Компьютерное моделирование процесса стресс-коррозионного разрушения участка трубопровода.

, студент, , магистрант,  , д. т.н., проф., Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.

E-mail: *****@***ru

Целью данной работы является моделирование напряженно-деформированного состояния коррозионной трещины на участке магистрального газопровода в программе ANSYS.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, газопровод, тектонический разлом, максимально допустимое напряжение.

The purpose of this work is modeling of the intense-deformed condition of a corrosion crack on the trunk gas pipeline section in program ANSYS.

Key words: stress-strain state, gas pipeline, a tectonic fault, the maximum stress.

  На сегодняшний день самым опасным видом разрушения магистральных газопроводов (МГ) является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) внешней катодно защищаемой поверхности трубы. Масштабность этой задачи можно оценить исходя из протяженности МГ в России, которая в настоящее время достигает 155 тыс. км [1]. С ростом продолжительности эксплуатации газопроводов в нашей стране ситуация с КРН усугубляется и становится весьма тревожной. Удельный вес аварий на МГ по этой причине достигает 95 % [2, 3] от общего количества. 

Главной особенностью КРН является непредсказуемость поведения, потому что каждый дефект – это потенциальная авария. Развитие трещины может происходить как с постоянной скоростью, так и скачкообразно. Поэтому спрогнозировать динамику её развития, является весьма сложной задачей, ведь трещина в любой момент может достигнуть критических размеров, и в конечном итоге наступит разрушение газопровода. Сложившаяся ситуация требует проведения серьезных исследований

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Напряженно-деформированное состояние любого несущего элемента линейной части магистрального трубопровода однозначно определяется характеристиками воздействующих на него нагрузок. На подземные трубопроводы, проложенные в траншее, воздействуют постоянная нагрузка от веса грунта засыпки () и длительная нагрузка от внутреннего давления перекачиваемого продукта. Температурные воздействия и воздействия, вызывающие искривление продольной оси трубопровода, в работе не учитываются.

Рис. 1. Расчетная схема трубопровода

Расчет ANSY.

Расчет производился с помощью трехмерного моделирования и решения пространственной задачи определения напряженно - деформированного состояния трубопровода, находящейся под действием внутреннего давления и веса от грунта насыпки. Рассматриваем 1 м длины трубы со сварным швом. Механические свойства стали: модуль упругости Е = 2*1011Па, коэффициент Пуассона н = 0,3. Внутренне давление Р=7,45Мпа.

Создание модели

Toolbox-> Analysis systems->Static Structural

Свойства материала

В данной задаче задается изотропный материал с постоянными свойствами:

Engineering Data-> Outline Pane ->Material>Structural steel

Engineering Data-> Properties Pane ->

а) ввести 2Е+11 в Young’s Modulus (модуль упругости);

б) ввести 0.3 в Poisson’s Ratio (коэффициент Пуассона);

Создание стенки трубопровода

В данной задаче модель создается при помощи геометрических примитивов и автоматического построения сетки: Плоскость XY Plane

Geometry->Sketching->Draw->Rectangle->Rectangle-> Rectangle-> Ellipse

Вводим размеры эскиза через вкладку Dimensions. Воспользуемся вкладкой Modify и Trim, уберем не нужные элементы. Выбираем нужные размеры МГ. Таким образом, профиль, соответствующий сечению трубы, построен.

Рис. 2. Профиль стенки трубы

Построим трещину: Geometry->Sketching->Draw->Rectangle

Рис. 3. Построение трещины

Построение сетки

Project Shematic->Model->Mesh->Previer Surface->Mesh Generate

\

Рис. 4. Сетка

Получение решения

Задание ГУ (граничные условия): Environment-> Loads-> Pressure

Установки:

1) Geometry: 5 Face

2) Magnitude: 8 Мпа

Environment-> Loads-> Force

Установки:

1) Geometry: 3 Face

2) X Component: 0, N

Y Component: -35055, N

Z Component: 0, N

Environment-> Supports>Displacement

Установки:

1) Geometry: 1 Face

2) X Component: Free

Y Component: Free

Z Component: 0, мм

Environment-> Supports>Displacement 2

1) Geometry: 1 Face

2) X Component: Free

Y Component: Free

Z Component: 0, мм

Environment-> Supports>Fixed Support

Geometry: 1 Face

Environment-> Supports> Fixed Support 2

Geometry: 1 Face

Задание нагрузок:

:

Рис 5. Pressure

Рис 8. Force

Эквивалентные напряжения по Мизесу

Solution-> Equivalent Stress->Solve

Суммарные перемещения

Solution-> Total Deformation->Solve

Рис 10. Суммарные перемещения.

Распределение суммарных перемещений и напряжений, полученных в расчете, представлены на Рисунках 11 и 12.

Рисунок 9. График изменения  напряжений  по длине трубопровода

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

Наибольшие напряжения возникают на дефекте; Так же напряжения возникают в приграничной зоне; Пики напряжений наблюдаются по всей трещине; Суммарные перемещения по длине трубопровода несущественны.

Список литературы


Конакова M. A, Теплинский растрескивание под напряжением трубных сталей. - Санкт-Петербург: 2004. - 358 с. , , и др. Состояние проблемы стресс –коррозии в странах СНГ и за рубежом. Обз. инф. Серия «Замщита от коррозии оборудования в газовой промыщленности ». – М.:ИРЦ«Газпром»,1997. -101 с. Лоскутов  В. Е., Матвиенко  А. Ф., ,   Магнитный метод внутритрубной дефектоскопии газо – нефтепроводов: прошлое и настоящее  // Дефектоскопия  – 2006. –  № 8. – С. 3 – 19. ., Матвиенко труб магистральных трубопроводов. Современное представление о коррозионном растрескивание под напряжением. – Екатеринбург, 1997. -102 с. , , Варламов система развития стресс – коррозии в магистральных газопроводах. – Екатеринбург:”БКИ”, 2005. – 80 с.