного теплового анализа	27
2.3.6 Результаты моделирования надежности участка МГ	28
2.3.7 Моделирование совокупной внешней и внутренней нагрузок	29
2.3.8 Выводы из моделирования надежности	31
ГЛАВА 3.  МЕТОДИКА СООРУЖЕНИЯ ПЕРЕХОДА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА ЧЕРЕЗ ЖЕЛЕЗНУЮ ДОРОГУ НОВГОРОД – САНКТ-ПЕТЕРБУРГ	32
3.1 Общие данные	32
3.2 Выбор метода прокладки нового защитного футляра	33
3.3 Состав работ по ремонту перехода МГ через железную дорогу	33
3.4 Конструкция перехода МГ через железную дорогу	34
3.5 Последовательность ведения работ по прокладке защитного футляра диаметром  1420 мм	40
3.6 Расчет напряженного состояния плети газопровода при симметричном его подъеме	42
3.7 Организация работ	46
3.7.1 Требования к сборке труб защитного футляра МГ	46
3.7.2 Выбор метода прокладки защитного футляра	46
3.7.3 Технология и техника ручной дуговой сварки защитного футляра и новой рабочей плети МГ	47
3.7.4 Расчет пневмоударной установки для динамической прокладки защитного футляра типа «GRUNDORAM» при переходе МГ через железную дорогу	50
3.7.5 Изоляция сварных стыков защитного футляра	52
3.8 Организация прокладки нового защитного футляра под железной дорогой	55
3.8.1 Установка «GRUNDORAM»	55
3.8.2 Технология прокладки защитного футляра	57
3.8.3 Этапы перехода газопровода через железную дорогу	59
3.8.4 Расчет на прочность защитного кожуха  через железную дорогу	61
3.8.5 Результат расчета	63
3.9 Компьютерное моделирование. Теплотехнический  расчет трубопровода при переходе через железную дорогу	63
3.9.1 Инженерно-гео-криологические условия перехода через ж\д дорогу	64
3.9.2 Расчет коэффициента теплоотдачи газопровода	68
3.9.3 Постановка задач  компьютерного моделирования	69
3.9.4 Результаты теплотехнических расчета перехода МГ через ж\д	71
3.9.5 Результаты расчетов фазового состояния грунтов перехода	71
3.9.6 Вывод из теплотехнического моделирования надежности перехода	75
ГЛАВА 4. КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СТЫКОВ. ВЫБОР НАИБОЛЕЕ СОВЕРШЕННОГО МЕТОДА	77
4.1 Необходимость в контроле качества сварных соединений	77
4.2 Существующие методы диагностики магистральных газопроводов	78
4.3 Практическое сравнение методов диагностики МГ	79
4.3.1 Результаты рентгенографического контроля	80
4.3.2 Результаты ультразвукового контроля	81
4.4 Определение наличия напряжений в околошовной зоне и сварном стыке газопровода	83
4.4.1 Результаты контроля методом МПМ	84
4.5 Результат сравнения методов диагностики МГ	85
4.6 Исследование и выбор наиболее эффективного метода диагностики сварных соединений защитного футляра	86
4.6.1 Результаты контроля различными методами	87
4.7 Контроль напряженно-деформированного состояния защитного футляра МГ при переходе через железную дорогу	91
4.7.1 Определение наличия ЗКН методом магнитной памяти	93
Определе	93
4.7.2 Результаты контроля напряженного состояния периметра сварного соединения защитного футляра МГ	94
4.8 Вывод из контроля напряженного состояния защитного футляра	98
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РАБОТ	100
5.1 Воздействие объекта на почвенно-растительный покров	100
5.2 Мероприятия по охране почв	101
5.3 Мероприятия по охране растительного и животного мира	102
5.4 Охрана атмосферного воздуха. Характеристика видов и источников воздействия на атмосферный воздух	102
5.5 Оценка воздействия и обоснование мероприятий по охране атмосферного воздуха	103
5.6 Мероприятия по охране окружающей среды от отходов	104
ГЛАВА 6. ОХРАНА ТРУДА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РАБОТ	105
6.1 Анализ системы Ч-М-С	105
6.2 Выбор опасных и вредных факторов	106
6.3 Выбор причин возникновения опасных и вредных факторов, аварий	108
6.4 Формирование фрейма по степени тяжести последствий от воздействия факторов	109
6.5 Формирование матрицы	109
6.6 Результат матричного расчета	111
6.7 Расчет комбинированного освещения при капитальном ремонте МГ	111
6.8 Расчёт пылевой нагрузки и прогнозирование безопасного стажа работы	112
6.9 Мероприятия, направленные на предотвращение и снижение производственного риска	113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	116
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	117



