Разработка методов оценки показателей надежности трубопроводных систем при проектировании и эксплуатации
Разработка схемы проведения мероприятий по количественной оценке и обеспечению надежности трубопроводных систем при их проектировании и эксплуатации. Методики количественной оценки показателей надежности бездефектных элементов трубопроводных систем.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.02.2018 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
(16)
где - нормальная составляющая производной процесса; предельное значение берется на граничной поверхности . Методика вычисления среднего числа выбросов в единицу времени при решении прочностных задач достаточно подробно изложена в работах целого ряда исследователей.
За постепенный отказ элементов конструкций, не допускающих эксплуатацию с трещиноподобными дефектами, принимается момент образования усталостной макротрещины характерной длины . Согласно основному свойству кумулятивных моделей вектор качества системы квазимонотонно приближается к границе допустимой области так, что вероятность его не выхода из допустимой области на любом отрезке совпадает с вероятностью его нахождения в этой области в момент времени t. Таким образом, при постепенном отказе выражение для функции надежности можно представить в виде
(17)
где - наибольшее накопленное усталостное повреждение к моменту времени t; - критическое повреждение, соответствующее образованию усталостной макротрещины длиной . Обычно полагают, что , а в начальный момент времени (т.е. для бездефектного элемента) .
Функция надежности (17) связана с вероятностью образования усталостных макротрещин за время t соотношением
(18)
Получение зависимости P(t) не вызывает никаких затруднений, если известна обратная зависимость T(P). Для определения времени T до образования усталостной макротрещины с заданной вероятностью используется линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений:
(19)
Здесь - амплитуда характерного напряжения в опасной точке (сечении) элемента; - функция плотности вероятности распределения амплитуд случайного процесса нагружения; , - минимальное и максимальное значения амплитуд процесса нагружения; - эффективная частота случайного процесса нагружения, определяемая через спектральную плотность процесса; - зависимость, описывающая кривую усталости рассматриваемого конструктивного элемента по моменту образования макротрещины с вероятностью P при гармоническом нагружении с частотой .
Кривые усталости аппроксимируются степенными функциями, а определение проводится с помощью известных методов схематизации случайных процессов. Интегрирование (19) при различных значениях P позволяет получить функцию распределения долговечности P = P(T) и затем по формуле (18) вычислить функцию надежности.
Для расчетно-экспериментального определения кривых усталости по образованию макротрещин целесообразно использовать положения модифицированной статистической теории «слабого звена», которая позволяет существенно увеличить представительность экспериментальных данных. На базе экспериментальной информации об усталостных характеристиках в условиях эксплуатации лабораторных образцов из данного материала осуществляется расчет функций распределения пределов ограниченной выносливости для других образцов и конструктивных элементов. Основное уравнение этой теории имеет вид
(20)
Найденные из решения системы нелинейных уравнений параметры являются исходными данными при расчете кривых усталости по моменту образования усталостных макротрещин в конструктивном элементе. Значения , , поочередно подставляются в уравнение (20), которое решается относительно при заданной вероятности P. В результате вычислений определяются значения предела ограниченной выносливости вероятности P конструктивного элемента на базовой долговечности .
Далее осуществляется аппроксимация кривой усталости в виде степенной зависимости:
(21)
Здесь и - определяемые методом наименьших квадратов параметры, зависящие от свойств материала, вида напряженного состояния в конструктивном элементе, условий эксплуатации и т.п.; - условный предел выносливости.
Рисунок 3 Схема оценки надежности при постепенном отказе
Таким образом определяются все необходимые данные для расчета надежности элементов конструкций по формулам (19) и (18). Схема оценки надежности представлена на рис. 3.
В пятом разделе описана разработанная методика количественной оценки надежности трубопроводных систем, допускающих безопасное использование с эксплуатационными и технологическими трещиноподобными дефектами. Очагами зарождения трещин являются концентраторы напряжений заводского, строительно-монтажного или эксплуатационного происхождения. Для трубопроводов наибольший интерес представляют несквозные и, в первую очередь (учитывая сравнительно малую толщину стенки трубы), поверхностные трещины. Очевидно, что такие дефекты имеют трехмерный характер и в общем случае являются многопараметрическими. При неполноте информации о дефекте, а также для упрощения расчета здесь целесообразно использовать аппроксимацию его трещиной полуэллиптической формы.
