На правах рукописи
ЛАВРОВ ИГОРЬ ГЕОРГИЕВИЧ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКЕ В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР
Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень – 2007
Диссертационная работа выполнена в государственном учреждении высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) на кафедре «Механизация строительства и природообустройства».
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук, доцент
Ведущая организация – ОАО "Запсибгазпром"
Защита состоится «25» мая 2007 года в 1530 на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете в зале им. .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета г. Тюмень, .
Автореферат разослан «23» апреля 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен достаточно богатый опыт использования полиэтиленовых трубопроводов в газораспределительных системах. Выпуск труб малого диаметра в бухтах предопределил научные и инженерные поиски в создании технологий прокладки, позволяющих снизить затраты по сооружению трубопроводов. К таким технологиям следует отнести, например, горизонтально-направленное бурение, плужный и другие способы бестраншейной прокладки. Использование этих способов позволяет значительно сократить объемы земляных работ и увеличить скорость прокладки трубы. Одним из сдерживающих факторов всесезонного их применения являются ограничения, регламентированные нормативными документами по условиям прокладки при отрицательных температурах окружающего воздуха. Действующий в настоящее время СП 42-103-2003 "Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов" распространяется на применение полиэтилена с минимальной длительной прочностью MRS (Minimum Required Strength) 8,0 МПа (ПЭ80) и более. Ограничения, заложенные в нем по температурным условиям, перенесены из ранее действовавшего нормативного документа (СП 42-101-96), разработанного для труб из полиэтилена ПЭ63. Согласно требованиям прокладку можно производить при температуре окружающего воздуха до -15 °С, а разматывание труб с бухт - до +5 °С. Учитывая использование новых материалов, указанные ограничения являются необоснованно жесткими и нуждаются в проверке.
Анализ поведения трубы во время бестраншейной прокладки и обоснование возможности ее осуществления при температурах до -20 ºС (ограничение для транспортировки, погрузки и разгрузки труб) позволит внести корректировку в нормативные документы, увеличить длительность сезона возможного производства работ и повысить коэффициент использования техники.
Все вышесказанное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Цель работы – количественная оценка напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых трубопроводов в условиях отрицательных температур при бестраншейной прокладке.
Для достижения поставленной цели исследований сформулированы следующие задачи:
1) разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при бестраншейных способах прокладки с учетом температурного фактора;
2) установить закономерности изменения модуля упругости и предела текучести полиэтилена ПЭ80 от температуры окружающего воздуха;
3) разработать методику экспериментальной оценки зависимости прочностных свойств полиэтиленовой трубы от изгибающих воздействий при различных температурах;
4) разработать нормативные требования к величине допустимого изгиба полиэтиленовых труб в процессе бестраншейной прокладки при отрицательных температурах.
Научная новизна работы:
1) разработана математическая модель, позволяющая производить расчет напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых труб при бестраншейных способах прокладки в температурном диапазоне от +20 °С до
-20 °С;
2) установлены аналитические зависимости прочностных и деформационных характеристик полиэтилена ПЭ80 от температуры окружающего воздуха, которые в диапазоне температур от +20 °С до -60 °С имеют линейный характер;
3) разработана методика количественной оценки величины деформации образцов полиэтиленовых труб после приложения нагрузок, вызванных технологиями бестраншейной прокладки;
4) установлены функциональные зависимости между диаметром труб (SDR 11) из полиэтилена ПЭ80 и предельной величиной их упруго-пластического изгиба при температурах до -20º С.
Практическая ценность и реализация работы.
1) Результаты работы позволяют внести коррективы в действующие нормативы и регламенты по строительству газопроводов из полиэтиленовых труб и увеличить длительность сезона возможного производства работ при бестраншейной прокладке.
2) Установленная зависимость между диаметром трубы (SDR 11) из полиэтилена ПЭ80 и возможным диаметром ее изгиба позволяет проектным организациям выбрать технологические режимы производства работ с обеспечением прочностных характеристик полиэтиленового трубопровода.
3) Результаты работы используются в учебном процессе Тюменского государственного нефтегазового университета при подготовке инженеров и повышении квалификации специалистов производства.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на научно-практических конференциях различного уровня: "Инновации. Интеллект. Культура" (Тобольск, 2005), "Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта»" (Самара, 2005), "Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения" (Тюмень, 2006), «Нефть и газ – 2006» (Тюмень, 2006), "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" (Тюмень, 2007), а также на научных семинарах кафедр "Механизация строительства и природообустройства" и «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» ТюмГНГУ (Тюмень, 2004-2007).
