Наукові основи оцінки напружено-деформованого стану магістральних трубопроводів з урахуванням пластичних деформацій

Abstract

Розроблено математичні моделі та методи оцінки напружено-деформованого стану (ПДС) потенційно небезпечних ділянок магістральних нафтогазопроводів, що експлуатуються в складних умовах і за наявності пластичних деформацій. Застосовано новий підхід до розв’язання задачі про пружнопластичний стан труб у загальному випадку комбінованого навантаження внутрішнім тиском, розтягом (стиском), згином та крученням, що грунтується на безмоментній теорії циліндричних оболонок і деформаційній теорії пластичності. Запропоновано ефективні методи визначення НДС та характеристик жорсткості за межею пружності прямолінійних елементів трубопроводів, у тому числі з урахуванням сплющування поперечного перерізу. Проведено експериментальну перевірку розроблених моделей у лабораторних та натурних умовах. Створено комплексні розрахунково-експериментальні методи оцінки НДС балкових переходів у гористій місцевості та висячих переходів великої довжини, у тому числі з урахуванням наявності пластично-деформованих зон, за результатами вимірювання їх статичних і геометричних параметрів. Уточнено методику визначення НДС ділянок підземних трубопроводів під час механізованого капітального ремонту з заміною ізоляційного покриття в траншеї, шляхом урахування піддатливості грунту на суміжних з підкопаною частиною ділянках та впливу поздовжньої стискальної сили. Поставлено та розв’язано задачу про поздовжньо-поперечний згин та втрату стійкості ділянки трубопроводу, що працює за наявності поздовжньої стискальної сили, під час її підняття з рівної основи. Досліджено вплив пластичних деформацій на випинання та втрату стійкості відкритих ділянок магістральних трубопроводів.

На основе комплексного подхода разработаны и апробированы на действующих нефтегазопроводах расчетно-экспериментальные методы определения напряженно-деформированного состояния (НДС) потенциально опасных участков магистральных трубопроводов, работающих при повышенных уровнях напряжений. Применен новый подход к решению задач упругопластического состояния груб при действии внутреннего давления, растяжения (сжатия), изгиба и кручения в рамках безмоментной теории цилиндрических оболочек и деформационной теории пластичности. Предложены эффективные методы определения НДС и характеристик жесткости прямолинейных элементов трубопроводов. Указанный подход включает: графоаналитический метод при графически заданной диаграмме деформирования; аналитически-числовой метод для трубы с неравномерной толщиной стенки; формулы для изгибающего момента при изгибе трубы с днищами и при изгибе с кручением для случая степенной аппроксимации; рекуррентные формулы, описывающие предельное состояние трубы с днищами под давлением при поперечном изгибе. Уточнена методика определения НДС участков подземных трубопроводов при механизированном капремонте с заменой изоляционного покрытия в траншее, путем учета податливости грунта на смежных с подкопанной зоной участках и влияния продольной сжимающей силы. На основе этой методики, которая хорошо подтверждается натурными опытами, создан расчетно-экспериментальный метод контроля дополнительных продольных напряжений, возникающих при выполнении ремонтных робот. Поставлена и решена задача продольно-поперечного изгиба и потери устойчивости участка трубопровода, работающею при наличии продольной сжимающей силы, при подъеме с равного основания. Получены расчетные зависимости между силой и высотой подъема и исходным значением продольной силы. Определены условия, при которых подъем переходит в самовыпучивание. Исследовано влияние пластических деформаций на потерю устойчивости открытых участков магистральных трубопроводов. Установлено, что применение линейно-упругой модели при расчетах на устойчивость трубопроводов больших диаметров даег завышенные значения критической силы.

Mathematical models and methods of stress-strain state assessment for hazardous oil and gas pipeline sections were developed when plastic deformations occurred. A new approach was proposed for solving problems concerning the elastic-plastic state of pipes subjected to combined loads such as internal pressure, tension (compression), and bending with torsion. That approach was based on the membrane theory of cylindrical shells and the deformational theory of plasticity. Effective methods were proposed forevaluation stress-strain state and stiffness characteristics beyond limit of elasticity for straight pipeline elements taking into account cross section flattening. Experimental tests on the developed methods were conducted in the laboratory and in the field. Complex methods of stress-strain state assessment for pipeline spans in highlands and pipeline spans were developed using calculation and experimentation. Plastically deformed zones were included in these methods and calculations by using results of static and geometric parameters. The method of determining the stress-strain state of underground pipeline sections during major repair operations, including the replacement of the insulating covering in the trench, was improved by ascertaining soil resistance on adjacent sections and by verify ing the influence of longitudinal force. The bending and collapse problems of the pipeline sections which operate under longitudinal compressive force during their elevation from the plane base were set and solved. The influence of plastic deformations on buckling of the open sections of the trunk pipelines was investigated.