Уфимский государственный нефтяной технический университет

адо чистить воздух и воду, гораздо важнее их не загрязнять!
А.Н. Несмеянов
Номинация «Социально значимые проекты (экологическая среда:
защита окружающей среды)»
Участник проекта
ФГБОУ ВПО УГНТУ
Кожаева Ксения Валерьевна, аспирант специальности 25.00.19
«Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и
хранилищ»
2
Суть проекта. Научнотехнический уровень
разработки
Одним из основных путей загрязнения гидросферы
является нефть и нефтепродукты, часть из которых
попадает в воду при аварии трубопроводов. Цель
проекта направлена на принятие мер по уменьшению
аварийных
ситуаций
на
подводных
участках
трубопроводов для предотвращения возможного
загрязнения вод.
В системе обеспечения надежности и безопасности трубопроводного транспорта наибольшую сложность
представляют пересечения трубопроводами водных преград (рек, каналов, озер и водохранилищ, морей и
т.д.). Аварии на подводных переходах наносят огромный экономический и экологический ущербы, а
ликвидация аварий неизмеримо более трудоемкий и долговременный процесс, чем на сухопутной
линейной части.
Для безопасной работы подводных переходов трубопроводов необходимо применение самых
современных технологий уже на этапе проектирования. Одной из причин аварий на подводных участках
трубопроводов является продольные сжимающие усилия, которые приводят к потере устойчивости
трубопроводов в виде арочных выбросов, аварийным ситуациям и дальнейшей их разгерметизации.
Продольные усилия можно снизить с помощью примыкающих к подводному трубопроводу участков за
счет специфической конструкции, компенсирующей продольные температурные деформации и, как
следствие, продольные напряжения. Потеря устойчивости трубопровода (арочные выбросы) происходит за
счет сжимающих продольных усилий, которые необходимо предотвратить или уменьшить еще до
подводного участка (рисунок 1).
3
В качестве такой конструкции может выступать дугообразный компенсатор для трубопровода.
Рисунок 1 – Схема изменения оси трубопровода при воздействии на него продольного сжимающего усилия Nпр
Существует предположение, что при прокладке примыкающих к подводному трубопроводу
участков с дугообразным компенсатором, возможно, значительно снизить продольные усилия,
возникающие от температурного перепада.
В связи с этим были проведены аналитический расчет, расчет методом конечных элементов (МКЭ)
и экспериментальные исследования участков трубопроводов с дугообразным компенсатором и без
него, с дальнейшим сравнением полученных результатов.
4
Аналитический расчет продольных напряжений
для дугообразного компенсатора
2) Определение хорды кривой дугообразного компенсатора :
x0=R*tgφ,
где R- радиус изгиба дугообразной части отрезка трубы, м;
φ – половина угла поворота трубопровода, радиан.
5
Аналитический расчет продольных напряжений
для дугообразного компенсатора
6
Аналитический расчет продольных напряжений
для дугообразного компенсатора
Продольные напряжения
Диаметр т/п, мм
Максимальный прогиб, м
76х8
0,0063
2,156
89х6
0,006046
2,226
114х8
0,018
2,169
σпр, МПа
Таблица 1 – Результаты расчета
7
Карта напряжений для прямого участка трубопровода 114х8 мм
8
Расчет МКЭ дугообразного участка магистрального трубопровода с
использованием пакета программ APM WINMACHINE 9.5
Карта напряжений для дугообразного участка трубопровода 114х8 мм
9
Карта перемещений для трубопровода 114х8.
10
Карта перемещений для трубопровода 114х8 с 1-ой полуволной.
