|
|
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 8 8 х 8 10 х 10 10 х 10 6 х 6 6 х 6 8 х 8 8 х 8 10 х 10 10 х 10 6 х 6 6 х 6 8 х 8 8 х 8 10 х 10 10 х 10 6 х 6 6 х 6 8 х 8 8 х 8 10 х 10 10 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;
,
где g – интенсивность погонной нагрузки; p – внутреннее давление в трубе; Δ – шаг арматуры (Δ = 6 мм).
При внутреннем давлении 12 МПа получили Рmax = 118,8 МПа.
Главные напряжения в зоне контакта:
Эквивалентные напряжения по Мизесу:
Для полиэтилена низкого давления предел текучести равен 20 МПа. Полученный уровень напряжений говорит о том, что в зоне контакта происходит местная пластическая деформация, результатом которой становится смятие полиэтиленовой оболочки. При внутреннем давлении р = 4 МПa σэкв = 13,7 MПa.
Контактная задача Герца описывает напряжения на границе “полиэтилен-сталь” приблизительно, так как, в данном случае, непосредственно рассматривалась только зона контакта двух элементов (полиэтиленового и стального) без учета роботы соседних элементов.
Поэтому для анализа напряженно-деформированного состояния в зонах контакта стальной арматуры с полиэтиленом была смоделирована другая сетка конечных элементов (рис. 31 и 32). Для достижения большей точности решения в зонах контакта использована более мелкая сетка. Задача решалась в плоской постановке.
Были рассмотрены два сечения металлопластовой трубы. Сечение 1 проходит между двумя смежными проволоками окружной арматуры. Сечение 2 включает в себя окружную и продольную арматуру. Рассматривалась металлопластовая труба наружного диаметра 95 мм под действием внутреннего давления 4.0 МПа. Был рассмотрен фрагмент трубы, включающий в себя 5 проволок продольной арматуры (d = 2.5 мм). В силу симметрии относительно вертикальной оси сеткa КЭ формировалась для половины фрагмента. Для узлов, лежащих на оси симметрии, горизонтальные перемещения принимались равными кулю.
Распределение эквивалентных напряжений Мизеса 1 и 2 показано на рис. 33 и 34. Для сечения 1 напряжения в полиэтилене в окрестности узла 258 не превышают 5 МПа. Для сечения 2 в узде 258 напряжение равно 5.07 МПа. Такой уровень напряжений обеспечивает четырехкратный запас кратковременной прочности.
Как указывалось выше, наиболее наряженным элементом конструкции оказалась арматура в окружном направлении. Шаг Δ1 армирующей сетки в окружном направлении несущественно влияет на напряженно-деформированное состояние трубы и может задаваться из конструктивных соображений.
Наиболее
существенное влияние оказывает шаг Δ2 арматуры в продольном
направлении. Для трубы диаметром 95 мм изменение шага сетки в продольном
направлении с 8 до 6 мм привело к понижению растягивающих напряжений в
кольцевой арматуре примерно на 20 %.
В процессе изготовления МПТ при отверждении ПНД с 70 до 20°С в трубе возникают термоупругие напряжения. В арматуре термоупругие напряжения – сжимающие, в полиэтиленовой матрице – растягивающие. От действия внутреннего давления и в арматуре и в полиэтиленовой матрице возникают растягивающие напряжения. Таким образом, наличие термоупругих напряжений разгружает арматуру и повышает суммарные напряжения в полиэтилене. С целью снижения уровня напряжений в полимерной матрице и повышения работоспособности труб целесообразно в технологию изготовления внесли операцию термообработки тела трубы.
Результаты испытания на растяжение элементов сварного проволочного каркаса металлопластовой трубы из малоуглеродистой конструкционной стали показали уровень предела текучести σт = 310 МПа. Сопоставление с напряжениями в стальной арматуре (табл. 111) показывает, что для труб диаметром 89 и 95 мм можно использовать проволоку диаметром 2,5 мм при размерах ячейки до 8 х 8 мм. Трубы диаметром 115 и 132 мм позволяют использовал проволоку диаметром 3 мм при размерах ячейки до 8 x 8 мм. При использовании проволоки диаметром 2,5 мм для трубы диаметром 115 мм размеры ячейки не должны превышать 6 х 6 мм, для трубы диаметром 132 мм размеры ячейки не должны превышать 6 x 6 мм.
Проведен расчет геометрических параметров полиэтиленовой законцовки металлопластовой трубы.
Определение длины законцовки из термопласта.
Расчет ведется на срез по границе "законцовка – тело трубы".
Подставив эти значения, получим:
откуда:
где h – шаг расположения продольных проволок;
δ – толщина стенки трубы.
Расчет длины законцовки из условия равенства прочности тела трубы на разрыв и прочности точечной сварки проволок между собой.
Подставив эти значения, получим:
По результатам расчета принимается наибольшая величина длины законцовок.
Определениe толщины законцовок.
Расчет ведется на смятие выступа полиэтиленовой законцовки.
Подставив значения, получим:
Решая это квадратное уравнение, получим значение толщины законцовки и ее наружного диаметра.
7. РАСЧЕТ ПРОЫСЛОВОГО ТРУБОПРОВОДА ИЗ СТАЛЬНЫХ ТУБ И ТРУБОПРОВОДА ИЗ ГПМТ
Исходные данные:
Внутренний диаметр dвн = 190 мм;
длина трубопровода L = 2000 м;
часовая пропускная способность Qч = 200 м3/ч;
плотность перекачиваемой нефти ρ = 870 кг/м3;
кмнематическая вязкость нефти vt = 0.994*10-4 м2/с.
7.1. Расчет трубопровода из стальных труб
Секундный расход нефти в трубопроводе:
Средняя скорость нефти в трубопроводе:
Режим движения потока в трубопроводе характеризуется числом Рейнольдса:
,
получаем режим движения нефти в трубопроводе – турбулентный.
Для определения зоны трения необходимо определить переходные числа Рейнольдса:
,
где ε = Kэ/d – относительная шероховатость труб, выраженная через эквивалентную шероховатость Kэ и диаметр.
зона смешанного трения:
Коэффициент гидравлического сопротивления в этом случае определяется по формуле Альтшуля:
Потери напора на трение в трубе круглого сечения определяют по формуле Дарси-Вейсбаха:
,
если перевести полученный результат в потери давления, то получим:
7.2. Расчет трубопровода из ГПМТ
Эквивалентная шероховатость ГПМТ примерно на 30 % ниже, чем у стальных труб, и составляет Кэ = 0,3.
Тогда:
получаем зону гидравлически гладких труб:
Коэффициент гидравлического сопротивления в этом случае определяется по формуле Блазиуса:
Тогда потери напора на трение:
,
если перевести полученный результат в потери давления, то получим:
Следовательно, можно сделать вывод о том, что при применении ГПМТ вместо стальных труб за счет меньшей эквивалентной шероховатости труб уменьшается коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода, а также уменьшаются потери напора на трение, что положительно влияет на весь процесс перекачки.
8. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
В процессе строительства, ремонта, эксплуатации промысловых трубопроводов происходит образование отходов.
Токсичные отходы в виде нефтешламов образуются при зачистке резервуаров, сепараторов и других емкостей, используемых при подготовке нефти. Нефтешламы состоят в основном из тяжелых фракций нефти (асфальтенов, парафинов, масел, смол), сорбированных на частицах песка и глины, продуктов коррозии, отложений минеральных солей, воды.
Нефтезагрязненный грунт образуется в результате аварийных ситуаций (разливов и утечек нефти)
Промасленная ветошь образуется при обслуживании оборудования, ремонтных и других работах, пробоотборе.
Лом и отходы черных металлов образуются в результате списания и ремонта оборудования, подземного и капитального ремонта скважин, капитального и текущего ремонта трубопроводов:
Промасленная ветошь сжигается на установке;
Лом и отходы черных металлов - на площадках временного хранения металлолома.
8.1. Меры безопасности
8.1.1. При изготовлении, монтаже и эксплуатации трубопроводов из ГПМТ должны соблюдаться правила безопасности и охраны труда, установленные РД 08-200-98 «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» и СНиП III-4-80 «Техника безопасности в строительстве».
8.1.2.Трубы из полиэтилена относят к 4 классу опасности по ГОСТ 12.1.005. Трубы относят к группе «горючие» по ГОСТ 12.1.044, температура воспламенения не ниже 300°С.
Средства пожаротушения: распыленная вода, двуокись углерода, пена, огнетушащий порошок ПФ, песок, кошма. Тушить пожар необходимо в противогазах марки В по ГОСТ 12.4.121.
8.1.3. В условиях хранения и эксплуатации трубы из полиэтилена не выделяют в окружающую среду токсичных веществ, взрывобезопасны и не оказывают при непосредственном контакте вредного воздействия на организм человека, работа с ними не требует специальных средств индивидуальной защиты.
8.1.4. Безопасность технологического процесса при производстве труб должна соответствовать ГОСТ 12.3.030.
8.1.5. Всякого рода ремонтные работы производить при полностью снятом давлении.
8.1.6. Начинать гидравлические испытания (поднятие давления) следует после заполнения полости трубы водой при полностью вытесненном воздухе.
8.1.7. Для контроля давления должен применяться предварительно проверенный и опломбированный манометр с диаметром корпуса не менее 150 мм и шкалой на номинальное давление не менее 4/3 от испытательного. Класс точности манометра должен быть не ниже 1,5 по ГОСТ 2405.
8.2. Охрана окружающей природной среды
Концепция экологической защиты окружающей среды при строительстве и эксплуатации системы нефтесбора предусматривает прямую деятельность по охране всех компонентов природной среды: атмосферы, гидрологической системы, грунта, рельефа, ландшафта, фауны и флоры.
8.2.1. Охрана почвенно-растительного комплекса.
Основной ущерб почвам, растительности и животному миру при эксплуатации систем трубопроводного транспорта нефти и пластовых вод причиняется в результате воздействия следующих факторов:
- химического загрязнения местности нефтепродуктами и минерализованными водами (солями);
- механического разрушения почв и уничтожения произрастающей растительности при прохождении тяжелой строительной техники и проведении траншее-устроительных и планировочных работ;
- подтопления и заболачивания прилегающих покрытых лесом территорий в результате перегораживания линий почвенно-грунтового (поверхностного) стока воды трассами наземных участков трубопроводов. В нормальном режиме эксплуатации трубопроводов воздействие указанных факторов минимально и связано с проведением профилактических работ по ревизии, диагностике и периодическому испытанию трубопроводов.
Основными природоохранными мероприятиями являются:
- сбор загрязнителей в дренажную емкость с последующим вывозом собранного нефтешлама в шламонакопитель.
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.