Компьютерное моделирование НДС участка газопровода с абразивным износом дна вследствие наличия в потоке механических примесей

Компьютерное моделирование НДС участка газопровода с абразивным износом дна вследствие наличия в потоке механических примесей

, бакалавр, , магистрант,  , д. т.н., проф.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30,

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

Объектом исследования настоящей работы является абразивное влияние твердых частиц (механических примесей), транспортируемых вместе с потоком природного газа в магистральных газопроводах. Основными вопросами, касающимися моделирования данного явления, являются определение подхода к выражению максимального удельного износа стенки трубы, а также к моделированию геометрии абразивного дефекта.

Конечной целью моделирования любого дефекта является проверка его влияние на прочностные свойства исходного материала. В связи с этим, естественным представляется создание методики расчета, позволяющего, с использованием некоторых средств компьютерного моделирования, без лишних усилий рассчитать напряженно-деформированное состояние материала относительно длительности воздействия агрессивно-абразивной среды.

The object of this paper is to study the influence of the abrasive particles (solids) transported with the flow of natural gas to the gas mains. The main issues related to modeling of this phenomenon, is the definition of an approach to the expression of the maximum specific wear the tube wall, and to the simulation of abrasive geometry of the defect.

The ultimate goal of simulation of any defect is to check its influence on the mechanical properties of the original material. In this regard, the natural method is the creation of the calculation is using some means of computer simulation, without any extra effort to calculate the stress-strain state of the material with respect to the duration of exposure to aggressive and abrasive environments.

1. Моделирование параметров абразивного износа

Опыт транспортировки потоков со взвешенными твердыми частицами показывает, что, при отсутствии поворотов трубопровода, абразивный износ его поверхности происходит в районе дна, поскольку твердые частицы стремятся вниз под действием силы тяжести, и, соответственно, максимально интенсивно взаимодействуют именно с донной поверхностью [2].

Рис. 1. Схема моделирования абразивного износа.

1.1. Моделирование максимальной глубины абразивного износа

Абразивный износ дна трубопровода при транспорте сильнозапыленных течений будет происходить, в основном, вследствие соударений механических примесей о поверхность дна.

Согласно Путилову:

где Uч - средняя скорость частиц, м/с; Кп - критерий Путилова, кг/м2; kSiO2 - коэффициент относительного содержания SiO2; d - внутренний диаметр трубопровода, m - массовая расходная концентрация потока смеси частиц и газа, кг частиц/кг газа ; кизн - коэффициент относительной износостойкости материала трубопровода.

При этом,

где d0 - средний диаметр твердых частиц, сч - плотность материала твердых частиц.	где HV - твердость материла трубопровода по Виккерсу.

Для того, чтобы данное соотношение работало в условиях магистрального транспорта газа, а также для получения результатов износа в величинах мм/год, необходимо совершить некоторые преобразования.

где cvol - относительная объемная концентрация твердых частиц.

Таким образом, итоговое соотношение для определения Hmax запишется как:

1.2 Моделирование максимальной ширины абразивного износа

Величину максимальной ширины дефекта будем искать из геометрических соображений. Пусть нам задана объемная концентрация твердых частиц. Тогда, мы можем сказать, что, вследствие равномерного распределения примесей по длине, нам задано отношение поперечной площади «пятна», образованного твердыми частицами и поперечной площади трубопровода. При этом максимальная ширина абразивного дефекта будет равна хорде сегмента круга, образованного «пятном» твердых частиц [см. рис. 2].

Рис. 2. Пояснение геометрического основания для расчета Bmax

Таким образом, задача сводится к отысканию хорды сегмента по известной площади. Bmax удобно искать как третью сторону треугольника, образованного данной стороной и двумя радиусами. При этом, по теореме косинусов, Bmax выражается как:

Из уравнения видно, что для нахождения Bmax необходимо знать угол, который образует данный сегмент. Его мы найдём из формулы площади сегмента, так как эта площадь известна.

следовательно

отсюда

.

Данное уравнение  легко решается графически как пересечение прямой «» и функции синуса «». Подставляя значение угла в соотношение теоремы косинусов, получим значение Bmax.