Публикации. По результатам исследований опубликовано восемь научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и содержит 164 страницы текста (в том числе 21 таблицу и 46 иллюстраций), список литературы из 129 наименований, 4 приложения на 50 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении освещена общая характеристика работы, обоснована актуальность, сформулирована цель исследований, научная новизна и практическая ценность.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса.
Имеющийся опыт производства работ по сооружению полиэтиленовых трубопроводов и результаты исследований физико-механических характеристик свидетельствуют о перспективах их широкого применения при газификации.
При строительстве газораспределительных сетей широко используются полиэтиленовые трубы малых диаметров, которые поставляются к месту укладки в бухтах. Применение длинномерных труб имеет многие преимущества перед использованием труб мерной длины. Как следствие, разработаны и используются технологии, при которых укладка трубы в грунт, либо в восстанавливаемый стальной трубопровод осуществляется непосредственно с бухты. К ним относится метод бестраншейной прокладки трубопроводов, реализуемый различными способами. На рисунке 1 в качестве примера представлена технологическая схема плужного способа бестраншейной прокладки.
Рис. 1. Технологическая схема плужного бестраншейного трубоукладчика.
(I - схема сил, действующих на трубу)
Прокладка трубопровода на необходимую глубину осуществляется тяговым усилием базовой машины (1) через устройство, которое состоит из рыхли, направляющего короба (3). По коробу полиэтиленовая труба (4) подается с бухты (5), навешенной на переднюю часть тягача.
Труба в процессе прокладки испытывает значительные изгибающие воздействия, поэтому необходимо исследование ее напряженно-деформированного состояния для сохранения прочностных характеристик.
Одним из сдерживающих факторов использования бестраншейных способов прокладки в условиях Российской Федерации являются ограничения, указанные в строительных нормах и правилах по условиям использования полиэтиленовых труб при низких температурах.
Вопросам воздействия температуры на полиэтилен и на специфику технологий при производстве работ с полиэтиленовыми трубопроводами посвящены исследования, проведенные в ГипроНИИгаз, ВНИИСТ, МИИП-НПО «Пластик», Полимергаз, Институте неметаллических материалов Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и других организациях. Исследования ученых , , , и многих других позволили определить особенности использования полиэтиленовых трубопроводов.
В институте неметаллических материалов СО РАН проводились экспериментальные исследования, направленные на изучение поведения полиэтиленов марок ПЭ63 и ПЭ80 при низких температурах. Доказано, что полиэтилен ПЭ80, в отличие от ПЭ63, при понижении температуры до -60ºС сохраняет необходимые эластичные свойства. Также доказано, что для полиэтиленов ПЭ80 безопасно жесткое закрепление концов труб, т. к. напряжения от температурных деформаций (до -25º С) в осевом направлении не превысят предела прочности.
Изменение прочностных и деформационных характеристик для полиэтилена ПЭ80 при изгибе в условиях отрицательных температур остается малоизученным.
Таким образом, необходимо проведение исследований напряженно – деформированного состояния полиэтиленовых труб при изгибе для обоснования возможности использования бестраншейных способов прокладки при отрицательных температурах.
Вторая глава посвящена аналитическим исследованиям.
Для описания напряженно-деформированного состояния трубы использованы основы теории криволинейных стержней и кривых тонкостенных труб, так как длина трубы намного превышает ее диаметр. В этой области известны исследования многих ученых: , , и других. Спецификой каждого из исследований являются условия приложения нагрузок, виды материалов, методы вычисления критической нагрузки и другие особенности.
В основу анализа напряженного состояния изгиба положена методика, учитывающая деформации материала трубы в упруго-пластической зоне.
Для определения напряжений использована зависимость:
| (1) |
,где Ес – секущий модуль, МПа; εr - относительная деформация от искривления трубы при изгибе; εS – относительная деформация от действия изгибающего момента и растягивающего усилия; εh - относительная деформация изменения формы поперечного сечения.
Секущий (переменный) модуль – параметр, характеризующий нелинейные свойства материала трубы в зоне упруго-пластических деформаций.