ВВЕДЕНИЕ
     
     Трубопроводный транспорт газа в настоящее время является основным средством доставки газа от мест добычи, переработки или получения к местам потребления. Сеть магистральных газопроводов характеризуется значительной протяженностью, большим диаметром, значительным возрастом и высоким давлением перекачки. Газопроводы такой протяженности пересекают огромное число разнообразных препятствий: малых и больших рек, водохранилищ, озер, глубоких болот, грунтовых дорог и дорог с улучшенным покрытием сложенных слабыми грунтами.
     Для обеспечения безопасности линейной части магистральных газопроводов необходимо своевременное техническое диагностирование и выявление участков подлежащих ремонту, и проведение работ по реконструкции магистральных газопроводов. Современному процессу реконструкции газопроводов во многом присущи основные элементы техники, технологии и организации строительства: поточность как главная форма организации работ, комплексная механизация и т.п. 
     В данной работе рассматривается технология проведения работ по сооружению перехода МГ Серпухов-Ленинград через железную дорогу Новгород– Санкт-Петербург. Технология ремонта перехода МГ через железную дорогу позволяет выполнить работы без остановки движения поезда и нарушения целостности железнодорожной насыпи. Также в работе рассмотрены самые современные методы диагностики и неразрушающего контроля элементов сварных соединений магистральных газопроводов.


ГЛАВА 1. ОПИСАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Трубы и технологическое оборудование
     
     На рассматриваемом участке рабочее давление газопроводов 5,4 МПа, диаметр МГСерпухов-Ленинград 1020 мм, МГ Белоусово-Ленинград 1020 мм, газопровод-отвод к Новгород 325 мм. Исходя из рабочего давления и диаметра, газопроводы относится к I классу. В соответствии с п.6.4, таблицей 2 СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы», т.к. газопроводы проложены подземно и имеют номинальный диаметр менее DN1200, газопроводы относятся к IV категории.
     В зависимости от условий работы участки газопровода подразделяются на три категории: В, I, II, III и IV. Ведомость категорий участков газопровода в соответствии с требованиями п.6.5, таблицей 3 СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы», представлена в таблицах 5.1 -5.12.
     Сведения о выполнении требований к минимально-допустимым расстояниям от проектируемых объектов до ближайших строений, населенных пунктов, промышленных объектов и сооружений в соответствии с п. 7.15, таблицей 4 CП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы».
     
1.2 Характеристика участка магистрального газопровода
     
     На 606 км МГ Серпухов-Ленинград и 558 км МГ Белоусово-Ленинград трассы магистральных газопроводов поворачивают, обходя г. Великий Новгород с северо-востока. На км 606,5 МГ Серпухов—Ленинград и 558,0 МГ Белоусово-Ленинград подключается газопровод-отвод к ГРС Новгород-2 Ду 300.
     На всем протяжении данного участка проектируемые трассы МГ пересекают:
     *?1 железную дорогу;
     *?11 автодорог II-V категории, а также ряд лесных дорог;
     *?ряд малых рек и ручьев
     *?ряд крупных рек:
     ??р.Ниша км 595,4/км547,5,
     ??р.Крупица км 597,
     ??р.Мошна км 555,3/км 507,4,
     ??р. Мста км 602,3/км 553,9,
     ??р.Вишера км 620,9/км 573,1,
     ??р.Волхов км 639,7/км 592,7.
     
Таблица 1 - Основные технические характеристики газопровода.

