«Совершенствование методов повышения эффективности выборочного р. Совершенствование методов повышения эффективности выборочного ремонта магистральных газонефтепроводов
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
5. Расчетное обоснование выбора РСМ 5.1 Расчетная схема определения критерия работоспособности дефектного участка трубопровода Силовую эффективность РСМ определяем расчетным критерием работоспособности дефектного участка газонефтепровода до и после установки РСМ участок. Этот критерий определяем по СТО Газпром 2–2.3– 112, положениям СТО Газпром 2–2.3–335–2009 и временной инструкции по отбраковке и ремонту технологических трубопроводов газа компрессорных станций. Все дефекты, которые характеризуются уменьшением стенки трубопровода, приравниваются к коррозионным дефектам, включая стресс- коррозионные и другие острые дефекты. Для расчетов берутся размеры отшлифованной зоны, которые получили после вышлифовки дефектного места [27]. Важным критерием ремонта дефектных участков с помощью РСМ является соблюдение критерия работоспособности дефектного участка на разрыв без установленной муфты при воздействии продольных напряжений, которые вызваны изгибающим моментом, внутренним давлением и осевыми усилиями. Для линейных участков трубопроводов этот критерий определяют по расчетам, которые приведены в СТО Газпром 2–2.3–112–2007 [27]. Критерием работоспособности дефектного участка на разрыв вдоль образующей трубопровода при условии выполнения требования, считается превышение расчетного допустимого давления р доп над рабочим давлением р, при котором эксплуатируется данный участок, то есть должно выполняться следующее условие: Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 59 Совершенствование методов повышения эффективности выборочного ремонта магистральных газонефтепроводов Разраб . Афанасьев Р. Г. Руковод. Крец В.Г. Консульт. И.о.Зав. Каф. Бурков П. В. Расчетное обоснование выбора РСМ Лит. Листов 124 НИ ТПУ гр. 2БМ5А р доп ≥ р (1) Допустимое давление р доп определяем с учетом приведенных исходных данных по дефектному участку газопровода: категория участка газопровода; геометрические характеристики поперечного сечения трубопровода; рабочее давление; размеры дефектного участка в проекции на продольную плоскость сечения стенки трубопровода; физико-механические характеристики материала трубы. Давление Р доп вычисляем по формуле: р доп = р р 𝑘 (2) где k – коэффициент запаса, определяемый в соответствии со 29. СП 36.13330.2012 Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85* и Рекомендациями [29]. р Р – разрушающее давление, определяемое в соответствии с СТО Газпром 2-2.3-112. Разрушающее давление р р определяем по формуле: р р = δ·σ В (1− 𝑡 δ ) (𝑅 Н −δ)(1− 𝑡 δM ) (3) где δ – номинальная толщина стенки трубы, мм; М – коэффициент Фолиаса; R Н – наружний радиус трубопровода, м; t – средняя глубина дефекта, мм; σ В – предел прочности металла трубы, МПа. По формуле определяем коэффициент Фолиаса: М = √ 1+0,31𝑙 эф 2 𝑅 Н δ (4) где l эф – эффективная длина дефекта, мм. По формуле определяем значение геометрической функции Ф: Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 60 Расчетное обоснование выбора РСМ Ф = 1− 𝑡 δ 1− 𝑡 δM (5) По формуле определяем среднее значение глубины дефекта t: 𝑡 = 𝐴 𝑙 эф (6) где А – площадь проекции дефекта на продольную плоскость, мм 2 Вычисляем по формулам: при переменном шаге измерений Δl i =l i+1 -l i : А = 0.5(t 1 Δ𝑙 1 + t 𝑛 Δ𝑙 𝑛−1 ) + ∑ 𝑖=2 𝑛=1 Δ𝑙 𝑛−1 t 1 (7) при постоянном шаге Δl измерений глубины t 1 : А = Δ𝑙[0,5(t 1 + t 𝑛 ) + ∑ 𝑖=2 𝑛=1 t 1 ] (8) где i = 1, … n - точки измерений глубины t i в пределах эффективной длины дефекта l эф По формуле вычисляем коэффициент запаса k: 𝑘 = 0,9γ𝑛 