Для трехмерных дефектов параметры механики разрушения в общем случае могут изменяться вдоль фронта трещины. Поэтому для них необходимо проверять выполнение критерия разрушения в нескольких точках, расположенных на границе дефекта. Для поверхностных трещин полуэллиптической формы, описываемых двумя параметрами (глубиной l и полудлиной a), можно ограничиться вычислением параметров механики разрушения в точках A, B и/или C (рис. 4).
Рисунок 4 Схематизация несквозной трещины
За параметр качества поврежденного элемента конструкции при внезапном отказе можно принять J-интеграл. Из-за роста трещины в процессе нагружения параметры механики разрушения являются функциями времени, а в силу стохастического характера многих факторов - случайными функциями. Таким образом, условие безотказной работы примет вид
(22)
Случайный процесс изменения величины J-интеграла удобно представить в виде канонического разложения.
Введя в рассмотрение дополнительную функцию оценку надежности при внезапном отказе можно произвести через среднее число положительных пересечений в единицу времени процессом нулевого уровня:
(23)
Дефекты в виде трещин, возникающие в элементах конструкций на стадии производства или при эксплуатации продуктопроводов, развиваются в течение определенного периода времени, который определяет живучесть конструкции. Из-за особенностей эксплуатации магистральных трубопроводов и поскольку для них характерно наличие несквозных поверхностных дефектов, разрушение конструкции происходит при прорастании трещины на всю толщину стенки трубы.
Уравнение, определяющее поцикловую скорость роста усталостных трещин, в общем виде можно представить следующим образом:
(24)
где dl/dN - скорость роста трещины; - амплитуда номинальных напряжений; l - текущая длина трещины; - размах коэффициента интенсивности напряжений за рассматриваемый цикл нагружения; - параметры, характеризующие условия эксплуатации, геометрические параметры конструктивного элемента, физические свойства материала.
Модель постепенного отказа здесь является кумулятивной. Поэтому для функции надежности следует записать
(25)
где - критическая длина трещины, равная толщине стенки трубы; - циклическая вязкость разрушения.
Оценку функции надежности при постепенном отказе можно проводить по приближенной формуле модели цепи (3), в которой
(26)
В предлагаемой методике пошагового вычисления значений функции надежности решение задачи статистической динамики - определение параметров качества системы l(t) и K(t) - выполняется методом интерполяционных полиномов. При этом случайный стационарный процесс нагружения N(t) с заданной спектральной плотностью представляется неканоническим разложением (11), а поцикловая скорость роста усталостной трещины полностью определяется соотношением типа (24). Вычисления здесь продолжаются до тех пор, пока функция надежности H(t) не станет меньше некоторой, наперед заданной величины .
В данном разделе изложены также особенности решения задач механики разрушения с помощью МКЭ-пакета ANSYS. Оно включает в себя выполнение линейно-упругого или упругопластического анализа и использование специальных постпроцессорных команд или макросов для вычисления требуемых параметров. При этом рассматриваются два главных этапа данной процедуры: моделирование области трещины; вычисление параметров механики разрушения. Для удобства моделирования несквозных поверхностных трещин разработана программа-макрос, позволяющая автоматически строить объемные сингулярные элементы (со смещенными на четверть длины стороны промежуточными узлами) вокруг фронта трещины. Кроме того, составлена программа-макрос для вычисления значений J-интеграла в точках вдоль фронта трехмерного дефекта.
С использованием МКЭ-пакета ANSYS и разработанной методики моделирования трещин выполнен вычислительный эксперимент по определению коэффициентов интенсивности напряжений для наиболее применяемых на территории Российской Федерации типоразмеров труб с учетом возможного наличия в них осевых и окружных (наружных и внутренних) трещин. Показано, что зная величину рабочего давления p и локальных осевых напряжений , расчет коэффициентов интенсивности напряжений для труб с осевой и окружной трещиной можно выполнять соответственно по формулам
(27)
где - средний радиус трубы.
Из анализа результатов расчета видно, что безразмерные коэффициенты и являются инвариантными как по отношению к диаметру трубы, так и к толщине ее стенки. Для определения этих коэффициентов в точках A и B фронта трещины (см. рис. 4) в зависимости от отношений l/a и l/t составлены специальные таблицы.
В шестом разделе приведены практические примеры количественной оценки вероятности безотказной работы элементов конструкций трубопроводов в соответствии с предложенной комплексной методикой вычисления показателей надежности.
Методика оценки безопасности перехода подземного трубопровода через сейсмический разлом на стадии проектирования рассматривается на примере газопровода диаметром 48 дюймов (1219 мм), изготовленного из стали X70. Толщина стенки трубы обычной секции составляет 17,6 мм. На участке пересечения разлома толщина стенки увеличена до 25,3 мм. Длина этой специальной секции равна 72 м. В месте пересечения разлома предусмотрена специальная траншея с материалами-заменителями (рис. 5).
Рисунок 5 Конфигурация специальной траншеи
Основными для данной трубопроводной системы являются нагрузки, обусловленные движением по разлому, вызванным сейсмическими толчками (рис. 6). Эти сейсмические смещения должны прикладываться к подвижной стороне разлома. Сейсмические смещения в системе координат трубы для периода повторяемости землетрясений в 1000 лет приняты равными: uXp = -457,5 мм;
uYp = uZp = 915 мм.
В соответствии с мировой практикой проектирование трубопровода в случае сейсмической опасности должно проводиться на основе двухуровневого подхода с целью выполнения следующих требований:
1) трубопровод должен выдерживать воздействие проектного землетрясения (SLE) без или с минимальными перерывами в нормальной эксплуатации без необходимости проведения значительных ремонтных работ;
2) трубопровод должен выдерживать воздействие максимального расчетного землетрясения (DLE) без разрывов. В случае такого события трубопроводу могут быть нанесены значительные повреждения, в результате которых будет прервана эксплуатация и для устранения которых потребуется провести ремонтные работы в одном или нескольких местах.
Периоды повторяемости проектного землетрясения (SLE) и максимального расчетного землетрясения (DLE) приняты равными соответственно 200 и 1000 годам.
Рисунок 6 Движение по разлому
Решение рассматриваемой задачи проводится в геометрически и физически нелинейной статической постановке, т.е. с учетом больших перемещений, пластических деформаций и нелинейности поведения окружающего трубу грунта. Здесь применяется МКЭ-пакет ANSYS, в котором для моделирования упругопластического деформирования трубопровода предусмотрен специальный элемент трубы PIPE20, а для дискретного представления точек грунта можно воспользоваться элементом нелинейной пружины COMBIN39. При этом каждый узел трубы, находящейся в грунте, необходимо связать с неподвижной опорой с помощью трех элементов-пружин, представляющих жесткости грунта в продольном, поперечных горизонтальном и вертикальном направлениях. На подвижной стороне заданные сейсмические смещения по разлому прикладываются к свободным концам элементов-пружин, имитирующих действие грунта.
В таблице 3 представлены используемые критерии, допускаемые и наибольшие по модулю рассчитанные значения для землетрясения DLE (где еb - деформация изгиба трубы; еMmax - деформация, соответствующая максимуму на кривой «момент - деформация»; еac - осевая (фибровая) деформация сжатия; еw - деформация сжатия, при которой начинается гофрообразование; еat - осевая (фибровая) деформация растяжения). Как показывают результаты детерминированного расчета, все проектные требования выполнены. При этом минимальный коэффициент запаса прочности равен 1,5.
Таблица 3
Результаты детерминированного расчета (DLE)
|
Тип разрушения |
Предельные растягивающие деформации (при изгибе) |
Разрушение при сжатии / гофрообразование |
Разрушение |
|
|
Критерий |
еb ? 0,04 (4,0%) |
еac / еw ? 1,0 |
еat ? 0,04 (4,0%) |
|
|
Допускаемое значение |
4,0% |
еw = -1,87% |
4% |
|
|
Рассчитанное значение |
еb = 0,76% |
еac = -1,27% |
еat = 0,26% |
|
|
Коэффициент запаса прочности |
5,3 |
1,5 |
15,4 |
Для решения задачи статистической динамики используется метод интерполяционных полиномов. В качестве входных случайных данных здесь выбраны пять величин, оказывающих наибольшее влияние на НДС трубопровода, основными из которых являются сейсмические смещения по разлому. За выходные случайные величины приняты деформации еb, еac и еat.
Согласно теории В.В. Болотина для вычисления функций безопасности B(t) и риска R(t) = 1 - B(t) случайные события, являющиеся потенциальным источником аварийной ситуации, разбиваются на классы Ц1, Ц2, …, Цm, которые могут отличаться уровнем интенсивности воздействий, иметь различные источники или различную физическую природу. Если все m классов редких событий образуют независимые пуассоновские потоки, интенсивности которых лj в общем случае различны, то для оценки риска можно воспользоваться следующей приближенной формулой:
(28)
где
Здесь B(Цj) - условная безопасность, равная вероятности того, что авария не наступит при осуществлении события . Для землетрясений обратные величины иj = 1/лj имеют смысл периода повторяемости.
В рассматриваемом случае m = 2, поскольку расчет выполняется на два типа сейсмических воздействий SLE и DLE. Таким образом,
(29)
где
причем иSLE = 200 лет; иDLE = 1000 лет; лSLE = 5?10-3 1/год; лDLE = 10-3 1/год.
Учитывая, что вектор качества системы квазимонотонно приближается к границам допустимых областей, следует записать
(30)
Входящие в эти выражение вероятности легко находятся с помощью функций распределения соответствующих выходных параметров.
Рисунок 7 Функция распределения деформации еac (DLE)
На рис. 7 изображена функция распределения деформации еac для землетрясения DLE, рассчитанная при выборе для каждой входной случайной величины по два узла. Видно, что вероятность выполнения критерия прочности при сжатии (гофрообразовании) для землетрясения DLE составляет всего 62,5%. Таким образом, B(ЦDLE) = 0,625, а для землетрясения SLE можно принять, что B(ЦSLE) ? 1. Функция полной безопасности представлена на рис. 8. Как видно из графика, например, для трубопровода со сроком службы T = 40 лет безопасность составляет 0,985.
Методика оценки живучести (остаточного ресурса) в процессе эксплуатации рассматривается на примере резервуара при наличии поверхностной трещины в зоне врезки патрубка.
Для определения нагрузок, действующих на патрубки резервуара со стороны присоединяемых к нему надземных трубопроводных систем, построены их балочные конечно-элементные модели с использованием программы AutoPIPE (рис. 9).
Резервуар для нефти и нефтепродуктов (типовой проект ТП 704-1-171-184) представляет собой стальную вертикальную цилиндрическую конструкцию емкостью 20000 м3 со стационарной крышей. Построенная в программе ANSYS с использованием конечных элементов оболочки SHELL63 модель резервуара представлена на рис. 10. На рассматриваемую конструкцию действует следующая система нагрузок: сила тяжести от собственной массы конструкции; погонная нагрузка от массы крыши и снегового покрова; гидростатическое давление продукта, изменяющееся по линейному закону по высоте резервуара; тепловое расширение; усилия на патрубки со стороны присоединяемых трубопроводов.
Рисунок 9 Балочная модель трубопроводных систем
Рисунок 10 Оболочечная модель резервуара
Рисунок 11 Трещина в стенке резервуара
Предполагается, что в нижней части зоны врезки патрубка (присоединенного к сегменту А) в стенке резервуара имеется наружная четвертьэллиптическая трещина с размерами l = 4 мм и a = 6 мм (рис. 11).
Следует отметить, что программа ANSYS располагает специальной методикой подмоделирования (submodeling), которая обычно используется для получения более детальных результатов в отдельной области модели. Здесь можно сгенерировать независимую подмодель только представляющей интерес области, разбив ее более мелкой сеткой конечных элементов, и проанализировать ее отдельно от полной (относительно грубой) модели. В качестве граничных условий для подмодели берутся перемещения на границе вырезки, рассчитанные с помощью полной модели. Примечательно то, что «грубая» модель может быть оболочечной (т.е. состоять из конечных элементов оболочки), а подмодель - объемной (т.е. построенной из элементов трехмерного тела).
Для построения подмодели нижней части зоны врезки патрубка в резервуар применяются конечные элементы трехмерного тела SOLID45. При этом идеализация области вблизи трещины осуществляется по методике, описанной в разделе 5, с использованием сингулярных (со смещенными промежуточными узлами) элементов SOLID95. В качестве граничных условий для подмодели здесь берутся перемещения на границе вырезки, рассчитанные с помощью оболочечной модели резервуара (см. рис. 10).
Исследование живучести конструкции резервуара проводится при пульсирующем положительном цикле нагружения (Kmin = 0, ДK = Kmax). При этом размеры четвертьэллиптической трещины на i-ом шаге интегрирования уравнения скорости роста усталостной трещины определяются по формулам
(31)
где
причем и - значения коэффициента интенсивности напряжений KI в точках A и B вдоль фронта трещины соответственно.
