CC BY
31
УДК 621.644.07
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10403
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЯ ПРОТЯЖКИ ПРИ РЕМОНТЕ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПУТЕМ УСТАНОВКИ ГИБКИХ ТРУБ
DETERMINATION OF PULLING FORCE WHEN REPAIRING STEEL PIPELINES BY INSTALLING FLEXIBLE PIPES
Е.Ю. Иванова, С.В. Якубовская
Тюменский индустриальный университет, 625000, Тюмень, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1772-6687, E-mail: [email protected]
Резюме: В работе рассмотрен один из способов ремонта стальных трубопроводов. Ремонт осуществляется методом футеровки полиэтиленовой трубой, которая протягивается внутрь металлической. Цель исследования - определение усилия протяжки полиэтиленовой трубы в ремонтируемый трубопровод при условии обеспечения ее прочности. Определено минимальное усилие протяжки. Разработан алгоритм расчета максимальной длины ремонтируемого участка.
Ключевые слова: трубопровод, полиэтиленовая труба, напряженное состояние, усилие протяжки.
Для цитирования: Иванова Е.Ю., Якубовская С.В. Определение усилия протяжки при ремонте стальных трубопроводов путем установки гибких труб // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 4. С. 14-17.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10403
Ekaterina YU. Ivanova, Svetlana V. Yakubovskaya
Tyumen Industrial University, 625000, Tyumen, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1772-6687, E-mail: [email protected]
Abstract: The work considers one of the methods for repairing steel pipelines. Repair is carried out by the method of lining with a polyethylene pipe, which extends into a metal one. The purpose of the study is to determine the pulling force of a polyethylene pipe into a repaired pipeline, providing its durability. The minimum pulling force is determined. An algorithm has been developed for calculating the maximum length of the repaired area.
Keywords: pipeline, polyethylene pipe, stress, pulling force.
For citation: Ivanova E.YU., Yakubovskaya S.V. DETERMINATION OF PULLING FORCE WHEN REPAIRING STEEL PIPELINES BY INSTALLING FLEXIBLE PIPES. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 4, pp. 14-17.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10403
В настоящее время в России протяженность действующих трубопроводов занимает одно из ведущих мест в мире. В основном эксплуатируются стальные трубы, срок службы которых составляет 15-20 лет из-за низкой коррозионной стойкости. В настоящий момент коррозионный износ российских трубопроводов составляет более 60%. При этом часть трубопроводов имеют физический износ 95% и более. Полная замена стального трубопровода ведет к значительным экономическим потерям. Возникновение подобных проблем привело к разработке альтернативных материалов и прогрессивных технологий ремонта стальных трубопроводов.
В последние годы успешно внедряются способы ремонта трубопроводов с помощью полиэтиленовых труб [1]. Полиэтиленовую трубу вводят в стальную. Этот метод ремонта позволяет получить защитное покрытие, которое будет продлевать срок службы труб на значительный промежуток времени. Восстановление стального трубопровода методом протяжки полиэтиленовых труб может применяться ко всем стандартным трубам.
Одним из перспективных направлений является применение колтюбинговой установки для проведения работ по восстановлению стальной трубы. Преимуществом использования данной технологии является: наличие барабана для транспортировки бухты полиэтиленовых труб, оснащенного гидравлическим приводом, позволяющим подавать трубу в инжектор. Направляющий сектор поворачивает трубу на угол, образованный выходом из инжектора и восстанавливаемой трубой, позволяя более точный вход. Применение колтюбинговых установок потребовало исследование
напряженно-деформированного состояния (НДС) полиэтиленовых труб при ремонте стального трубопровода.
В работах [2, 3] исследовано НДС полиэтиленовых труб при прохождении через направляющую дугу. Результаты этих исследований позволяют ориентироваться в выборе рациональных численных значений геометрических (диаметр трубы, радиус изгиба) и кинематических параметров (скорость подачи) исходя из уровня напряжений.
Выходя из инжектора по направляющей, труба входит в ремонтируемый трубопровод. Необходимо обеспечить прочность трубы в ходе протягивания ее в стальной трубопровод. Предварительно старая труба очищается от коррозийных отложений и грязи. Полиэтиленовая труба протаскивается в стальную при помощи сцепного устройства и лебедки, сила протяжки строго контролируется. Для определения оптимальной силы протяжки необходимо оценить НДС полиэтиленовой трубы. Определяется кривизна трубы, которая неизбежно появляется в ходе эксплуатации и природных воздействий, то есть возникают прогибы стальной трубы в двух направлениях - вертикальном и горизонтальном. Труба рассматривается как балка на упругом основании. Дифференциальное уравнение балки на упругом основании
EI
d 4W dx 4
+ kwW = q( x),
(1)
где Е - модуль упругости, МПа; I - осевой момент инерции, мм4; - коэффициент постели; № - прогиб балки, мм; д(х) -погонная нагрузка, действующая на балку, Н/мм. Если в уравнении заменить
д'(х) = д(х) - кЖ
То оно примет вид:
Е1
d %
йх
4
■Ч'(х).
