Применение полимерно-металлических труб при сооружении промысловых газонефтепроводов (стр. 5 из 9)

Проанализировав опыт работы с коррозионно-стойкими трубами можно сделать вывод, что все современные трубы имеют недостатки при эксплуатации, но ГПМТ более всего подходят. Главный недостаток температурное ограничение не помешает работе трубопроводов, так как за двадцать лет эксплуатации месторождения не зафиксировано ни одно случая АСПО.

6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ МЕТАЛЛОПЛАСТОВЫХ ТРУБ

6.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Расчет трубопроводов производите по предельным состояниям несущей способности (прочности и устойчивости).

Расчет трубопроводов на прочность и устойчивость следует производить на действия расчетных: нагрузок. Метод определения расчетных нагрузок и воздействий и их сочетание надлежит принимать в соответствии с указаниями главы СНиП по нагрузкам и воздействиям.

6.2. РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Металлопластовые трубы представляют из себя полиэтиленовые трубы, монолитная сетка которых армирована проволочным каркасом. Соединительные законцовки выполнены из полиэтилена низкого давления. Таким образом, основными материалами являются малоуглеродистая сталь и полиэтилен низкого давления (ПНД).

Предел текучести стальной проволоки по ГОСТ 32.82-46 равен 310 МПа. Предел текучести полиэтилена низкого давления по ГОСТ 18599-83 должен быть не менее 20 МПа (200 кгс/см²).

Нормативное длительное сопротивление разрушения материала матрицы в зависимости от условий работы регламентируется СН 550-82. Коэффициент условий работы приведен в табл. 1.

Модуль упругости ПНД в расчетах принимается равным 800 МПа.

Коэффициент Пуассона μ для труб из полиэтилена низкого давления работающих при температуре до 40 °С равен 0,42–0,44. При температуре выше 40 °C коэффициент Пуассона допускается равным 0,5.

При расчете на прочность тела труб, находящихся под действием внутреннего давления, определяются напряжения в арматуре, эквивалентные напряжения по Мизесу и контактные напряжения в полимерной матрице.

6.3. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛОПЛАСТОВЫХ ТРУБ

С целью прогноза характера разрушения металлопластовых труб было исследовано их напряженно-деформированное состояние методом конечных элементов.

Рассмотрим в качестве примера трубу диаметром 95 мм. Конечноэлементная модель конструкции металлопластовой трубы диаметром 95 мм содержит 2129 конечных элементов и 720 узлов. Армирующая стальная сетка моделировалась трехмерными стержневыми КЭ, а полиэтиленовая заливка - толстостенными оболочечными КЭ. Фрагмент сетки конечных элементов представлен на рис. 30. Там же показаны номера конечных элементов (1033-1097), расположенных в одном ряду сетки и моделирующих арматуру в окружном направлении.

Результаты исследования напряженно - деформированного состояния конструкции металлопластовых труб с помощью конечноэлементной модели МПТ представлены в таблице 3.

Таблица 3

Распределение напряжений в МПТ при давлении 4 МПа

Диаметр труб, мм	Толщина стенки, мм	Размер ячейки, мм х мм	Диаметр арматуры, мм	Напряжение по Мизесу в ПЭ элементах, σэкв, МПа	Напряжение в продольной арматуре, σпрод, МПа	Напряжение в окружной арматуре, σокр, МПа	Запас прочности, σт,/σок,
89 89 89 89 89 89 95 95 95 95 95 95 115 115 115 115 115 115 132 132 132 132 132 132	10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0	6 х 6 6 х 6 8 х 88 х 810 х 1010 х 106 х 66 х 68 х 88 х 810 х 1010 х 106 х 66 х 68 х 88 х 810 х 1010 х 106 х 66 х 68 х 88 х 810 х 1010 х 10	2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0 2,5 3,0	0,714212 0,504532 0,933721 0,663100 1,14126 0,814721 0,769539 0,543624 1,00507 0,713771 1,23153 0,879157 0,931415 0,659495 1,20952 0,861841 1,47755 1,05895 1,08445 0,768042 1,40847 1,00385 1,73090 1,24026	-0,13237 -0,059557 -0,23781 -0,10799 -0,45901 -0,21863 -0,13227 -0,05726 -0,27118 -0,13207 -0,44840 -0,21225 -0,26904 -0,11706 -0,56914 -0,26034 -0,96814 -0,45407 -0,77566 -0,38976 -2,5616 -1,3762 -1,1641 -0,60425	180,75 127,67 236,25 167,76 289,01 206,27 194,66 137,50 254,31 180,58 311,81 222,55 235,67 166,84 307,36 218,90 375,89 269,25 274,70 194,46 358,48 255,29 438,44 314,03	1,72 2,43 1,31 1,85 1,07 1,50 1,59 2,25 1,22 1,72 0,99 1,39 1,32 1,86 1,01 1,42 0,82 1,15 1,13 1,59 0,86 1,21 0,71 0,99

Результаты исследования напряженно-деформированного состояния металлопластовой трубы, с использованием приведенной выше модели, показали, что наиболее напряженным элементом конструкции является арматура в окружном направлении. В предположении упругой работы арматуры при внутреннем давлении 12.0 МПа в средней части трубы для наиболее наряженных элементов растягивающие напряжения достигают 565 МПа.

Распределение напряжений по длине трубы для средней части является практически равномерным. При таком высоком уровне растягивающих напряжений возможно разрушение арматуры в окружном направлении. Предположим, что в силу каких-то случайных факторов первым разрушится конечный элемент номер 1065, образованный узлами 361 и 362, Удаляем этот элемент из сетки КЭ и проводим расчет для новой сетки при том же уровне внутреннего давления (120 МПа). Удаление элемента 1065 моделирует возникновение концентратора напряжений в окрестности первой точки разрушения окружной арматуры. Наличие такого концентратора приводит к резкому росту напряжений (до 760 МПа) в соседних 1049 и 1081.

На следующем этапе расчета удаляем из сетки КЭ три элемента - 1049, 1065, 1081. Это приводит к росту напряжений в КЭ с номерами 1033, 1097 до 1034 МПа. При этом напряжения по Мизесу в узлах 361-362, принадлежащих оболочечным КЭ возрастет до 15.6 МПа

Проведенный анализ напряженно-деформированного состояния металлопластовой трубы для рассмотренных вариантов сетки КЭ позволяет сцепить вывод о том, что основной несущий элемент - окружная арматура полностью исчерпывает свою несущую способность, после чего происходит перераспределение внутренних усилий меледу арматурой и полиэтиленовой матрицей и при достижении в полиэтиленовых оболочечных элементах разрушающего напряжения по Мизесу происходит окончательное разрушение МПТ.

Разрушение трубы происходит с образованием продольной трещины. Визуальный осмотр внутренней поверхности разрушенной трубы показал, что она имеет форму многогранника с шириной грани, равной шагу продольной арматуры, т.е. имеет место ярко выраженная деформация смятия полиэтиленовой
матрицы.

Для исследования напряжений в зоне контакта арматуры с полиэтиленом было использовано решение контактной задачи Герца.

Максимальное давление в зоне контакта определяется по формуле:

,

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны контактирующих тел; R₁ =5,9 см; R₂ = 0,15 см;

,

где Е₁ и Е₂ – модули упругости; Е₁ = 800 МПа; Е₂ = 2,1*10⁵ МПа;

v₁ и v₂ – коэффициенты Пуассона; v₁ = 0,4; v₂ = 0,3;