Предполагается, что исчерпание работоспособности настоящей конструкции происходит в следующих случаях:
1) коэффициент интенсивности напряжений или достигает предельного значения Kfc (нестабильный рост трещины);
2) глубина трещины l достигает критического значения, равного 80% толщины стенки резервуара (опасность возникновения сквозного дефекта, т.е. нарушения герметичности).
На рис. 12 и 13 приведены зависимости размеров трещины и коэффициентов интенсивности напряжений от числа циклов нагружения. Видно, что нарушение работоспособности резервуара происходит по второму случаю (опасность возникновения сквозного дефекта). При этом живучесть данной конструкции составляет 4,7•106 полных циклов нагружения
Рисунок 12 Зависимости размеров трещины от числа циклов
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 13 Зависимости коэффициентов интенсивности напряжений от числа циклов
Рисунок 14 Функция надежности для резервуара
В предположении, что исходные данные являются стохастическими с нормальным законом распределения, можно по формулам (3) и (26) рассчитать функцию надежности. Результаты данного расчета при различных значениях коэффициента вариации показаны на рис. 14 (1 - = 0,1; 2 - = 0,15; 3 - = 0,2). Таким образом, задаваясь значением нормативной надежности Hн по этим графикам можно оценить остаточный ресурс (живучесть) рассматриваемой конструкции резервуара. Например, при Hн = 0,99 и = 0,15 живучесть составляет 4,4·106 полных циклов.
В качестве последнего примера проводится оценка живучести и надежности надземной трубопроводной системы при наличии поверхностной трещины в зоне температурного компенсатора. Рассматривается температурный компенсатор (труба 720х12,5), расположенный между точками A20N и A23F надземного трубопровода, присоединенного к резервуару (см. рис. 9). Нагрузки, действующие на температурный компенсатор со стороны трубопровода, здесь также можно определить с помощью балочной конечно-элементной модели, построенной в программе AutoPIPE.
Для идеализации температурного компенсатора в программе ANSYS используются конечные элементы оболочки SHELL63 (рис. 15). Для приложения нагрузок (в виде перемещений) со стороны трубопровода в центре каждого концевого сечения компенсатора определяется узел, связанный с узлами оболочки с помощью элементов жесткой балки MPC184.
Предполагается, что в верхней части компенсатора (см. рис. 15) в стенке трубы имеется наружная осевая полуэллиптическая трещина со следующими размерами: глубина l = 3 мм; половина длины a = 5 мм (рис. 16).
Рисунок 15 Оболочечная модель температурного компенсатора
Рисунок 16 Трещина в стенке компенсатора
Следуя методике подмоделирования, в верхней части трубы вырезается стенка с трещиной, расположенной приблизительно в середине выделенной зоны. При этом граница вырезки должна быть достаточно удалена от области концентрации напряжений (т.е. от трещины). Для построения данной подмодели здесь также применяются элементы трехмерного тела SOLID45, а вокруг фронта трещины - сингулярные элементы SOLID95 со смещенными узлами. В качестве граничных условий берутся перемещения, рассчитанные с помощью оболочечной модели компенсатора.
Результаты численного интегрирования закона распространения трещины при усталости приведены на рис. 17 и 18 в виде зависимостей размеров дефекта и коэффициентов интенсивности напряжений от числа циклов нагружения.
Видно, что нарушение работоспособности температурного компенсатора здесь также происходит по второму случаю (опасность возникновения сквозного дефекта). При этом живучесть данной системы составляет 6,9•107 полных циклов нагружения.
Рисунок 17 Зависимости размеров трещины от числа циклов
Рисунок 18 Зависимости коэффициентов интенсивности напряжений от числа циклов
Рисунок 19 Функция надежности для компенсатора
Результаты расчета функции надежности представлены на рис. 19 (1 - = 0,1; 2 - = 0,15; 3 - = 0,2). Как видно из графиков, при нормативной надежности Hн = 0,99 и коэффициенте вариации = 0,15 живучесть составляет 6,95·107 полных циклов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное хозяйственное и экономическое значение для повышения надежности, ресурса и безопасности современных продуктопроводов за счет создания, развития и совершенствования научных методов комплексной количественной оценки и анализа показателей надежности трубопроводных систем при их проектировании и эксплуатации на основе математического моделирования процессов изменения параметров качества силовых элементов при случайных нагрузках.