Функция д'(х) аппроксимируется полиномом:
п+1
q'( х) = qo XаХ'
¡=1
¡-1
(2)
(3)
(4)
d% qo ^ м —т = > ах '. dx4 Е1 £ ¡
Интегрируя уравнение (5), получаем:
(5)
_ % dx3 _ Е1
х' ^
Еа т+с
.¡_1 '
_ Оо
йХ^ _ Е
(п+1 х'+1
Та ;-+ С'Х + с2
£'/(/ +1) 1 2
л
йх _ Е1
с
п+1
а
х
/+2
% = 40 Е1
( п+1
и_1'/(/ +1)(/ + 2) 1 2
+3
х2
+ с1 — + с2 х + с3
х
х
3
х
+ с1 — + с2 — + с3 х + с4
V/
~1'/(/ +1)(/ + 2)(/ + 3) 16 2 2
(6)
(7)
(8)
(9)
I Рис. 1. Эпюра поперечных сил
где д0 - коэффициент, определяющий размерность и величину амплитуды распределенной нагрузки; п - степень полинома; а-: - коэффициент полинома.
После преобразований уравнение (3) принимает следующий вид:
2 1,5 1
0,5 0
-0,5 -1 -1,5 -2 -2,5
ч
N
X
N
ч.
\ V
ч
1 ч
\
0
2 4 6 8 10
о - точное решение (значения поперечной силы)
.....- расчетное значение для защемления и при
шарнирном опирании балки
М
— = 1^'
чо ы
п+1 ( х,+3 - /,+2X
I1+2 X - Чх3 ^
/(/ +1)(/ + 2)(/ + 3) 6/(/ +1)
(10)
где I - длина ремонтируемого участка трубопровода.
Если рассматривать трубопровод как балку на упругом основании, защемленную с двух сторон, уравнение (9) примет следующий вид:
п+1 ^
— = !а/
ч0 /=1
X+3 + 2//х3 - 3//+1х2 Рх3 + //+1х2 1 /(/ +1)(/ + 2)(/ + 3) + /'(/' +1)(/ + 2)
(11)
где с1, с2, с3,с4 - константы интегрирования, определяемые из граничных условий.
При шарнирном опирании балки уравнение (9) примет следующий вид:
Решение этих уравнений позволяет сопоставить результаты для различных краевых условий и выделить расчетную длину, когда краевые условия практически не влияют на результаты оценки НДС исследуемого участка
I Рис. 2. Эпюра изгибающих моментов м, Н*м
6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5
/ о' \
/ * / л »
; * ( ( »
» / ..л-" '""в... % %
? / > г Ч » »
* > г а' о. 1 »
< ♦ ♦ I * 1
♦ ♦ ♦ • •
г> *
*
* •о
0
10
I, м
■ - расчетное значение для защемления и при
■ шарнирном опирании балки
I Рис. 3. Прогибы по длине балки
о - точное решение (значения изгибающего момента)
0,02 0
-0,02 -0,04 -0,06 -0,08 -0,10 -0,12 -0,14 -0,16 -0,18 -0,20
» * г л«*
\ —, " • ■ ■ # г
* » * / » /
4 ч ! »
\ \ У * *
% \ У * *
*< ч. и1
~ - <
0
2 4 6 8 10
0 - точное решение (значения прогибов)
........- расчетное значение для защемления и при
..... шарнирном опирании балки
I, м
4 • 2019
15
трубопровода. Для решения уравнений составлена программа в среде Ма^аЬ.
Для проверки уравнений применялась тестовая задача. Взят участок трубопровода 12 м. Получено точное решение для балки с двумя видами закреплений: шарнирное опи-рание и с помощью жесткой заделки. На рис. 1, 2, 3 показано сравнение точного решения и решения, полученного с помощью представленных уравнений.
При известной распределенной нагрузке оценивались поперечная сила, изгибающие моменты, прогибы по всей длине балки. После этого полученные прогибы вводились в программу и решалась обратная задача по полученным соотношениям, то есть определялись поперечная сила, изгибающие моменты, распределенная нагрузка. По обоим видам опирания получены положительные результаты, характеристики полностью совпадают.
При использовании данных уравнений и экспериментальных данных (прогибы стального трубопровода) определялась погонная нагрузка, поперечная сила, изгибающие моменты и напряжения, возникающие от изгиба ремонтируемой трубы по всей длине. Все характеристики определялись в двух направлениях: горизонтальном и вертикальном.
Зная погонную нагрузку, определяем силу трения, возникающую при протягивании гибкой трубы в двух направлениях:
где к - коэффициент трения полиэтилен-сталь.
Ртру= (У
(12)
(13)
Подставляя (12, 13) и интегрируя уравнения, получаем
п+1
¡=1
(14)
где С - константа интегрирования, равная нулю, так как при х = 0 Fтр = 0.