11
Экспериментальные исследования
Схема экспериментальной установки №1
12
Экспериментальные исследования
Схема экспериментальной установки №2
13
Экспериментальные исследования
Схема экспериментальной установки №3
14
Зависимость продольных усилий от диаметра и
метода прокладки трубопровода
15
Зависимость перемещений от диаметра и метода
прокладки трубопровода
16
Зависимость продольных напряжений от диаметра и
метода прокладки трубопровода
17
Полученные результаты
Продольные напряжения в зависимости от типа прокладки, метода расчета, МПа
Отрезок с
Диаметр
т/п, мм
Прямой отрезок
(аналитический
расчет)
Прямой
Отрезок с
Прямой
отрезок
дугообразным
отрезок
компенсатором
(расчет по
компенсатором
(экспериме
(аналитический
программе
(расчет по
нтальные
расчет)
APM
программе
исследован
Winmachine)
APM Winmachine)
ия)
дугообразным
Отрезок с
дугообразным
компенсаторо
м
(экспериментал
ьные
исследования)
76х8
279,15
2,156
295,4
224,1
3,22
2,1
89х6
277,55
2,226
298,9
245,8
3,68
2,47
114х8
277,725
2,169
284,7
233,0
2,35
1,7
18
19
Продукция проекта
Схема дугообразного компенсатора для трубопровода
На рисунке представлена схема сооружения для компенсации трубопровода, состоящего из основного трубопровода 1,
дугообразного компенсатора 2, упругодеформируемого грунта 3 или упругодеформируемых элементов 4, минерального грунта
засыпки 5, прокладочного материала 6.
Принцип работы дугообразного компенсатора для трубопровода заключается в следующем. Продольные силы,
возникающие от действия перепада температур и внутреннего давления, вызывают продольное перемещение основного
трубопровода 1, что может привести к его разрушению. Вследствие засыпки дугообразного компенсатора 2
упругодеформируемым грунтом 3 или установки упругодеформируемых элементов 4 происходит свободное перемещение
трубопроводов в траншее и естественная компенсация напряжений. Для исключения попадания минерального грунта засыпки 5
между упругодеформируемыми элементами 4 или смешивания минерального грунта засыпки 5 и упругодеформируемого грунта
3 по всей длине дугообразного компенсатора 2 укладывают прокладочный материал 6, представляющий собой полимерную
ленту (полиэтиленовую, поливинилхлоридную, полипропиленовую, резинотканевую), утилизированную металлокордовую
транспортную ленту. Оставшийся объем траншеи засыпается естественным минеральным грунтом засыпки 5.
20
Защита интеллектуальной
собственности
21
Перспективность внедрения. Рынки сбыта и
наличие конкурентов
Предложенный дугообразный компенсатор с экологической точки зрения
позволит уменьшить загрязнение водных ресурсов нефтью, нефтепродуктами
за счет уменьшения аварий на подводных участках трубопроводов. Данный
компенсатор доступен любой организации, занимающейся строительством
трубопроводов. Его монтаж не составит никакого труда благодаря своей
конструкции. Конкурентами могут выступать П, Г-образные компенсаторы,
обладающие большой компенсационной способностью (до 600-700 мм) и
применяющиеся в трубопроводах для широкого диапазона давлений и
температур. П, Г-образные компенсаторы обладают сравнительной простотой
изготовления, монтажа и эксплуатации. Их недостатки: большой расход труб,
большие габаритные размеры и необходимость сооружения специальных
опорных конструкций.
22
Экономические показатели
проекта
Для расчета принималась стальная труба 1220х10мм, длиной 11,5 м. По
результатам расчета получилось следующее. В сравнении с прямой трубой стоимость
предварительно гнутой трубы (дугообразный компенсатор) превышает в 50 рублей.
Если учесть, что данный компенсатор
устанавливается
на
обоих
примыкающих участках путем сварки к
основному трубопроводу, то общие
затраты составят 100 рублей. Данный
дугообразный компенсатор позволяет
в 1,5 раза снизить продольные
напряжения, а, следовательно, и
продольные усилия, что в свою
очередь уменьшает риск аварийной
ситуации на подводном участке
трубопровода. А это напрямую связано
с экологической безопасностью.
Параметры прямой трубы и дугообразного
компенсатора 1220х10 мм
23
Контактная информация
450511, РБ, Уфимский район, с. Михайловка, ул. Мира-2
E-mail: msjealous@mail.ru
24