Наименование характеристики
Значения
1
Диаметр трубы ремонтируемого газопровода
                Dу =1020 мм
2
Глубина залегания ремонтируемого газопровода (средняя)
1 м
3
Тип изоляции стыков заменяемой трубы
манжеты типа «ТЕРМА-
СТМП» армированные манжеты типа DIRAX
6
Метод испытания газопровода
гидравлический
7
Рабочее давление газопровода
5,4 МПа



1.3 Переходы газопровода через железные дороги
     
     Угол пересечения газопровода с железными и автомобильными дорогами, как правило, 90о, но не менее 60о.
     Угол пересечения с некатегорийными дорогами в соответствии с п.10.3.1 СП 36.13330.2012не нормируется. Укладка газопровода на переходах через железные и автомобильные дороги всех категорий с усовершенствованным покрытием капитального и облегченного типов предусматривается в защитных кожухах из стальных труб 1420х16 и 1020х13 марки стали В-ст3сп заводским полиэтиленовым покрытием. Футляр предназначен для отвода газа от дороги в случае его утечки из трубопровода. Толщина стенки труб определяется расчетом исходя из величины внешней нагрузки действующей на защитный кожух, способа прокладки его и грунтовых условий в створе перехода.
     При прокладке защитного футляра под дорогами контролируется глубина заложения футляра и его положение в горизонтальной и вертикальной плоскостях с учетом допускаемых отклонений оси от проектных положений:
     - по вертикали - не более 5 % от глубины заложения футляра за пределами насыпи с соблюдением проектного уклона;
     - по горизонтали - не более 1 % от длины защитного футляра;
     трубная плеть, протаскиваемая через защитный футляр, оснащается опорно-центрирующим устройствами из диэлектрических материалов. В таблице 2. предоставлены характеристики рассматриваемого перехода МГ через железную дорогу.
     
Таблица 2 – Ведомость через дорогу В.Новгород – Санкт-Петербург (км 48 ПК 0+91 перегона Спасская Полисть – Подберезье) по трассе газопровода МГ Серпухов-Ленинград Ду 1000


№ п/п
км трассы/
ПК трассы
Характеристика препятствия
Характеристика перехода


Наименование
Значение дороги
Количество путей
Ширина основания насыпи или по бровкам выемки, км
Угол пересечения, град.
Диаметр кожуха * толщина стенки, мм
Длина защитного кожуха, м 
Длина участка прокладки, м
Категория газопровода на пересечении с а.д.
Протяженность участка газопровода на пересечении с а.д.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
647,8/ПК1646+2,5
ж\д В.Новгород – Санкт-Петербург
Общего пользования
1
20.0
90
1420*16
118
Закрытая прокладка методом продавливания, 28
В
122

1.4 Климатическая характеристика участка производства работ
     
     Климат Новгородской области умеренно-континентальный, близкий к морскому. Его характеризуют избыточное увлажнение, нежаркое короткое лето, теплая продолжительная осень,
     мягкая зима и прохладная затяжная весна.
     Климатообразующие факторы определяются тремя взаимосвязанными факторами: географической широтой местности, от которой зависит количество солнечного тепла, циркуляцией воздушных масс и характером земной поверхности.
     По климатическому районированию для строительства трасса относится к району II B.
     Согласно: климатическому районированию СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия»
     (Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* Прил. Ж), СП 131.13330.2012 (СНиП 23.01.99* «Строительная климатология») исследуемая территория относится:
     - по весу снегового покрова к IV району;
     -по давлению ветра к II району;
     - по толщине стенки гололеда ко II району.
     Зима длится 4-5 месяцев, начинается в первой декаде и длится до конца марта – начала апреля. Зимой обычно стоит умеренно морозная погода с температурой воздуха до -10°. Сильные морозы бывают нечасто. Температура воздуха ниже -30° наблюдается при вторжении с северо-востока арктического воздуха, а также при восточных антициклонах. Средняя температура самого холодного месяца - января составляет минус 12,5°С. Абсолютный минимум температуры наблюдался в 1940 г. и составил минус 47,6°С. Осадков выпадает 42-26 мм в месяц. Средняя продолжительность залегания снежного покрова 144 дня. Средняя из наибольших толщина снежного покрова составляет 30-32 см, наибольший максимум – 66 см.
     Весна приходит в конце марта, и длится около двух месяцев. Переход средних суточных температур воздуха через 0°С в сторону положительных значений происходит во третьей декаде марта. Время схода снежного покрова приходится на начало апреля. Осадков выпадает от 30 до 59 мм в месяц.
     Лето достаточно теплое, но несколько короткое, начинается в начале июня и продолжается 3месяца. Наиболее теплый месяц лета - июль, его средняя  температура по территории участка составляет до 16.8°C. Абсолютный  максимум температуры может достигать 39°С. Среднее месячное количество осадков за летний период является наибольшим в году и составляет 71 –95 мм в месяц. 
     Осенью переход среднесуточной температуры воздуха к отрицательным значениям наблюдается во второй декаде ноября. В конце ноября  устанавливается устойчивый снежный покров. Осадков выпадает от 47 до 60 мм в месяц.