В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты:
1. Разработана методика комплексной оценки основного количественного показателя надежности элементов трубопроводных систем - вероятности безотказной работы - с учетом стохастического характера эксплуатационных нагрузок и рассеивания характеристик трещиностойкости и прочности элементов конструкций. Предложенный подход основан на общей теории надежности, моделировании поведения трубопроводных систем при случайных внешних нагрузках и позволяет проводить расчеты трубопроводов, в состав которых входят тонкостенные элементы, не допускающие эксплуатацию с трещинами, и элементы, допускающие эксплуатацию с развивающимися трещиноподобными дефектами. Доведенная до практических приложений методика учитывает возможность появления двух видов отказа - внезапного и постепенного - в каждом элементе трубопровода и является эффективным средством сравнения предлагаемых проектных решений новых трубопроводов и оценки остаточного ресурса, живучести и долговечности используемых продуктопроводов по результатам инструментальных диагностических исследований их состояния.
2. Предложена и доведена до практического применения основанная на использовании метода интерполяционных полиномов методика моделирования реализаций случайных процессов изменения эксплуатационных факторов (включая внешние нагрузки) со сложной структурой, что позволило легко алгоритмизировать и в несколько раз снизить время и трудоемкость вычислений при решении задач статистической динамики численными методами на этапе проектирования широкого класса сложных технических систем различного
назначения.
3. Средствами вычислительной математики обоснован выбор метода интерполяционных полиномов для определения вероятностных характеристик НДС участков нефтегазопроводов по входным вероятностным характеристикам силовых воздействий и несущей способности конструкции, позволивший по сравнению с методом Монте-Карло в десять раз сократить необходимое число расчетов и снизить трудоемкость, сохраняя при этом требуемую точность получаемых результатов. Эффективность интерполяционного метода получила подтверждение при вычислении показателей надежности реального трубопровода в зоне его перехода через водное препятствие.
4. На основе теории подобия усталостного разрушения разработаны и апробированы процедуры расчета и использования параметров кривых усталости конструктивных элементов по образованию первых макротрещин с заданной вероятностью для количественной оценки надежности элементов при постепенном отказе. Эти исследования на фактическом материале доказали возможность исключения необходимости проведения дорогостоящих экспериментальных исследований усталостных свойств трубных сталей, ограничиваясь усталостными испытаниями стандартных лабораторных образцов одного типоразмера.
5. На основе нормативного вероятностного подхода впервые предложена схема и разработана методика комплексной оценки надежности переходов подземных участков нефтегазопроводов через сейсмические разломы, включающая детерминированные расчеты, решение задачи статистической динамики методом интерполяционных полиномов и вычисление функций безопасности и риска, необходимых для нормирования надежности и обоснования выбора безопасных проектных решений при сейсмическом воздействии. Проведенный анализ вероятности безотказной работы реального газопровода в зоне сейсмического разлома показал, что общепринятый расчет работоспособности подземных трубопроводов в зоне сейсмического разлома в детерминированной постановке приводит к завышенным значениям коэффициентов запаса по отдельным критериям разрушения. Поэтому для исследования работоспособности трубопроводов в зоне разлома необходимо учитывать статистический разброс параметров сейсмических смещений, механических характеристик используемых материалов и геометрических параметров поперечного сечения. Установлено, что существенное влияние на достоверность получаемых результатов оказывает информация о статистических характеристиках сейсмических смещений, поэтому требуется отлаженная система сбора и обработки статистической информации о геоморфологических условиях вдоль трассы.
6. В результате анализа значений коэффициента интенсивности напряжений для поверхностных трещин различных размеров, полученных с помощью МКЭ-пакета ANSYS, предложены безразмерные поправочные коэффициенты в формулах расчета коэффициентов интенсивности напряжений для осевой и окружной трещин в трубах, использование которых существенно упрощает проведение оценочных вычислений на стадии проектирования.
7. На основе численного моделирования процесса роста поверхностных трещин с помощью метода конечных элементов и метода интерполяционных полиномов впервые предложен расчетный метод оценки надежности силовых элементов нефтегазопроводов, практическое применение которого позволило оценить остаточную долговечность элементов реальной трубопроводной системы и дать заключение о необходимости ремонта либо о продлении ресурса. Положительные результаты дают возможность распространения метода на проектные и эксплуатирующие предприятия отрасли.
