Дзюбик А. Р., Палаш В. М.

Україна, м. Львів, Національний університет «Львівська політехніка»

Застосування спеціалізованих підкладок при вертикальних переміщеннях трубопроводів

В процесі експлуатації магістральних трубопроводів періодично виникає необхідність в підніманні відносно коротких його ділянок. Зокрема це актуально при діагностуванні технічного стану, виконанні ремонтних робіт, визначенні величини реакції несучих опор тощо. Застосування спеціальної техніки для піднімання трубопроводів не завжди доцільне, а часто обмежене в силу економічних або технічних причин. Тому зазвичай для цього використовують спеціальні гідравлічні домкрати. Однак зусилля піднімання, яке прикладається до невеликої ділянки труби, може зумовити її деформування із наступним руйнуванням. Необхідним є використання спеціалізованих перехідних підкладок. В даний час розробку їх конструкції пропонується здійснювати на основі геометричного моделювання в CAD – системах та із застосуванням методу скінченних елементів (МСЕ).

В даний час для вирішення завдань такого типу використовують як експериментальні так і розрахункові методи. Однак вони потребують проведення натурних високовартісних досліджень або дають недостатньо повну інформацію в результаті обчислень. При цьому експерименти та математичні моделі в першу чергу орієнтовані на спеціальне підіймальне устаткування для спорудження трубопроводів [1]. Це зумовлює значні обмеження при вивченні питання вертикального переміщення труби із відповідним втисненням у неї спеціальної підкладки.

Для розрахунків використовувалися наступні вихідні дані. Ділянка трубопроводу, яка жорстко закріплена на краях, має зовнішній діаметр 720мм, товщину стінки 10 мм, довжину 10 м та виготовлена із трубної сталі марки 17ГС. Відповідно до принципу Сен-Венана тип закріплення труби для даної довжини не повинен вплинути на розподіл напружень в зоні прикладення зусилля піднімання. Коефіцієнт Пуасона приймався рівним 0,3, а модуль пружності 206000 МПа. На трубу діють вага матеріалу труби та нафти, внутрішній тиск нафти (2 МПа), а також зусилля піднімання.

Для перевірки достовірності отримуваних результатів із застосуванням програмного забезпечення МСЕ [2] виконано низку тестових розрахунків. З цією метою для розрахункової схеми визначені напруження для двох окремих типів навантаження: а) дія тільки внутрішнього тиску величиною 2 МПа; б) одночасна дія внутрішнього тиску та ваги труби з нафтою. Аналіз отриманих даних показує, що наявність гідростатичного тиску нафти практично не впливає на радіальні напруження. Навантаження труби вагою нафти та власною змінює тільки осьові напруження. Розбіжність результатів знаходиться в допустимих для інженерних розрахунків межах (до 5 %). Останнє положення вказує на можливість використання програм із МСЕ для дослідження даного класу задач.

В роботі розглядаються два варіанти спеціалізованих підкладок, що із внутрішнього боку відтворюють поверхню труби: перший - із сегменту труби (300×250×12), другий - суцільнолитої та плоскої із зовнішньої сторони конструкції розміром 300×250 мм із висотою ребра 50 мм (рис. 1).

а) б)

Рис. 1 Загальний вид підкладки: а) сегментної, б) суцільнолитої

Оптимальні розміри визначалися шляхом покрокового наближення до необхідної конфігурації підкладки, а саме: мінімально допустимі розміри, що забезпечують необхідну міцність конструкції. У розрахунковій моделі прийнято, що піднімальна сила прикладається у центрі підкладки у вигляді рівномірно розподіленого навантаження по площі круга діаметром 50 мм. Для вибраних підкладок виконано розрахунок напружено – деформованого стану при різній величині підіймальної сили (F). Зміна вздовж нормалі еквівалентних напружень, обчислених відповідно до критерію Губера-Мізеса, при F = 100 кН для обох випадків показана на рис.2.

Рис. 2. Зміна напружень у перерізі моделі при різних типах підкладок:

1 – сегментна, 2 – суцільнолита.

Як показав аналіз результатів досліджень, незалежно від величини піднімальної сили, найбільші напруження в трубі і підкладці у випадку використання сегментної підкладки виникають у точках нормалі, вздовж яких спрямована піднімальна сила. Розподіл напружень за товщиною системи «труба - підкладка» має пилоподібний характер із чітко вираженими екстремумами. Найбільш напружена точка у трубопроводі знаходиться на зовнішній поверхні в місці контакту з підкладкою (327 МПа), а на внутрішній поверхні напруження становлять 305 МПа. На середній лінії труби та по середині перерізу підкладки напруження досягають мінімальних значень на рівні 114 і 61 МПа відповідно. В даному випадку, з точки зору роботоздатності матеріалу підкладки в межах пружності, піднімальна сила не повинна перевищувати » 100 КН.

Застосування суцільнолитої підкладки дає змогу збільшити зусилля піднімання. Аналіз отриманих результатів показує, що характер розподілу напружень за товщиною також є пилоподібний. Однак чітко виражені екстремуми, а також максимальні значення спостерігаються у підкладці. Для труби характерною є більш плавна зміна напружень за товщиною. При чому, залежно від величини зусилля піднімання, максимальні значення спочатку спостерігаються на внутрішній стінці труби, а при значних зусиллях – на зовнішній. Це можна пояснити поступовим перевищенням напружень, які спричинені піднімальною силою, над напруженнями, що зумовлені внутрішнім тиском.

Локальне піднімання ділянок трубопроводу приводить до складного напруженого стану в його матеріалі та може призвести до надзвичайної ситуації. МСЕ дає змогу аналізувати цей характер та величину виникаючих напружень. Встановлено, що для сегментної спеціалізованої підкладки (12´250´300), допустимим зусиллям піднімання трубопроводу (720´12), є 100 КН. Зміна напружень за перерізом носить коливний характер із чітко вираженими екстремумами максимальних напружень в області контакту труби із підкладкою та області прикладання зусилля, а також мінімальних значень на середній лінії труби та по середині перерізу підкладки. Для збільшення зусилля піднімання необхідним є використання спеціалізованої підкладок більш складної конфігурації. Наприклад, використання більш жорсткої суцільнолитої підкладки дає змогу збільшити зусилля піднімання до 180 КН.

Література

1. Перун И. В. Магистральные трубопроводы в горных условиях. – М.Ж Недра, 1987. – 175 с.

2. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/Nastran for Windows. – М.: ДМК Пресс, 2003. – 448 с.

3. Алямовский А. А. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. – М.: ДМК Пресс., 2004. – 432 с.