1.5 Геоморфология и рельеф местности
     
     Изучаемый район изысканий МГ «Серпухов-Ленинград» км 546,5 - км 606 и МГ «Белоусово-Ленинград» км 498,5 – км 558 расположен на Русской платформе в пределах Карбонового плато, которое сложено известняками нижне - и средне-каменноугольного возраста.
     Карбоновый уступ представляет собой выположенный склон шириной от 5 до 30 км и высотой до 70-100 м, прорезанный многочисленными глубокими современными долинами рек, интенсивно дренирующими водоносные горизонты каменноугольных отложений. Местами уступ замаскирован.
     Современный рельеф района участков изысканий МГ «Серпухов-Ленинград» км 606 – км 651,3 и МГ «Белоусово-Ленинград» км 558 км 604,0, газопровода - отвода к ГРС «Новгород-2» приурочен к озерно-аллювиальным и озерным равнинам и является результатом длительной континентальной денудации в течении мезозоя – неогена и последующей мощной ледниковой
     аккумуляции, связанной с оледенением антропогена
     Изучаемый район расположен на Русской платформе в пределах Прибалтийской низменности. Прибалтийская низменность – довольно однообразная слабоволнистая равнина, на которой отчетливо выделяется ряд возвышенностей и понижений. 
     В геоморфологическом отношении участок изысканий расположен в провинции аккумулятивного ледникового и водно-ледникового рельефа и приурочен к Ильменской и Тихвинской котловинам.
     Рельеф современной поверхности равнинный, плоский, слаборасчленённый. Тип рельефа – аккумулятивно-денудационный. Абсолютные отметки поверхности колеблются от 18 до 42 м.

1.6 Геологическое строение района производства работ
     
     Для определения геологического строения  и характеристик грунтов на  участке капитального ремонта необходимо воспользоваться результатами геологического обследования участка капитального ремонта. Результат геологических изысканий представлен в виде инженерно-геологического разреза (Рисунок 1).
     
     Рисунок 1. Инженерно-геологический разрез участка
     
     Данные в геологическом строении участка на изученную глубину, 4,0 – 7,0м принимают участие отложения неразделённые элювиально-делювиальные нижне-среднечетвертичные (e,dQI-III), аллювиальные среднечетвертичные отложения (aQII), современные элювиальные (еQIV) и техногенные образования (tQIV).
     
     Геологическая характеристика грунтов
     Современные техногенные грунты (tQIV) представлены насыпными грунтами, слагающими тело автодорожной и железнодорожной насыпи. Распространены с поверхности на переходах через автодороги и железную дорогу, буровыми скважинами не вскрыты, изучение состава и свойств насыпи в цель изысканий не входили.
     Современные элювиальные грунты (еQIV) представлены почвенно-растительным слоем – чернозёмом глинистым и супесчанистым . Распространен непосредственно с дневной поверхности практически на всём протяжении участка.
     Современные аллювиальные (аQIV) представлены суглинком и песками различной крупности. 
     Нижне-среднечетвертичные отложения элювиально-делювиальные (e,dQI-III) представлены различными глинами. Данные отложения развиты на коренном правобережном склоне и водоразделе.
     Нормативная глубина промерзания для суглинков и глин составляет 1,55 м, для мелких песков составляет 1,89 м.
     Согласно анализу проб грунта (рисунок 2) коррозионная агрессивность грунтов на глубине 1,5 - 2,0 м по отношению к стали – высокая.