Относительные деформации от искривления трубы при изгибе и от изменения формы поперечного сечения определятся следующим образом:
| (2) |
, 
,где 
- наружный радиус трубы (м); 
- радиус изгиба трубы (м), h - изменение радиуса поперечного сечения (м).
Определение относительной деформации (εS) позволяет найти внутренние усилия, возникающие в поперечном сечении трубы. Эти усилия можно вычислить через напряжения в произвольной точке путем интегрирования по площади поперечного сечения стенки трубы в соответствии с формулами напряженного состояния:
| (3) |
.где dA – элементарный участок сечения, у – удаление элементарного участка от оси абсцисс.
После рассмотрения элемента участка трубы длиной dS, к граням которого приложены компоненты усилий (рис. 2), и составления уравнений равновесия получено:
| (4) |
где Ns – продольное усилие, возникающее при изгибе трубы (Н); Qs – поперечное усилие (Н); Ms – изгибающий момент вдоль оси S (Н×м); q – распределенная внешняя нагрузка (Н/м).
Рис. 2. Элемент стержня. Ns – продольное усилие при изгибе и dNs – его приращение (Н); Qs – поперечное усилие и dQs – его приращение (Н); Ms – изгибающий момент и dMs – его приращение (Н×м); q – распределенная нагрузка (Н/м). | После определения начальных и граничных условий проведено решение системы дифференциальных уравнений (4). С целью учета температурного фактора определение секущего модуля предложено производить по соотношению:
где bt - коэффициент, определяющий изменение секущего модуля от величины деформации, МПа -2. |
Необходимые обобщающие зависимости изменения модуля упругости (Et) и предела текучести (σt) от температурного фактора для полиэтилена ПЭ80 получены автором аналитически на основе результатов исследований, проведенных в институте неметаллических материалов СО РАН (достоверность аппроксимации для диапазона от +20º C до -60º C составляет 0,97):
, , | (6) |
где Et – модуль упругости материала трубы при текущем значении температуры, МПа; E20 – модуль упругости материала трубы при температуре 20º C, МПа; σt – предел текучести материала трубы при температуре Тt, МПа; σ20 – предел текучести материала трубы при температуре 20º C, МПа; Тt – температура окружающего воздуха, ºС; T20 – температура окружающего воздуха, равная 20º С.
Полученные зависимости (6) использованы в соотношении (5) по определению секущего модуля и оценке найденных напряжений (1).
Решение системы дифференциальных уравнений (4) по методу конечных разностей для частного случая показало сходимость в сравнении с результатами расчета в форме Навье.
Произведены расчеты напряженно – деформированного состояния стенки трубы в зависимости от радиуса изгиба и температуры окружающего воздуха для всех типоразмеров труб, выпускаемых заводами-изготовителями в бухтах (диаметры 20, 25, 32, 40, 63, 110 мм).
Пример результатов расчета для труб диаметром 63 мм представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Изменение напряжений при изгибе трубы из полиэтилена ПЭ80 диаметром 63 мм. ( | Анализ результатов расчета показывает, что при снижении температуры напряжения, возникающие в стенке трубы при изгибе, существенно возрастают. Это обстоятельство связано с увеличением модуля упругости материала при понижении температуры. Результаты расчетов позволяют рекомендовать сочетание размеров трубы и радиуса ее изгиба в условиях различных температур окружающего воздуха, при кото- |
- недопустимые напряжения; 
- допустимые напряжения)рых материал трубы работает в зоне упруго-пластических деформаций и не превышает предела текучести.
В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований.
С целью проверки адекватности основных положений теоретических исследований проведен комплекс экспериментов по определению деформаций полиэтиленовой трубы в условиях отрицательных температур.
Для исследования напряжений, возникающих в стенке трубы при изгибе, предложена косвенная система оценки. При этом принято, что материал трубы не претерпит изменений физико-механических характеристик после приложения изгибающей нагрузки, если в комплексе будут выполнены следующие условия:
1) отношение диаметра изгиба трубы к ее диаметру после приложения нагрузки не менее 20 (СП 42-103-2003);
2) овальность трубы после снятия изгибающей нагрузки не превышает максимально допустимой величины, регламентированной ГОСТ Р 50838-95.
Испытанию подвергались образцы труб, изготовленных из полиэтилена марки ПЭ80 с отношением наружного диаметра к толщине стенки, равным 11 (Standard Dimension Ratia - SDR 11), выпускаемых заводами-изготовителями в бухтах (с диаметрами до 110 мм включительно).
Перед проведением экспериментальных исследований было определено необходимое число повторений опытов, обеспечивающих заданную надежность результатов (0,95). Радиусы изгиба задавались пятью значениями, центральное из которых соответствовало минимально-допустимому (в соответствии с расчетом).
Образцы труб изгибались на нужный радиус и находились под нагрузкой в течение времени, которое задавалось исходя из технологических параметров работы установок при реализации бестраншейных способов прокладки.
После прекращения действия нагрузки проводились измерения овальности сечения образцов с фиксированным шагом и расстояния между крайними точками изгиба.
Первоначально, для проверки предложенной методики оценки напряжений было проведено исследование прочностных свойств полиэтиленовой трубы, подвергнутой изгибающим нагрузкам, методом испытания на растяжение в соответствии с ГОСТ 11262-80 (при температуре 20º С). Если предел текучести материала трубы после снятия нагрузки не уменьшался, то изгиб выполнен в допустимых пределах. В противном случае - изгиб на такой радиус не допустим. Проверка подтвердила правомерность предложенной автором методики.
Реализация методики потребовала решения попутной задачи по установлению взаимосвязи между измеряемой длиной (a) и радиусом изгиба (R), который имела труба после снятия изгибающей нагрузки (рис. 4).
Рис. 4. Схема к определению радиуса изгиба образцов труб после снятия нагрузки. | В момент испытания образцы трубы прижимались к направляющей с известным радиусом (Rнапр) и центральным углом 90º (центр – О1). После снятия нагрузки они распрямлялись до новой окружности (с центром О2). После замеров длины (a) решением выведенного уравнения
|
определялся центральный угол (ψ) и далее радиус (R) образца трубы после снятия нагрузки из зависимости 
с последующей оценкой соотношения dтрубы/ Dизгиба.
В таблице 1 и на рисунке 5 в качестве примера представлены результаты замеров по изменению диаметров и прогибу после снятия нагрузки для трех типоразмеров труб при различных температурах.
Таблица 1
Результаты замеров овальности труб (мм) после снятия нагрузки
Диаметр трубы (мм)/ допустимая овальность (мм) | T = 0º C | T = -20º C | T = 0º C | T = -20º C | T = 0º C | T = -20º C |
32/2,0 | Dнапр = 402 мм | Dнапр = 465 мм | Dнапр = 530 мм | |||
2,14 | 2,21 | 1,96 | 2,02 | 1,79 | 1,83 | |
63/3,8 | Dнапр = 820 мм | Dнапр = 920 мм | Dнапр = 1020 мм | |||
4,29 | 4,37 | 3,76 | 3,91 | 3,47 | 3,62 | |
110/6,6 | Dнапр = 1340 мм | Dнапр = 1580 мм | Dнапр = 1800 мм | |||
7,38 | 7,51 | 6,71 | 6,83 | 5,83 | 5,98 |
Анализ показывает, что после изгиба труб на диаметры, меньшие минимально-допустимого значения, определенного в соответствии с расчетом,
Рис. 5. Отношение диаметра образцов трубы к диметру изгиба при температуре -20º C (штриховая линия – недопустимая область). | овальность превышает максимально-допусти-мую (курсив) или отношение d/D больше Для проверки достоверности данных, полученных при отрицательных температу- |
рах, образцы также подвергались испытаниям на растяжение (ГОСТ 11262-80).
Полученные результаты соответствуют результатам теоретического расчета с максимальной погрешностью 15 % и, тем самым, с достаточной достоверностью подтверждают правильность предложенной математической модели.
Таким образом, результаты теоретических расчетов могут быть использованы для определения допустимых радиусов изгиба полиэтиленовых трубопроводов разных типоразмеров при температурах в диапазоне от +20 до
-20 º C.
В четвертой главе разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследований.
Принимая во внимание, что в полиэтиленовых трубопроводах с разным диаметром при прокладке возникают различные напряжения, необходимо решение задачи обоснованности выбора радиуса изгиба, при котором обеспечиваются требуемые прочностные характеристики укладываемой трубы.
Пример графической зависимости напряжений в стенке трубы от ее диаметра и от радиуса изгиба при температуре -20 ºС представлен на рисунке 6.
Использование в инженерных расчетах графических зависимостей затруднительно, поэтому предлагается более простой вариант выбора возможного радиуса изгиба в зависимости от диаметра укладываемой трубы.