л+1
^рУ=кЯоТ< ауУ + К' ¡=1
(15)
где К - константа интегрирования, равная нулю, так как при у = 0 Fтр = 0.
Сила трения является геометрической суммой этих векторов:
Fтl
4
Fтnv Fтf
тр - -у' трх 1 ' тру ■ (16)
Максимальная сила трения определяет усилие протяжки. Так как сила трения напрямую зависит от длины ремонтируемого участка, то при известной кривизне трубы определяется максимально возможная протяженность ремонтируемого участка с условием сохранения прочности полиэтиленовой трубы. Полученные усилия протяжки должны соответствовать требованиям Г0СТР58181-2018 [4]. На рис. 4.
I
Рис. 4. Зависимость силы трения от длины участка ремонтируемого трубопровода
Таблица 1
Усилия протяжки полиэтиленовой трубы при ремонте стальной методом футеровки
Диаметр, мм Толщина стенки, мм Минимальное расчетное усилие протяжки, Н Максимальное усилие протяжки по ГОСТ, Н
140 8,3 22923 34000
10.3 27234 42000
12,7
31865
50000
показана зависимость максимальной силы трения от длины участка ремонтируемого трубопровода (диаметр полиэтиленовой трубы 140 мм, толщина стенки 8,3 мм).
При увеличении ремонтируемого участка до 90 м усилие протяжки достигает максимального усилия протяжки по ГОСТ, то есть для рассматриваемого трубопровода длина ремонтного участка не может превышать 90 м (см. рис. 4).
Диаметр полиэтиленовой трубы определяется внутренним диаметром стальной трубы. В то же время можно варьировать толщиной стенки, так как в зависимости от нее меняется жесткость полиэтиленовой трубы.
В табл. 1 приведены полученные усилия протяжки для полиэтиленовой трубы ПЭ-100 диаметром 140 мм участка трубопровода длиной 60 м в зависимости от толщины стенки. Для оценки достоверности результатов полученные значения сравнивались с требованиями ГОСТ [4].
Таким образом, приведенные расчеты позволяют заранее оценить возможность применения данного вида ремонта трубопровода в реальных условиях. Необходимо также учитывать уменьшение проходной способности трубопровода и возможности строительства или использования ремонтных колодцев (котлованов).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Временный регламент проведения работ при ремонте трубопроводов методом футеровки полиэтиленовой трубой / ООО «ЛУКОЙЛ - Западная Сибирь», ТПП «Когалымнефтегаз». Когалым, 2002. 19 с.
2. Иванова Е.Ю. Напряженное состояние длинномерных гибких труб при ремонте стальных промысловых трубопроводов // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-8. С. 1616-1619.
3. Якубовская, С.В., Серебренников Д.А. Математическая модель напряженно-деформированного состояния гибких полиэтиленовых труб // Известия вузов. 2003. № 6. С. 37-42.
4. ГОСТР58181-2018. Системы газораспределительные. Требования к сетям газораспределения. Ч. 7. Полиэтиленовые газопроводы, проложенные в существующем трубопроводе. М.: Стандартинформ, 2018. 20 с.
REFERENCES
1. Vremennyy regiament provedeniya rabot pri remonte truboprovodov metodom futerovki polietilenovoy truboy. OOO «LUKOYL - Zapadnaya SibiY», TPP «Kogaiymneftegaz» [Temporary regulations for the repair of pipelines by polyethylene pipe lining. LLC LUKOIL Western Siberia, TPE Kogaiymneftegaz]. Kogalym, 2002. 19 p.
2. Ivanova Ye.YU. The stress state of long flexible pipes in the repair of steel field pipelines. Fundamentai'nyye issiedovaniya, 2015, no. 2-8, pp. 1616-1619 (In Russian).
3. Yakubovskaya, S.V., Serebrennikov D.A. A mathematical model of the stress-strain state of flexible polyethylene pipes. Izvestiya vuzov, 2003, no. 6, pp. 37-42 (In Russian).
4. GOST R 58181-2018. Sistemy gazoraspredeiitei'nyye. Trebovaniya k setyam gazoraspredeleniya. Chast' 7. Poiietiienovyye gazoprovody, prolozhennyye v sushchestvuyushchem truboprovode [State Standard R 581812018. Gas distribution systems. Requirements to gas distribution networks. Part 7. Polyethylene gas pipelines laid inside the existing pipeline]. Moscow, Standartinform Publ., 2018. 20 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Иванова Екатерина Юрьевна, ассистент кафедры прикладной механики, Тюменский индустриальный университет. Якубовская Светлана Васильевна, д.т.н., проф., Тюменский индустриальный университет.
EkaterinaYU. Ivanova, Assistant of the Department of Applied Mechanics, Tyumen Industrial University.
SvetlanaV. Yakubovskaya, Dr. Sci (Tech.), Prof. of the Department of Applied Mechanics, Tyumen Industrial University.