     Рисунок 2 Анализ показателей отбора проб грунта 


ГЛАВА 2.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Механический расчет

2.1.1 Расчет толщины стенки газопровода

     Подбор материального исполнения трубопроводов выполнен согласно категории участка трубопровода, коррозионной активности, рабочего давления, температуры рабочей среды, климатических условий, а также выпускаемому заводами сортаменту труб.
     Толщина стенки трубопровода определяется из условия восприятия внутреннего давления и температурного перепада. 
     Данный газопровод относится к I классу в зависимости от диаметра трубопровода; к III категории в зависимости от назначения и прокладки трубопровода; категория участка трубопровода II.
     Расчет производится исходя из категории участка трубопровода.
     
     Определение расчетной толщины стенки:
    
                                                                                              (2.1)
     где п- коэффициент надежности по нагрузке;
     р - расчетное давление;
     Dн - наружный диаметр трубопровода;
     
           R1 - расчетное сопротивление растяжению:
                                                                                                       (2.2)
     где R1н - нормативное сопротивление растяжению;
     т - коэффициент условий работы трубопровода;
     k1 - коэффициент надежности по материалу;
     kн - коэффициент надежности по назначению трубопровода;
      МПа  ;
    
     Принимаем ближайшую по сортаменту  толщину стенки ?=12,0 мм.
     
2.1.2 Расчет газопровода на прочность и устойчивость
     
     При наличии продольных осевых сжимающих напряжений толщину стенки следует определять из условия:
,                                                      (2.3)
     где: n - коэффициент надежности по нагрузке — внутреннему рабочему давлению в трубопроводе; принимаемый по табл. 13* пункта 8.3 СНиП 2.05.06.-85*;
     P - рабочее давление в трубопроводе, МПа;
     Dн - наружный диаметр трубы, м;
       коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб, определяемый по следующей формуле:
,                                        (2.4)
     где: ?прN - продольное осевое сжимающее напряжение, МПа.
     Продольные осевые напряжения ?пр.N МПа, определяются от расчетных нагрузок и воздействий (температура и давление) с учетом упругопластической работы металла. В частности, для прямолинейных и упруго-изогнутых участков подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов при отсутствии продольных и поперечных перемещений, просадок и пучения грунта продольные осевые напряжения определяются по формуле:
,                                                          (2.5)
     где: ? - коэффициент линейного расширения металла трубы, град-1;
     Е – переменный параметр упругости (модуль Юнга), МПа;
     ?t – расчетный температурный перепад, ?С;
     ? – переменный коэффициент поперечной деформации стали (коэффициент Пуассона).
     Определение значение расчетного температурного перепада t :
                                                                        (2.6)
                                                                           (2.7)
                                                                   (2.8)
     где:tI=-13,5?С и tVII=+20,4?С средние значения температуры наружного воздуха января и июля для района прокладки трубопровода, принимаемые по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
     В качестве расчетного температурного перепада принимаем наибольшее значение ?tх = 35,5 ?С:                                                                                                                            



     Проверку на прочность подземного трубопровода в продольном направлении произведем из условия:
,                                                                                                (2.9)
     где: пр.N - продольное осевое напряжение от расчетных нагрузок и воздействий, МПа, определяемое согласно п. 8.25 СНиП 2-05-06;
     ?2- коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние металла труб, при растягивающих осевых продольных напряжениях (?пр.N ? 0) принимаемый равным единице, при сжимающих (?пр.N < 0) определяемый по формуле:
,                                                                          (2.10)
     где: ?кц- кольцевые напряжения от расчетного внутреннего давления, МПа, определяемые по формуле:
МПа.                                                             (2.11)
     Тогда:
,

                                   
     Условие выполняется.
     
2.1.3 Расчет газопровода с учетом суммарных напряжений
     
     Определение максимального  суммарного продольного напряжения для прямолинейных и упруго-изогнутых участков трубопровода:                   (2.12)

     Условие выполняется.
     
2.2 Вывод из механического расчета
     
     Общая устойчивость прямолинейных участков трубопровода в заданных условиях обеспечивается. Расчетная толщина стенки 12мм по прочностным характеристикам удовлетворяет условиям эксплуатации участка магистрального газопровода.
     
     2.3 Компьютерное моделирование надежности газопровода с выбранной толщиной стенки 12 мм

2.3.1 Математическое моделирование допустимого значения нагрузки на участок трубопровода при помощи пакета программ ANSYS. Обоснование необходимости компьютерного анализа
     
     Отказы газопроводов чаще всего связанны с разрывами труб, что может привести к экологическим катастрофам, а также к гибели людей и животных. Кроме того, остановка трубопровода на время ремонта и сам ремонт влекут за собой высокий экономический ущерб. Поэтому газопроводы относят к объектам повышенной опасности. Для обеспечения безопасности трубопроводы подвергают замене с определенной периодичностью, что приводит к дополнительным экономическим потерям. Для оптимизации затрат все активнее проводятся исследования причин отказов трубопроводов и разрабатываются методы их защиты и продления срока службы. Анализ аварий трубопроводов показывает, что разрушение чаще всего носит местный характер.      
     Причиной этому служат участки локальной коррозии, а также трещины, образование которых напрямую зависит от зон концентрации напряжений (ЗКН). Определение локальных ЗКН в ремонтируемом газопроводы  является сложной и дорогостоящей операцией. Тем не менее, известно, что ЗКН в газопроводах, в большинстве случаев возникают в процессе сварки труб. Поэтому  компьютерный анализ процесса сварки и сопутствующего  процесса образования внутренних напряжений является важной задачей.
     
     2.3.2 Инженерные расчёты как инструмент исследования процесса образования ЗКН
     
     Для ускорения процесса исследования и сокращения затрат в современном мире используют специальные программы и программные пакеты для проведения инженерных расчётов. Одним из таких пакетов является программный продукт ANSYS.
     Программный пакет ANSYS – это система конечно-элементного (КЭ) анализа, которая является одним из мировых лидеров в области инжиниринга с использованием КЭ моделирования. 
     Программный продукт ANSYS включает в себя различные модули. Один из них – ANSYS Workbench представляет собой среду интеграции и унификации модулей программного комплекса ANSYS. Workbench удобен в обращении, а также имеет  дружественный и интуитивно понятный интерфейс, который облегчает процесс моделирования задач.
     Анализ аварий и инцидентов на трубопроводном транспорте показывает, что основными источниками повреждений, являются локальные зоны напряжений – локальная коррозия, трещины по принципу коррозионного растрескивания под напряжением. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что для исследования процесса образования внутренних напряжений в процессе сварки магистральных трубопроводов одним из наиболее эффективных инструментов КЭ анализа является программный продукт ANSYS Workbench. 
     
2.3.3 Методика эксперимента
     
     В нашем случае КЭ моделирование надежности газопровода, при  выбранной толщине стенки, осуществляется уже после проведения физических экспериментов с целью детального изучения картины напряженного состояния сварных соединений. Сварные соединения являются участками газопровода наиболее подверженные динамическому разрушению.
     
     
     Рисунок 3. Разделка торцов магистрального трубопровода под сварку
     
     Для КЭ моделирования процесса сварки магистральных газопроводов выбран фрагмент трубы диаметром 1020 мм и толщиной стенки 12мм (полученное расчетное значение при механическом расчете, соответствующее фактическому и проектному), включающий в себя сварной шов. Габаритные размеры фрагмента 250 х 200 мм. Физические и геометрические параметры виртуальной модели соответствуют и реальным значениям. Для создания 3D модели фрагмента трубопровода использовался специализированный программный продукт КОМПАС 3D. Также смоделирована разделка кромок трубопровода с корневым и заполняющим швами под автоматическую сварку комплексом CRC-Evans. 
     Для обеспечения скорости сварки 375 мм/мин разбиваем 3D модель сварного шва на 32 равных сегмента. В таком случае получаем, что каждый сегмент будет нагреваться 1 секунду. Чтобы обеспечить удобство закрепления модели фрагмента трубопровода, по углам сделаны небольшие выточки, которые не скажутся на результате анализа, т.к. находятся на достаточном удалении от сварного шва (рисунок 4). 
     
Рисунок 4. 3D модель фрагмента магистрального трубопровода, содержащего сварной шов.
     