р 𝑘 1 𝑘 н 𝑚 (9) где 0,9 – поправочный коэффициент; γ – коэффициент, который учитывает нормативное (рабочее) давление на данном участке газопровода. Вычисляем по формуле: γ = 1 − 𝑛 р ·𝑝 R 1 (10) где n р – коэффициент надежности по нагрузке; R 1 – расчетное сопротивление сжатию (растяжению), определяемое по формуле в соответствии со СниП 2.05.06-85: R 1 = 𝑚σ В 𝑘 1 𝑘 н (11) Если суммарное продольные напряжения, вычисляемые по формуле: σ пр = −𝛼 · Е · Δ𝑡 + 𝜇·𝑝(𝐷 Н −2δ) 2δ − 𝐸𝐷 Н 2𝜌 (12) являются сжимающими и их уровень соответствует условию: σ пр ˂ − 0,5σ В 1− 𝑡 δ 1− 𝑡 δM (13) Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 61 Расчетное обоснование выбора РСМ тогда вычисление разрушающего давления производится с учетом значения по методике СТО Газпром 2-2.3.112, где Е – модуль упругости, МПа; α – коэффициент линейного расширения, град -1 ; μ – коэффициент Пуассона; Δt – расчетный температурный перепад, град; ρ – радиус изгиба продольной оси трубопровода, м; D Н – номинальный наружный диаметр трубопровода, мм. 5.2. Расчет усилий, напряжений и контактного давления Контактное давление, которое создается узлом затяжки, обеспечивает силовую эффективность РСМ. По формуле вычисляем усилие в болтах: 𝑄 = 𝑛 Б М зат 𝜉𝑑 Б (14) где n Б – количество болтов в узле затяжки; М ЗАТ – момент затяжки болтового соединения, МН м; ξ – значение коэффициента трения в резьбе, ξ= от 0,15 до 0,20. Усилия, которые возникают в полотне двухразъемной муфты из-за затяжки болтов, определяем в соответствии с расчетной схемой, которая представлена на рисунке 22. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 62 Расчетное обоснование выбора РСМ Рисунок 22 – Расчетная схема взаимодействия РСМ с трубопроводом [27] Значение напряжений и усилий определяют по формулам: 1) По формуле определяют наибольшее значение усилия: 𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 𝑄𝑐𝑜𝑠φ 0 2−𝑓(φ 1 −φ 0 ) 1+𝑐𝑜𝑠(φ 1 −φ 0 ) , (15) где φ 0 – угол между радиусом-вектором центра закладной оси узла затяжки и осью симметрии, определяемый по формуле: φ 0 = arcsin [ 𝑟+0,5𝛥𝑙 𝑅+𝑟+0,5𝛿 𝑚 ] , (16) f – коэффициент трения между муфтовым полотном и трубой; φ 1 – угол между радиусом-вектором точки касания сечения полотна с наружной поверхностью трубопровода и осью симметрии, в котором сходятся обе ее ветви, вычисляемые по формуле: φ 1 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 [ 𝑅 Н +0,5𝛿 𝑚 −𝑟 𝑅 Н +0,5𝛿 𝑚 +𝑟 ] + φ 0 , (17) 2) по формуле определяют наибольшее значение напряжение в полотне муфты: σ 𝑚𝑎𝑥 = N 𝑚𝑎𝑥 𝛿 𝑚 𝑙 𝑚 , (18) 3) по формуле определяют наименьшее значение усилия в сечении полотна, равноудаленного от узлов затяжки: Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 63 Расчетное обоснование выбора РСМ N 𝑚𝑖𝑛 = N 𝑚𝑎𝑥 exp [𝑓(φ 0 − φ 𝑘 )], (19) где – φ 𝑘 угловая координата сечения полотна, равноудаленного от узлов затяжки; 4) по формуле определяют интегрально усредненные значения продольной силы в сечении полотна: N ср = N 𝑚𝑎𝑥 {1 − exp[𝑓(φ 0 − φ 𝑘 )]}[𝑓(φ 0 − φ 𝑘 )] −1 (20) Значение составляющих контактного давления муфты на поверхность трубопровода вычисляют по формулам: – среднее значение контактного давления от затяжки болтов: 𝑝 к б = N ср 𝑅 Н 𝑙 𝑚 ; (22) – минимальное значение контактного давления: 𝑝 к 𝑚𝑖𝑛 = N 𝑚𝑖𝑛 𝑅 Н 𝑙 𝑚 (21) – среднее значение контактного давления при рабочем давлении p в трубопроводе с учетом давления от установки муфты: 𝑝 к = (𝑝−𝑝 0 )·γ 1 ·𝑘 𝛽 +2𝑛 𝑦 ·𝑄·𝐴 𝑇 (𝜒 п +0,5𝜒 б ) γ 1 ·𝑘 𝛽 +𝐴 к , (23) где χ п – податливость муфтового полотна, м/МН; χ б – податливость болтов узла затяжки, м/МН; Коэффициенты определяют по формулам: 𝐴 𝑇 = 𝐸δ 2𝜋𝑅 𝐻 2 ; (25) γ 1 = 1 − 𝜇 2 ; (24) 𝐴 к = 𝐸δ 𝐸 М δ М ; (26) 𝜒 п = 𝐹𝑅 Н 𝐸 М δ М l М ; (27) 𝜒 б = 4𝑙 б 𝑛 б 𝜋𝐸 Б 𝑑 б 2 , (28) где Е М – модуль упругости материала полотна РСМ в окружном направлении, МПа; Еσ – модуль упругости материала болтов, МПа; Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 64 Расчетное обоснование выбора РСМ F – коэффициент, учитывающий удлинение полотна муфты от сил трения полотна муфты по трубопроводу и усилия затяжки болтовых соединений [27]. Коэффициент F определяется по таблице 6. Таблица 6 – Значение коэффициента F Коэффициент трения f Значение коэффициента F Одноразъемная муфта Двухразъемная муфта 0,2 2,61 1,36 0,3 2,36 1,29 Определяем по рисунку 23 коэффициент 𝑘 𝛽 , учитывающий ширину полотна муфты при определении усредненного радиального перемещения наружной поверхности трубопровода в границах ширины полотна муфты. Рисунок 23 – Зависимость коэффициента 𝑘 𝛽 усредненных радиальных перемещений поверхности трубопровода от относительной ширины 2𝑙 М /𝑅 н муфты для различных значений относительной толщины стенки трубопровода δ` = δ/𝑅 н : 0,031(1); 0,027(2); 0,023(3); 0,02(4); 0,017(5) [27]. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 65 Расчетное обоснование выбора РСМ 5.3. Критерий работоспособности дефектного участка трубопровода с установленной муфтой Критерий работоспособности дефектного участка трубопровода с установленной муфтой определяется с учетом контактное давление р к , уровень которого обеспечивается заданными конструктивными параметрами стеклопластиковой муфты и расчетными моментами затяжки болтовых соединений. По формуле вычисляют допустимое значение внутреннего давления р доп м : 𝑝 доп м = 𝑝 р 𝑘 + 𝑝 к 𝑘 мф , (29) где 𝑘 мф = 1,2 · 1,2 = 1,38 = 𝑘 рел · 𝑘 кон – коэффициент надежности муфты; 𝑘 рел – коэффициент релаксации напряжений при эксплуатации в стеклопластиковом полотне; 𝑘 кон – коэффициент, учитывающий неравномерность контактного давления полотна муфты на поверхность трубопровода. Рекомендуемые значения коэффициентов 𝑘 рел , 𝑘 кон , полученные по данным статических и циклических испытаний дефектных трубопроводов с установленными муфтами, равны: 𝑘 рел = от 1,1 до 1,3. 𝑘 кон = от 1,1 до 1,2. Вычисляют коэффициент усиления дефектного участка трубопровода по соотношению допустимых значений внутреннего давления: 𝑘 ус = 𝑝 доп м 𝑝 доп (30) Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 66 Расчетное обоснование выбора РСМ 5.4. Определение коэффициента усиления дефектного участка с использованием стеклопластиковых муфт Исходные данные: материал трубопровода – сталь 17Г1С-У; коэффициент условий работы 𝑚 = 0,99; предел прочности материала 𝜎 В = 588 МПа; номинальный наружный диаметр газопровода 𝐷 Н = 1220 мм; коэффициент Пуассона μ=0,3; рабочее давление 𝑝 = 6,9 МПа; толщина стенки δ = 12 мм; модуль упругости 𝐸 = 206000 МПа; коэффициент надежности по внутреннему давлению 𝑛 р = 1,1; коэффициент надежности по назначению трубопровода 𝑘 н = 1,155; коэффициент надежности по материалу труб 𝑘 1 = 1,34 [29]; дефект – продольная стресс-коррозионная трещина после вышлифовки с профилем дна, указанным в таблице 7. Таблица 7 - Геометрические параметры дефекта. Параметр, мм Значение глубины t дефекта по её длине Длина х 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Глубина t 0 5,9 6,6 6,7 6,9 7 6,8 6,5 6,4 5,8 0 Толщина полотна 𝛿 М = 0,012 м; модуль упругости полотна муфты; E М = 58700 МПа; коэффициент трения в резьбе ξ = 0,18; момент затяжки муфты M зат = 600 Нм; количество болтов в разъеме n б = 4 ; диаметр болтов d б = 0,024 м; модуль упругости материала болтов E б = 206000 МПа; количество разъемов – 2; радиус закладной оси r = 0,0375 м; коэффициент трения полотна по трубе f = 0,2; зазор между закладными осями l пр = 0,07 м; коэффициент надежности работы муфты k М =1,44; наружный радиус трубопровода