Оценка прочности изолирующих колец «спейсеров», устанавливаемых на газо- нефте- и продуктопроводы
Шурайц А.Л., Зубаилов. Г.И., Волков В.С. - ОАО «Гипрониигаз»,
Сессин
И.В. - ОАО «Росгазификация», Васильчиков В.В. - Саратовский государственный
аграрный университет им. Н.И. Вавилова
В нашей стране происходит постоянное развитие трубопроводных систем.
В настоящее время трубопроводный транспорт ориентируется на применение
полимерных материалов - это позволяет значительно снизить уровень аварийности, а
также снизить затраты на обслуживание трубопроводов. Но применение полимерных
материалов в трубопроводном транспорте не ограничивается только самими
трубами.
Современные требования к безопасности обуславливают необходимость
использования надёжных средств защиты трубопровода от повреждающих
воздействий.
Согласно СНиП 42-01-02 подземные газопроводы всех давлений в местах
пересечений с железнодорожными и трамвайными путями, автомобильными дорогами
I-IV категорий, а также магистральных улиц общегородского значения следует
прокладывать в футлярах которые изготовлены из стальных труб.
До недавнего времени для изоляции основного газопровода от футляра
применялись футеровочные рейки из древесины, пропитанные антисептиком. Подобная
технология не оправдала себя, из-за недолговечности данного типа защиты, что
приводило к необходимости ремонта перехода, а высокая трудоёмкость футеровочных
работ заставила трубопроводные и эксплуатационные организации применять более
технологичных конструкций.
Одной из таких конструкций являются изолирующие кольца «Спейсеры»,
изготавливаемые из полиамида ПА-6, выпускаемые ОАО «Метафракс» (г. Губаха,
Пермская обл.) по ТУ 2291-034-00203803-2005.
По сравнению с комплексами из футеровочной рейки, преимущества этих
диэлектрических изолирующих колец следующие:
- низкая диэлектрическая проницаемость материала спейсера;
- стоимость спейсеров ниже стоимости конструкции с применением футеровочной
рейки;
- простота сборки колец спейсеров, состоящих из отдельных
сегментов;
Однако в результате проведённого опроса организаций потребителей в ходе
эксплуатации спейсеров был выявлен ряд недостатков таких, как хрупкость,
недостаточные геометрические размеры несущего поперечного сечения сегментов
спейсера и др.
Т.к. спейсеры, кроме обеспечения защиты изоляционного покрытия трубопровода и
низкой диэлектрической проницаемости, должны в процессе эксплуатации выдерживать
статические нагрузки трубопровода и транспортируемой среды, то встаёт вопрос
обеспечения надёжности, долговечности и безопасности, предъявляемые к
изолирующим кольцам (спейсерам).
Определить предел прочности конструкции спейсера можно экспериментальным или
теоретическим путём, но более предпочтительным является вариант, когда возможны
оба метода. Сходимость результатов расчёта с экспериментальными данными
подтвердит правильность выбора расчётной схемы, и справедливость самого
теоретического расчёта.
Но при достаточно большом числе спейсеров, отличающихся размерами и самой
конструкцией, существенно повышается сложность определения предела прочности
конструкции. Выходом из данной ситуации будет проведение численного
эксперимента.
Решение данной задачи традиционными методами теории прочности в данном случае
не являются оптимальными, т.к. результаты, полученные данными методами, будут
довольно приближёнными.
Задача была решена методом конечных элементов (МКЭ), реализованным
программно.
На рис.1 представлена расчётная модель спейсера, разбитая на конечные
элементы. Количество конечных элементов - 2869. В данном случае представлена
расчётная модель спейсера для установки на трубопровод с наружным диаметром 1220
мм.
Рис.1. Разбивка расчётной модели спейсера на конечные элементы
Рис.2. Схема приложения нагрузки на нижнюю внутреннюю
поверхность спейсера
На внутреннюю (нижнюю) поверхность спейсера была приложена распределённая
нагрузка, имитирующая вес участка трубопровода, с учётом веса изоляционного
покрытия и транспортируемой среды (рис. 2). Материал, из которого выполнены
сегменты «спейсеров» - полиамид ПА-6.
Для проверки и уточнения физико-механических свойств материала были проведены
испытания стандартных образцов, которые был предоставлены вместе с образцами
изолирующих колец «спейсеров». Также были проведены испытания образцов,
изготовленных из сегментов самих спейсеров.
Для увеличения ударной вязкости материала сегменты спейсеров были подвергнуты
специальной термообработке в результате чего повысилась пластичность материала и
надёжность самих спейсеров.
Для определения предела прочности конструкции спейсера в качестве оценочного
критерия принимался предел прочности материала s u = 58 МПа.
Задача в данном случае сводилась к нахождению предельной (разрушающей)
нагрузки по максимальному расчётному напряжению, которое определялось:
где s рас - расчётное
напряжение
s - нормальное
напряжение
t - касательное
напряжение
Путём итерационного расчёта была определена разрушающая нагрузка и определён
предел прочности конструкции (рис.3).
На рис. 3 показан сегмент спейсера в
деформированном состоянии и представлены максимальные напряжения в опасных
сечениях спейсера.
Рис.3. Максимальные напряжения в опасном сечения спейсера
Испытания проводились на гидравлическом прессе с силоизмерительным
устройством. Схема установки спейсера и схема нагружения идентичны
представленным на рис. 1 и 2. При натурных испытаниях также рассматривалась
схема установки 4-х спейсеров на трубу с наружным диаметром диаметра (1220 мм),
с опиранием шипов спейсера на поверхность футляра (труба с внутренним диаметром
1440 мм).
К весу трубы, на которой установлены спейсеры, был добавлен вес
транспортируемой среды (газ, нефть, вода). Во всех случаях испытывались образцы
для установки на трубопровод с внешним диаметром D = 1220мм.
Как показали результаты испытаний разрушение спейсеров происходило в тех же
сечениях и при той же нагрузке, что и в представленном расчёте. Это позволяет
нам сделать вывод о правильности теоретического расчёта и на основе масштабного
фактора применить данную методику для оценки прочности спейсеров всех
типоразмеров.
С учётом данных расчётов были внесены изменения в ТУ 51-19-2000, касающиеся
усиления несущей способности спейсера и рационального распределения спейсеров
по длине трубопровода и были разработаны новые технические условия ТУ
2291-034-00203803-2005.
Соблюдение данных технические условий позволяет обеспечить бесперебойную
эксплуатацию перехода в течение всего срока службы трубопровода, во много раз
повысить безопасность эксплуатации, при одновременном избавлении от затрат на
периодические ремонтные работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Cпейсеры - защита трубопроводов. «НефтьГазПромышленность» 5 (10),
2004
2. СНиП 42-01-2002. Газораспределительные системы. ГОССТРОЙ РОССИИ.
Москва, 2003.
3. Кольца предохранительные, диэлектрические «СПЕЙСЕРЫ». ТУ
51-19-2000 ОАО Метафракс. Губаха, 2000.
4. Кольца предохранительные,
диэлектрические «СПЕЙСЕРЫ». ТУ 2291-034-00203803-2005. ОАО Метафракс. Губаха,
Саратов, 2005.