Если в основу расчетов положить ограничение, что напряжения, возникающие в стенке трубы при изгибе, не должны превышать предела текучести, то можно рассчитать минимально допустимые радиусы изгиба для труб всех диаметров при различных температурах окружающего воздуха (рис. 7).
Рис. 6. Изменение напряжений для труб различного диаметра в зависимости от радиуса изгиба. |
Рис. 7. Минимально-допустимые радиусы изгиба (R) для труб с диаметрами (d) от 20 до 110 мм при различных температурах (Tt). |
Анализ полученных данных показывает, что минимально-допустимый радиус изгиба полиэтиленовой трубы при снижении температуры с +20º С до -20 º С увеличивается на 10-12 %. Незначительное увеличение минимально - допустимого радиуса изгиба объясняется тем, что при снижении температуры вместе с увеличивающимися напряжениями в стенке трубы при изгибе увеличивается и предел текучести материала трубы.
Учитывая погрешность экспериментов, для практического использования при бестраншейной прокладке можно рекомендовать зависимость D≥15d (по сравнению с общеизвестным требованием при хранении и транспортировке D≥20d). При выполнении этого требования для диапазона температур от +20º С до -20º С напряжения, возникающие в стенке трубы при кратковременном изгибе, останутся в допустимой области.
Результаты исследований предложено использовать для корректировки нормативных требований к величине допустимого изгиба полиэтиленовых труб при воздействии температур окружающего воздуха до -20º С.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1) Разработана математическая модель, описывающая напряженное состояние полиэтиленовой трубы в зоне упруго-пластических деформаций при бестраншейной прокладке, учитывающая условия отрицательных температур.
2) Установлены аналитические зависимости изменения прочностных и деформационных характеристик полиэтилена ПЭ80 (модуля упругости и предела текучести) от величины температуры окружающего воздуха, которые необходимы для расчета и оценки напряжений в стенке трубы.
3) Разработана и проверена методика количественной оценки величины деформации образцов полиэтиленовой трубы, которая заключается в комплексной проверке по двум критериям: овальности поперечного сечения и отношению диаметра изгиба трубы к ее диаметру после снятия нагрузки.
4) Установлена и рекомендована к использованию в нормативных документах функциональная зависимость между диаметром трубы (полиэтилен ПЭ80, SDR 11) и возможным диаметром ее изгиба (D/d≥15) при отрицательных температурах (до -20º С).
Основные положения и результаты диссертации отражены
в следующих работах:
1) Лавров для исследований физико-механических характеристик полиэтиленовых труб при изгибе. / // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта: Материалы региональной научно-практической конференции. Часть 1. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. – С. 164-167.
2) Лавров допустимых радиусов изгиба полиэтиленового трубопровода. / , // Труды II Всероссийской научно-практической конференции «Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта». – Самара: Самарский областной дом науки и техники, 2005. – С. 139-141.
3) Лавров эксперимента по определению изгибных напряжений полиэтиленовых трубопроводов. / // Интерстроймех-2005: Труды международной научно-технической конференции. Часть 2. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. – С. 130-134.
4) Лавров технологии сооружения полиэтиленовых трубопроводов. / // Известия Самарского научного центра Российской академии наук “ELPIT-2005”. Том 1. – Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2005. – С. 231-234.
5) Лавров отрицательных температур на прочностные характеристики полиэтиленового трубопровода. / // Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения: Материалы Международной конференции. Т. 2. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С. 296-299.
6) Лавров математической модели напряженного состояния полиэтиленовых труб для расчета при различных температурах // Фундаментальные исследования, 2007. – № 1. C. 44-45.
7) Лавров допустимых радиусов изгиба труб из полиэтилена ПЭ80 в зависимости от температурного фактора. / // Известия вузов. Нефть и газ. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – № 2. С. 42 - 45.
8) Лавров применения полиэтиленовых труб в условиях отрицательных температур // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы Международной научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – С. 123 - 127.
Подписано к печати Бум. писч. № 1
Заказ № Усл. изд. л. 1,0
Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,0
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.
Издательство "Нефтегазовый университет"
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
"Тюменский государственный нефтегазовый университет"
625000, Тюмень,
Отдел оперативной полиграфии издательства "Нефтегазовый университет"
625039, Тюмень, ул. Киевская, 52