2.1. Исходные данные к расчету

В качестве исходных данных к расчету напряженно-деформированного состояния трубопровода было взято типичное проектное решение, основанное на технических требованиях трансгаз Томск» на выполнение реконструкции магистрального газопровода Парабель - Кузбасс. Следует, однако, заметить, что все параметры данного трубопровода, а также условий его прокладки, являются типичными, в связи с чем результаты моделирования не следует привязывать к единственному проектному решению.

2.2 Моделирование в среде ANSYS Workbench

Порядок моделирования напряженно-деформированного состояния магистрального газопровода с абразивным дефектом в CAE-среде ANSYS Workbench состоит из следующих этапов

1. Моделирование материала и исследуемой геометрии.

2. Моделирование опор и нагрузок, действующих на трубопровод.

3. Моделирование сетки конечны х элементов. Расчет НДС.

4. Анализ получившихся результатов.

Рис. 3. Моделирование геометрии трубопровода.

Рис. 4. Моделирование абразивного дефекта.

Все параметры геометрии, включая внутренний радиус трубопровода, толщину стенки, длину трубы, расстояние до центра круга-модели дефекта, а также его радиус, могут быть изменены централизовано из меню параметров в нижней части панели.

Следующим шагом является моделирование нагрузок, посчитанных ранее в части 3.2, а также заделок, удерживающих трубопровод. Нагрузки и заделки прикладываются в среде ANSYS Mechanical (см. рис. 12).

Рис. 5. Нагрузки и заделки, прикладываемые в среде ANSYS Mechanical.

2.4. Расчет срока службы газопровода

Таким образом, задавшись моделью абразивного износа трубопровода, геометрией дефекта, нагрузками, действующими на трубопровод, а также исходными данными необходимых для расчета величин, представим результат расчета как табличную функцию зависимости максимальных напряжений в стенке трубопровода от его срока службы:

t, лет:	0	7,5	15	16	17	18,1
Hmax, мм:	0	2,226215	4,45243	4,749259	5,046087	5,372599
Bmax, мм:	77,77089	77,77089	77,77089	77,77089	77,77089	77,77089
Yц, мм:	-0,15122	-298,263	-374,771	-380,923	-386,532	-392,158
Rв, мм:	499,8488	203,9635	129,6814	123,8262	118,5142	113,2145
уmax, МПа:	230,1	239,63	282,54	332,4	355,72	396,17

Из представленных значений видно, что напряженно-деформированное состояние трубопровода не является линейной функцией от времени и изменяется ступенчато. Нарастание напряжений в начале эксплуатации практически незначительно. Ближе к концу, напротив, наблюдается резкий рост.

В рамках данной модели, срок службы для заданного магистрального газопровода до отказа (достижения предела текучести, для стали К-55 равен 372 МПа) составляет около 18 лет. Дальнейшая эксплуатация данного газопровода является опасной.

Заключение

В данной работе были изучены вопросы, касающиеся абразивного износа магистральных газопроводов сильнозапыленных течений. Были изложены цели и задачи исследования, обозначена его актуальность и необходимость. Была  адаптирована модель, определяющая удельный износ материала трубы, а также предложены методы расчета геометрических параметров абразивного дефекта. Предложенные методы расчета значительно облегчают моделирование данного вида дефектов в CAE-программах, поскольку представляют их в наглядном виде взаимодействия двух геометрически простых тел.

Список литературы:

1. Liang-Shih Fan, Chao Zhu. Principles of Gas-Solid Flows. Cambridge University Press, 2005.

2. Путилова износ трубопроводов пневмотранспортных установок систем золошлакоудаления и пылеприготовления ТЭС, М.: - 2004.

3. Тугунов расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Уфа - ДизайнПолиграфСервис, 2002.

4. СНиП III-42-80*. Магистральные трубопроводы.

5. Киселев, износ металлов в различных средах и температурных условиях. Томск, 1965.

6. Дегтерёв, покрытий при абразивном износе. Современные проблемы машиностроения : труды IV Международной научно-технической конференции 2008 г., Томск  — Томск, 2008.

7. ГОСТ 20295-85: Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов.