компьютерное моделирование НАПРЯЖеННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ участка МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА «Нижне-Квакчинское газоконденсатное месторождение – г. Петропавловск-Камчатский»
, студент, , магистрант, , д. т.н., проф., Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, пр. Ленина, 30, тел. (3822)-41-91-41
E-mail: *****@***ru
В статье приводится пример использования программного комплекса ANSYS для расчёта напряженно-деформированного состояния участка магистрально газопровода с целью определения максимальных нагрузок и деформации.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, газопровод, тектонический разлом, максимально допустимое напряжение.
This article provides an example of using ANSYS software package for calculating the stress-strain state of main gas pipeline section to determine the maximum loads and strains.
Key words: stress-strain state, gas pipeline, a tectonic fault, the maximum stress.
Район прохождения трассы рассматривается как сопряжение вулканических, ледниковых, сейсмических, тектонических, эрозионных и других эндогенных и экзогенных процессов.
В соответствии с проектом магистральный газопровод «УКПГ-2 Нижне-Квакчикского газоконденсатного месторождения – АГРС г. Петропавловска-Камчатского» пересекает 31 активный тектонический разлом.
Климатические особенности Камчатки сопровождаются частым возникновением здесь особо опасных явлений погоды, к которым относятся ураганные ветры, обильные осадки, сильные и продолжительные метели, разливы рек.
Исходя из всех вышеизложенных особенностей района прокладки газопровода, в данной работе с помощью программного обеспечения ANSYS будут смоделированы условия для расчёта напряжённо-деформированного состояния участка газопровода, находящегося в траншеи и пересекающего активный тектонический разлом.
Исходные данные к расчёту
· Назначение магистрального газопровода – транспорт природного газа;
· Избыточное давление продукта – до 6.4 МПа;
· Диаметр (наружный) трубопровода – 530 мм;
· Прокладка участка газопровода – подземная;
· Грунт в зоне прокладки – супесь;
· Толщина слоя засыпки от верхней образующей трубы h0 = 0,8 м;
· Магнитуда землетрясения, при повторяемости раз в 1000 лет – 9 баллов;
· Материал – сталь 10Г2ФБ;
· Толщина стенки – 8 мм;
· Предел прочности σв = 590 МПа;
· Предел текучести σт = 485 МПа;
Цель данного расчёта заключается в определении максимально допустимых напряжений в трубопроводе при его провисании в следствии нарушения целостности траншеи при совокупности таких явлений как землетрясение и ливневые паводки, то есть при наихудшем стечении обстоятельств. Как следствие, в ходе определения максимальных нагрузок, становиться известно максимально возможное расстояние пролёта провисания по длине трубопровода, выдерживающее нагрузки от веса трубы с продуктом и грунта по верхней образующей трубы, не имея опоры на грунт по нижней образующей.
Наибольшее распространение при анализе напряжений и деформаций в инженерных конструкциях получил метод конечных элементов (МКЭ). Первые разработки МКЭ были выполнены в 50-х годах двадцатого столетия для решения задач сопротивления материалов. В 60-е годы математики получили строгое обоснование этого метода, после чего он стал общим средством изучения задач в частных производных, постепенно вытесняя метод конечных разностей, который рассматривался в то время, как универсальное средство решения названных задач. Благодаря работам О. Зенкевича, Р. Галлагера, Дж. Одена, и других ученых, начиная с 1970 г., МКЭ становится все более популярным среди инженеров всех специальностей. Тогда же были разработаны первые программные комплексы, в которых реализовался метод конечных элементов. [1, 4]
В настоящее время программным комплексом, в котором в наибольшей степени реализованы возможности МКЭ, является ANSYS.
После проведения программой расчётов получаем, что при длине пролёта провисания в 18 метров (рис. 1, 2) максимальные напряжения, равные 527,61 МПа, превышают допустимые, равные пределу текучести σт = 485 МПа, из чего можно сделать вывод, что на участке такой длины трубопровод будет разрушен. Максимальная деформация при этом равна 76,5 мм.
График распределения напряжений по длине участка трубопровода показан на рис. 3., где Pmax = 526,61 МПа, σт = 485 МПа.
Рис. 1. Максимальное напряжение
Рис. 2. Максимальная деформация
Рис. 3. График распределения напряжений
Заключение
При проведении расчётов с помощью программного комплекса ANSYS было установлено:
§ предельная длина пролёта провисания участка газопровода при котором происходит разрушение составляет 18 метров;
§ зона максимальных нагрузок расположена по нижней образующей трубопровода на границе защемления трубы грунтом и максимальное значение там достигает 526,61 МПа, превосходящие предел текучести;
§ величина деформации равна 76,49 мм и наблюдается в сечении, расположенном ровно на середине рассматриваемого участка.
Математическое моделирование позволяет нам дать прогноз поведения технологического сооружения типа трубопровод в сейсмически активных районах прокладки при наихудшем развитии событий, произвести оценку воздействий и сделать необходимые выводы.
Библиографический список
1. Применение метода конечных элементов в решении задач прикладной механики : учеб.-метод. пособие для студентов технических специальностей / , ; М-во образования Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель : БелГУТ, 2008. – 61 с.
2. Строительные нормы и правила (СНиП) 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы».
3. Бруяка анализ в ANSYS Workbench: Учеб. пособ. / , , . – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 271 с.: ил.
4. етод конечных элементов. Основы. – М. : Мир, 1984. – 428 с.
5. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. . – М.: Компьютер Пресс, 2002. – 224 с.
6. , , Вертинская силовых факторов системы среда – трубопровод // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, - № 2. – с. 153-157.