     КЭ моделирование данной задачи в программном продукте ANSYS Workbench начинается с задания свойств материала в разделе проекта Engineering Data. По умолчанию в ANSYS Workbench автоматически задаются свойства материала среднестатистической конструкционной стали. В нашем случае материал трубопровода – сталь класса Х-65, предел текучести по спецификации API SL .Соответственно, предел текучести данного материала равен 388 МПа, предел прочности 510 МПа, а относительное удлинение 20% . Для определения остаточных внутренних напряжений с учетом пластичности материала по выше приведенным значениям свойств материала строится билинейная диаграмма деформирования.
     В разделе проекта Design Modeler производится импорт 3D модели нашего фрагмента трубопровода. Затем все элементы 3D модели «склеиваются» между собой. 
     КЭ моделирование процесса сварки состоит из двух последовательных анализов: Transient Thermal и Static Structural. 
     Transient Thermal - переходный тепловой анализ. На данном этапе к элементам сварного шва прикладывалась плотность мощности энергии, соответствующая энергии, выделяемой в процессе сварки. Все элемент нагреваются последовательно, причем сначала моделируется процесс сварки корневого шва, а затем заполняющего. Каждый элемент сварного шва нагревался в течение 1 секунды, после чего тепловое воздействие снималось и накладывалось на следующий элемент. Плотность мощности энергии, прикладываемой к элементам сварного шва, рассчитывается по формуле: 
     
     , Вт/м3                                                                (2.13)
     
     где 0,24 – тепловой эквивалент;  – эффективный КПД процесса нагрева металла сварочной дугой;  – напряжение сварочной дуги, В;  – сварочный ток, А; V – объем нагреваемого материала, м3 .
     

     Рисунок 5. Сетка конечных элементов фрагмента газопровода «Уренгой-Петровск»
     
2.3.4 Моделирование процесса сварки при капитальном ремонте
     
     Для ручной дуговой сварки в нашем случае имеем следующие значения составляющих формулы: ?_и=0,8; U_д=35 В; I_д=100 А. Т.к. моделируется непосредственный нагрев шва, то в формулу подставляются значения объема элементов: Vк = 1,36•10-8 м3 – для элементов корневого шва, Vз =  4,89•10-7 м3– для элементов заполняющего шва. Значения объемов элементов определяются посредством инструментов программного продукта КОМПАС 3D. Соответственно, плотность мощности тепловой энергии для корневого шва равна Wк = 2,47•1011 Вт/м3, для заполняющего Wз =6,87•1011 Вт/м3. Процесс сварки сопровождается охлаждением поверхностей посредством конвекции. В данном случае осуществляется сварка в среде защитных газов. Коэффициент конвекции при обдувке газом берем 2,1 .
     Сетка КЭ строится автоматическая со средним размером элементов, при этом сварной шов и околошовная зона разбиваются на упорядоченные элементы с максимальным размером 0,5 мм (рисунок 3). 
     Процесс решения разбивается на 66 шагов, каждый шаг состоит из 5 подшагов. При этом на 64 первых шагах, продолжительностью по 1 секунде, производится нагрев, а все оставшееся время занимает охлаждение посредством конвекции. Весь процесс занимает 6 минут. 
     
2.3.5 Результат переходного теплового анализа
     
     В результате расчета переходного теплового анализа получаем распределение температурных полей для каждого интервала времени (рисунок 6). Изолинии температур не превышают 1530 градусов, при том, что температура плавления стали приблизительно равна 1450-1500 °С. 

      Рисунок 6. Распределение температурных полей 
      для времени t = 52 сек
     
     Полученные температурные поля импортируются в раздел Static Structural – статический прочностной анализ. Для улучшения сходимости решения разбивка на КЭ, время анализа и шаги задаются такими же, как и в тепловом переходном анализе. Выбор количества подшагов задается автоматически.
     Закрепление модели жесткое по всему периметру на протяжении 64 секунд, что соответствует состоянию магистрального трубопровода до вырезания из него фрагмента. Далее жесткое закрепление снимается и прикладывается ограничение перемещения одной грани по оси X и одной по Y. Проточки, сделанные на модели, закрепляются по оси Z. Таким образом, моделируется закрепление фрагмента трубопровода на универсальной испытательной машине. 
     На последнем шаге решения моделируется исследование на универсальной испытательной машине. К фрагменту газопровода прикладывается сила, распределенная по площади квадратной формы 20х20 мм и направленная от центра трубопровода. Прикладываемая сила возрастает линейно в течение 1 секунды до значения 200 кН. Сила прикладывается в области околошовной зоны и сварного стыка, как элементов газопровода, наиболее склонных к разрушению .
     