R Н = 0,61м [29]. Вычисляем расчетное сопротивление R 1 𝑅 1 = 𝑚 𝑘 1 𝑘 н 𝜎 В = 0,99·588 1,34·1,155 = 376,12 МПа (31) Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 67 Расчетное обоснование выбора РСМ Коэффициент γ, учитывающий рабочее давление вычисляем по формуле: γ = 1 − 1,1·6,9 346,12 = 0,98 (32) Вычисляем коэффициент запаса k: 𝑘 = 0,9·0,98·1,1·1,34·1,155 0,99 = 1,52 (33) Функция Ф будет принимать минимальное значение при эффективной длине дефекта l эф =160 мм, на которой площадь А проекции дефекта на продольную плоскость определяется с учетом за крайних точек t 1 =5,9 мм, t n =5,7 мм и Δl=20 мм: А = Δ𝑙[0,5(t 1 + t 𝑛 ) + ∑ 𝑖=2 𝑛=1 t 1 ] = 20 · [0,5(5,9 + 5,7) + (6,6 + 6,7 + 6,9 + 7 + 6,8 + 6,5 + 6,4) =1054 мм 2 (34) Вычисляем среднюю глубину дефекта: 𝑡 = 𝐴 𝑙 эф = 1054 160 = 6,59 мм (35) Вычисляем коэффициент Фолиаса: М = √ 1+0,31𝑙 эф 2 𝑅 Н δ = √ 1+0,31·160 2 610·12 = 1,44 (36) Значение геометрической функции Ф вычисляем по формуле: Ф = 1− 𝑡 δ 1− 𝑡 δ M = 1− 6,59 12 1− 6,59 12·1,44 = 0,73 (37) Вычисляем разрушающее давление для дефектного участка: р р = 2δ·σ В (𝑅 Н −2δ) · Ф = 2·12·588 1220−2·12 · 0,73 = 8,59 МПа (38) Вычисляем значение допустимого давления: р доп = р р 𝑘 = 8,59 1,52 = 5,66 МПа (39) Так как р доп ˂ р, то данный участок газопровода не удовлетворяет критерию работоспособности, и поэтому его необходимо отремонтировать. Будем использовать муфту РСМ с резьбовой затяжкой в качестве ремонтной конструкции. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 68 Расчетное обоснование выбора РСМ Усилие Q в болтах на одном разъеме при затяжке вычисляем по формуле: 𝑄 = 𝑛 Б М зат 𝜉𝑑 Б = 4 · 600 0,18·0,024 = 0,556 МН (40) Вычисляем угол φ 0 между радиус-вектором центра закладной оси и осью симметрии узла затяжки: φ 0 = arcsin [ 0,0375+0,5·0,07 0,61+0,0375+0,5·0,012 ] = 0,111 рад (41) Вычисляем угол φ 1 между радиус-вектором точки касания с наружной поверхностью полотна и осью симметрии: φ 1 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 [ 0,61+0,5·0,012−0,0375 0,61+0,5·0,012+0,0375 ] + 0,111 = 0,595 рад (42) Вычисляем наибольшее усилие 𝑁 𝑚𝑎𝑥 в поперечном сечении полотна муфты: 𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 0,556 · cos(0,111) · 2−0,2·(0,595−0,111) 1+cos(0,595−0,111) = 0,557 МН (43) При подземной прокладке коэффициент условия закрепления трубопровода вычисляем по формуле: γ 1 = 1 − 𝜇 2 = 1 − 0,3 2 = 0,91 (44) Коэффициент 𝑘 𝛽 , который учитывает ширину полотна муфты с заданными параметрами муфты 2𝑙 М 𝑅 н = 1,05 и δ` = δ 𝑅 н = 0,02, в соответствии с рисунком 22 будет равен 0,95. Вычисляем податливость полотна муфты: 𝜒 п = 1,36·0,61 58700·0,012·0,32 = 0,00368 м МН (45) Вычисляем податливость болтовых соединений: 𝜒 б = 4·0,144 4·3,14·206000·0,024 2 = 0,000386 м МН (46) Вычисляем вспомогательные коэффициенты 𝐴 𝑇 и 𝐴 К : 𝐴 𝑇 = 206000·0,012 2·3,14·0,61 2 = 1057,86 МПа м (47) 𝐴 к = 206000·0,012 58000·0,012 = 3,51 (48) Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 69 Расчетное обоснование выбора РСМ Вычисляем среднее значение контактного давления полотна муфты на трубопровод: 𝑝 к = (6,9−0,1)0,91·0,95+2·2·0,556·1057,86(0,00368+0,5·0,000386) 0,91·0,95+3,51 = 3,43 МПа (49) Вычисляем допустимое давление для дефектного участка с установленной муфтой: 𝑝 доп м = 5,66 + 3,43 1,44 = 8,04 МПа (50) Вычисляем коэффициент усиления, обеспечиваемый муфтой при эксплуатации: 𝑘 ус = 8,04 5,66 = 1,42 (51) Таким образом, делаем вывод, что после установки муфты РСМ обеспечивается условие 𝑝 доп м > 𝑝 доп , поэтому при максимальном рабочем давлении 6,9 МПа критерий работоспособности дефектного участка трубопровода соблюдается. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 70 Расчетное обоснование выбора РСМ |