Розробка методів попередження втомних руйнувань морських трубопроводів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена забезпеченню надійності роботи підводних трубопроводів шляхом розробки методів прогнозуЕіання їх довговічності. В роботі вирішуються задачі визначення нестаціонарних навантажень, які сприймає трубопровід під дією морських хвиль та створення технічних засобів для контролю циклів змінних навантажень. Досліджуються коливальні процеси ділянки трубопроводу, який провисає над западиною морського дна і внутрішні навантаження в його поперечних перерізах. Визначені умови відсутності резонансних коливань. Обгрунтовано вибір локальних моделей для оцінки характеристик втоми підводних трубопроводів під дією змінних навантажень. Розроблена методика і проведені експериментальні дослідження взірців трубопроводу на втому. Розроблена схема запобігання впливу нафти з трубопроводу при його пошкодженні. Запропоновано конструкцію пристрою попередження руйнувань трубопроводів з індикаторами втоми.

Целью диссертационной работы является обеспечение надежности работы подводных трубопроводов путем разработки методов прогнозирования долговечности на основании определения переменных нагрузок, вызванных действием морских волн, и создания технических средств для контроля количества циклов переменных напряжений. В работе исследуется действие морских волн на подводный морской трубопровод. На основании анализа теории волн, разработанных Стоксом и Эри показано, что волнение поверхности моря передается на глубину более 20м и воздействует на подводный трубопровод. Выполнен предварительный анализ статической нагруженности трубопровода под действием сил веса. Рассмотрены две схемы закрепления концов участка трубопровода, провисающего над расщелиной морского дна, - защемление и шарнирное опирание с последующим защемлением. Показано, что в первой схеме имеют место более высокие нагрузки, особенно вблизи защемления. Вторая схема позволяет варьировать нагрузкой на шарнирную опору и защемление путем изменения расстояния между ними. Определено оптимальное расстояние, обеспечивающее минимальную нагрузку на опоры. Проведены исследования колебаний участка трубопровода под действием морских волн. Действие волн представлено в виде распределенной нагрузки, меняющейся по гармоническому закону. Записаны дифференциальные уравнения поперечных перемещений оси участка трубопровода. Решение управления, выполненное для главных форм колебаний, позволило определить перемещения и углы поворотов сечений, а также изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях. Определены условия отсутствия резонанса, ограничивающие длину участка трубопровода, защемленного на концах. Выведено уравнение для определения частоты их волн, учитывающее длину волн lх и глубину h акватории моря; установлено, что частота волн значительно зависит от длины волн и меньше от глубины моря. Так, при h>10м, зависимость частоты от глубины несущественна. При длине волн до 50м частота существенно зависит от изменения длины, а при lх >50м эта зависимость уже значительно меньше и частота принимает значения 10x< lс'1. Полученные результаты дают возможность, используя статистические данные параметров волн на определенной акватории моря, прогнозировать допустимую длину провисающего участка трубопровода по условию отсутствия резонансных колебаний. Подобрано экспериментальное оборудование и измерительные приборы, обоснованы методы обработки результатов исследований. Разработана методика оценки параметров кривых усталости подводных трубопроводов на основании испытаний моделей-«вырезок». Проведены исследования роста усталостных и коррозионно-усталостных трещин в теле трубы и зоне сварного шва и влияние на скорость их распространения в коррозионной среды. За получеными значениями скорости роста усталостной трещины и соответствующими ей значениями коэфициентов интенсивности напряжений построены диаграмы циклической трещиностойкости материала трубы и сварного шва на воздухе и в корозионной среде, которые позволяют определять характеристики трещиностойкости материала трубы и сварного шва. Установлены параметры кривой усталости моделей-«вырезок» которые могут быть использованы для расчета долговечности подводных трубопроводов. Разработана схема трубопровода с автоматической системой управления для предупреждения вылива нефтепродуктов при его повреждении, которая позволяет избежать загрязнения окружающей среды. Получены расчетные формулы для определения времени вытекания нефтепродукта и его объёма. Предложен расчётно-экспериментальный метод предупреждения разрушений подводного трубопровода с помощью устройства, содержащего индикаторы усталости. В основу этого метода положен подбор индикатора усталости в котором выращивается трещина с соблюдением условия равенства квантильного значения предела усталости материала газопровода пределу усталости индикатора, что обеспечивает заданную вероятность неразрушения. Разработано приспособление с индикаторами усталости которое позволяет учитывать влияние коррозионной среды (морской воды). Для прогнозирования усталостной долговечности при нестационарных нагрузках предложен принцип суммирования усталостных повреждений, который основывается на експериментальном определении значении коэффициента суммирования и формирования блока нагружения.

The subject of thesis is prevention of the functioning reliability of underwater pipelines by means of developing the methods to forecast their durability. The thesis solves the tasks of determining the changing load caused by sea wave’s motions. The thesis also considers the creation of technical devices for controlling of changing load cycles. There have been analyzed the motion processes of the pipeline sections. The conditions of absence of resonance vibrations have been determined. It has been grounded the choice of local models for evaluation of underwater pipeline fatigue caused by changing load. The samples on pipeline fatigue have been experimentally investigated and relevant methods have been developed. A scheme has been worked out for preventing oil leakage from the pipeline if it is damaged.