2.3.6 Результаты моделирования надежности участка МГ
     
     В итоге статического прочностного анализа получаем изолинии эквивалентных напряжений по теории напряженности Мизеса. Так как напряжения по Мизесу носят эквивалентный характер, их нельзя разделить на напряжения растяжения или сжатия.
     Предел прочности стали газопровода равен 510 МПа. При превышении данного значения начинается критическое разрушение металла и образование трещины с последующим ее ростом. 
     На рисунке 7 представлены изолинии напряжений по Мизесу в момент времени t = 600 сек. Это время соответствует состоянию фрагмента сварного стыка, остывшего и вырезанного из трубопровода. 

     Рисунок 7. Эквивалентные напряжения по Мизесу в разрезе фрагмента трубопровода в момент времени t = 600 сек.
     
     Таким образом, напряжения по Мизесу во фрагменте трубопровода, обусловленные тепловым воздействием не превосходят предел прочности материала газопровода. Из рисунка видно, что максимальные значения имеют напряжения в околошовной зоне. К тому же, эти напряжения расположены на поверхности трубопровода. Известно, что трубопроводы прокладывают в агрессивных средах. Поэтому повышенные значения напряжений способствуют преждевременному выходу трубопровода из строя за счет увеличения скорости разрушения металла посредством коррозии. 
     
2.3.7 Моделирование совокупной внешней и внутренней нагрузок
     
     На рисунке 8 представлены изолинии напряжений по Мизесу для фрагмента  трубопровода, ?=19 мм, под. Изолинии показаны для времени t = 600,63 сек. На этом значении времени напряжения по Мизесу превысили предел прочности. Следовательно, в этот момент на физической модели произошло бы разрушение материала, и образовалась трещина. Превышение предела прочности произошло в околошовной зоне. Это говорит об образовании трещины.
     

     Рисунок 8. Эквивалентные напряжения по Мизесу в разрезе фрагмента магистрального трубопровода под нагрузкой в момент времени t = 600,63 сек.
     
     Можем определить силу, при которой произошло  разрушение в материале, то есть образования дефекта. Таким дефектом является продольная трещина в околошивной зоне.
     
                                                        (2.14)
     
     При проведении эксперимента на реальном фрагменте трубопровода трещина появилась при 120 кН  Нагрузка трещенообразования превышает фактические нагрузки на участок МН более чем в 1,62 раза.
     Относительная погрешность результатов, полученных с помощью программного продукта ANSYS Workbench составила 5%. Это обусловлено тем, что при математическом моделировании берутся идеальные условия. На практике же существует неоднородность структуры и свойств металла, а также другие случайные факторы.
     
2.3.8 Выводы из моделирования надежности
     
     При разработке КЭ модели процесса сварки получена картина изолиний напряжений для сварного шва и околошовной зоны. Анализ расположения изолиний показал, что наиболее опасные участки концентрации напряжений располагаются в околошовной зоне. Расчет КЭ моделирования приложения силы к околошовной зоне показал образование трещины на поверхности материала при достижении значения F = 126 кН.  Расчетная величина силы, приводящей к разрушению металла трубопровода, является недостижимой в условиях подземного залегания трубопровода.  Компьютерное моделирование подтвердило правильность выбора толщины стенки ?=12 мм.


ГЛАВА 3. МЕТОДИКА СООРУЖЕНИЯ ПЕРЕХОДА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА ЧЕРЕЗ ЖЕЛЕЗНУЮ ДОРОГУ НОВГОРОД – САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

3.1 Общие данные
     
     По трассе рассматриваемый участок магистрального газопровода пересекает железную дорогу. Согласно данным диагностического обследования участок перехода МГ через желе.......................