Анализ прочности магистральных и технологических трубопроводов при динамическом нагружении

Неподвижные (мертвые) опоры устанавливают на трубопроводах для обеспечения поглощения линейных удлинений при температурных перепадах транспортируемой среды. Кроме вертикальных нагрузок от собственного веса трубопровода, изоляции и др. неподвижные опоры воспринимают весьма значительные горизонтальные усилия, возникающие при температурных деформациях. Между неподвижными опорами, как правило, устанавливаются компенсаторы. Горизонтальные усилия, действующие на неподвижные опоры, можно подразделить на осевые и боковые: осевые -- передаются на все неподвижные опоры, боковые -- на опоры, расположенные вблизи поворотов трубопровода и в местах подсоединения их вблизи опор. Горизонтальные усилия и расстояния между неподвижными опорами определяются соответствующими расчетами.

Наиболее часто применяемыми опорными конструкциями при монтаже технологических трубопроводов являются кронштейны и консоли. Кронштейны (к ним относятся консоли) можно подразделить на индивидуальные (при прокладке на них одной трубы) и групповые (при прокладке нескольких труб). Кронштейны крепятся к стенам, колоннам и другим строительным конструкциям. Кронштейны и консоли очень часто применяются в сочетании с вышеописанными опорными конструкциями: на кронштейнах устанавливают подвижные и неподвижные опоры; к кронштейнам и консолям крепят различного типа подвески (одинарные, двойные, шпренгельные, индивидуальные и групповые).

Подвески применяются для крепления технологических трубопроводов при невозможности использования поддерживающих снизу опор и бывают нерегулируемые (привариваемые или пристреливаемые к строительным конструкциям на жестких тягах) и регулируемые (снабженные талрепами, винтовыми стяжками или с верхней регулировкой), позволяющие изменять отметку прокладываемого трубопровода.

Конструкций показаны на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 - Типы опорных конструкций.

А - неподвижные опоры; б - скользящие опоры; в - роликовые опоры; г - подвески: 1 - нерегулируемая; 2 - регулируемая; 3 - пружинная.

Рассмотрим основные модели креплений в среде Bentley AutoPIPE.

Anchor - служит для моделирования жестких опор.

Рисунок 4.2 - Anchor.

Spring - упругая опора, действующая в вертикальном направлении. Может применяться не только как опора, но и как подвеска. Может быть установлено несколько опор в одной точке.

Рисунок 4.3 - Spring.

Constant - жесткое закрепление относительно вертикального направления. Может являться как опорой, так и подвеской. В одной точке возможно применение нескольких данных креплений.

Рисунок 4.4 - Constant.

V-stop - жёсткое ограничение перемещения в вертикальном направлении как вниз, так и вверх. Имеется возможность задать как опору, так и подвеску. Для опор возможно задание зазора между опорой и трубой или же моделирование опоры, в которой возможен отрыв трубы вертикально вверх.

Рисунок 4.5 - V-stop.

Incline - данная функция моделирует подвижные опоры. Имеется возможность задать ось, вдоль которой возможно перемещения, пределы возможного перемещения, а также коэффициент трения.

Рисунок 4.6 - Incline.

Line stop - данная функция ограничивает перемещения вдоль оси трубы.

Рисунок 4.7 - Line stop.

Guide - функция, аналогичная Line stop. Отличается лишь тем, что ограничивает перемещения в осях, перпендикулярных оси трубы.

Рисунок 4.8 - Guide.

Rotation - функция, запрещающая поворот трубы относительно выбранной оси.

Рисунок 4.9 - Rotation.

Damper - демпфер. Данная функция используется только для динамических расчетов. Действует демпфер только в направлении выбранных осей.

Рисунок 4.10 - Damper.

Tie/Link - данная функция используется для моделирования крепления труб между собой, например, посредством тяг.

Рисунок 4.11 - Tie/Link.

4.3 Анализ изменения собственных частот колебаний трубопровода в зависимости от его конструктивных параметров

Для анализа смоделируем участок трубопровода, имеющий отвод и поворот. Диаметр трубопровода примем равным 820 мм с толщиной стенки 10мм. В трубопроводе действует давление 50 кГ/см². Один из концов трубопровода закреплен мёртвой опорой (Ancher), а два других крепятся на опорах, не допускающих его перемещения в вертикальном и горизонтальном, перпендикулярных оси направлениях (Guide). Промежуточные опоры имитируют скользящие опоры, ограничивающие перемещения в вертикальном направлении, но допускающие их в продольном направлении (V-stop).

После проведения модального анализа в программе Bentley AutoPIPE, были получены результаты для 30 форм колебаний. Мы же для рассмотрения результатов выберем 1,3,7, и 15 формы, соответствующие продольным колебаниям и колебаниям 1,2 и 3 форм колебаний прямых стержней, рассмотренных ранее, соответственно. Результаты расчета данных колебаний приведены на рис. 4.12.

Рисунок 4.12 - Колебания трубопровода диаметром 820 мм.

Для сравнения результатов проверим тот же трубопровод, изменив лишь его диаметр. В данном случае был взят диаметр 1020 мм. Результаты анализа приведены на рис. 4.13.

Рисунок 4.13 - Колебания трубопровода диаметром 1020 мм.

Для того, чтобы было проще сравнивать результаты, для третьего случая вернем диаметр трубопровода 820 мм, а на промежуточные опоры наложим ограничение на продольные перемещения (Line stop). Результаты анализа приведены на рис. 4.14.

Рисунок 4.14 - Колебания трубопровода с ограничением на продольные перемещения.

Для анализа четвертого случая воспользуемся всё тем же трубопроводом диаметром 820 мм без ограничения на продольные перемещения, но уменьшим расстояние между опорами. Результаты анализа приведены на рис. 4.15.

Рисунок 4.15 - Колебания трубопровода с уменьшенным расстоянием между опорами.

В ходе каждого анализа была получена частота собственных колебаний трубопровода. Все результаты сведены в таблицу - 1.

Таблица-1. Результаты анализа частот собственных колебаний.

Заключение

трубопровод программа bentley колебание

В данной бакалаврской работе были рассмотрены условия, при которых возникают динамические нагрузки в магистральных и технологических трубопроводах. В ходе работы было установлено, что основная задача динамического расчета трубопровода состоит в недопущении в нем резонанса.

Для этой цели важной целью является определение частоты собственных колебаний трубопровода, так как она зависит не от нагрузок, а от конструктивных особенностей трубопровода и является постоянной величиной. Следовательно, зная динамические нагрузки, которые будут действовать на трубопровод в процессе его эксплуатации, на этапе проектирования трубопровода появляется возможность подобрать конструкцию трубопровода с собственной частотой, которая будет обеспечивать его безопасную работу.

Для определения частоты собственных колебаний трубопровода была выбрана теория прямых однородных стержней, так как практически все трубопроводы имеют такую длину, что их можно считать стержнями, а также, сосредоточенные массы в виде запорной арматуры и других объектов встречаются относительно длины магистрального трубопровода довольно редко, так что трубопровод можно принять однородным.

По данной теории был произведен расчет прямолинейных участков трубопровода при различных вариантах закрепления его концов на опорах.

Также были проанализированы результаты определения собственной частоты при помощи программы Bentley AutoPIPE, в результате чего было установлено, что частота собственных колебаний зависит от

- изгибной жесткости трубопровода, зависящей от диаметра трубы и ее толщины стенки (чем выше момент инерции сечения трубы, тем выше частота собственных колебаний);

- способа закрепления трубы (чем меньше допускается свобода перемещения трубы, тем выше частота собственных колебаний).

Список использованной литературы

1. Бабаков И.М. Теория колебаний. / ред. Ромашевская И.И. - Москва: Изд. Наука, 1968. - 560с.

2. Бирбраер А.Н. Расчёт конструкций на сейсмостойкость. - СПб.: Наука, 1998. - 255с..

3. Петров И.П., Спиридонов В.В. Надземная прокладка трубопроводов. - Москва: Недра, 1965. - 450с.

4. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов. - Москва: Машиностроение, 1985. - 578с.

5. Хакимов А.Г. Пространственные параметрические колебания трубопроводов под действием переменного внутреннего давления. - Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011 №6.

6. Александров А.А. Модель динамического анализа прочности магистральных нефтепроводов на сейсмические воздействия. - Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011 №5.

7. Ишемгужин И.Е. Демпфирование параметрических колебаний трубопровода. - Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011 №3.

8. Соколов В.Г. Колебания, статическая и динамическая устойчивость трубопроводов большого диаметра. - Санкт-Петербург, 2011.

9. Ефимов А.А. Колебания и динамическая устойчивость глубоководных нефтегазопроводов. - Санкт-Петербург, 2009.

10. Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. - СПб.: Недра, 2008. -- 488 с.

11. Вансович К.А. Строительные конструкции. Часть 1. - Омск: ОмГТУ, 2009. - 81 с.

12. Агапкин, В.М. Справочное руководство по расчетам трубопроводов Текст. / В.М. Агапкин, С.Н. Борисов, Б.Л. Кривошеин. М.: Недра, 1987,- 190 с.

13. Березнев, А.В. Частоты и формы собственных колебаний криволинейных участков стальных и полиэтиленовых трубопроводов с протекающей жидкостью Текст. / А.В. Березнев // Вестник гражданских инженеров. 2005. - № 3 (4). - С. 20-25.

14. Бородавкин, П.П. Прочность магистральных трубопроводов Текст. / П.П. Бородавкин, А.М. Синюков М.: Недра, 1984. - 243 с.

15. Гениев, Г.А. Радиальные колебания цилиндрических оболочек при движении в них потока идеальной жидкости Текст. / Г.А. Гениев, А.Н. Зубков // Строительная механика и расчет сооружений. 1987. - № 3.1. C. 40-43.

16. Гладких, П.А. Вибрации в трубопроводах и методы их устранения Текст. / П.А. Гладких, С.А. Хачатурян. М.: Машгиз, 1969. - 230 с.

17. Дерябин, В.С. О колебаниях трубопровода постоянной кривизны Текст. / В.С. Дерябин, П.Д. Доценко // Прикл. мех. 1975. - т. 11, вып. 1. -С. 132-137.

18. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы / Минстрой России. - М.: ГУПЦ ПП, 1997. - 52с.

19. СНиП 12-01-2004. Организация строительного производства / Росстрой - М.: ГУПЦ ПП, 2004. - 24с.

20. СНиП III-42-80*. Магистральные трубопроводы / Госстрой СССР - М.: Стройиздат, 1981.- 75с.

Размещено на Allbest.ru