8. Получены результаты количественной оценки живучести и надежности резервуара для нефти в зоне врезки патрубка и температурного компенсатора надземного трубопровода по разработанным методикам. На конкретных примерах решены сложные задачи моделирования процессов роста трещиноподобных дефектов при циклических нагрузках. Рассчитанные зависимости позволили оценить остаточный ресурс конструкции по величине нормативной надежности и назначить периодичность технического обслуживания и ремонтов.
Представленные в работе методики, процедуры, алгоритмы и рекомендации использованы в практике проектирования магистральных трубопроводов и трубопроводных систем в Открытом акционерном обществе «Институт по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности» (ОАО «Институт Гипровостокнефть») и на Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов».
Предложенная методика комплексной оценки показателей надежности трубопроводных систем может использоваться при доработке нормативной документации проектирования продуктопроводов для экстремальных условий эксплуатации с учетом современных требований по обеспечению безопасности и снижению риска катастрофических разрушений.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах
в монографии:
1. Перов С.Н. Обеспечение надежности трубопроводных систем: монография / С.Н. Перов, С.И. Аграфенин, Ю.В. Скворцов, Ю.Л. Тарасов. Самара: ООО «Изд-во СНЦ», 2008. 246 с.
из перечня ведущих научных рецензируемых журналов и изданий, в которых по рекомендации Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук:
2. Тарасов Ю.Л. Методика оценки вероятности безотказной работы трубопроводных систем / Ю.Л. Тарасов, С.Н. Перов, С.Л. Логвинов // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2003. № 1(3). С. 111-119.
3. Перов С.Н. Решение задачи статистической динамики для магистрального нефтепровода / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, К.А. Цапурин // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2006. № 1. С. 187-193.
4. Перов С.Н. Оценка безопасности перехода подземного трубопровода через сейсмический разлом / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, С.И. Аграфенин // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2007. № 2(13). С. 141-150.
5. Перов С.Н. Коэффициенты интенсивности напряжений для труб с несквозными трещинами / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, К.А. Цапурин // Известия Самар. науч. центра РАН. 2008. Т. 10, № 3(25). С. 905-910.
6. Перов С.Н. Оценка надежности трубопроводных систем с трещинами при постепенном отказе / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов // Вестник Самар. гос. ун-та. 2008. № 8/2 (76). С. 5-16.
7. Перов С.Н. Представление случайных процессов с помощью неканонического разложения / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2008. № 1(14). С. 226-235.
8. Перов С.Н. Исследования живучести резервуара при наличии поверхностной трещины в зоне врезки патрубка / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов // Вестник Казан. гос. техн. ун-та. 2009. № 1. С. 28-30.
в других изданиях:
9. Аграфенин С.И. Анализ целесообразности использования статистических подходов к оценке проектных решений (на примере перехода подземного трубопровода через сейсмический разлом) / С.И. Аграфенин, С.Н. Перов // Обустройство и инфраструктура месторождений: Труды Первой межд. практ. конф. (17-18 февраля 2005 г.). Москва, 2005. С. 41-46.
10. Аграфенин С.И. Использование статистических подходов к оценке надежности магистральных трубопроводов / С.И. Аграфенин, С.Н. Перов,
М.Х. Султанов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: Матер. научн.-практ. конф. (21 мая 2008 г.). Уфа, 2008. С. 139-140.
11. Аграфенин С.И. Методология обеспечения надежности трубопроводных систем при их проектировании / С.И. Аграфенин, С.Н. Перов // Нефтяное хозяйство. 2006. № 11. С. 112-116.
12. Аграфенин С.И. Решение задачи статистической динамики для трубопроводов в зоне сейсмического излома / С.И. Аграфенин, С.Н. Перов, М.Х. Султанов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: Матер. научн.-практ. конф. (21 мая 2008 г.). Уфа, 2008. С. 141-142.
13. Гадалин Н.И. Исследование возможности неканонического разложения стационарных случайных процессов со сложным спектром / Н.И. Гадалин, Э.И. Миноранский, С.Н. Перов // Вопросы прочности и долговечности элементов авиационных конструкций. Куйбышев, 1986. С. 108-115.
14. Дуплякин В.М. Исследование усталостного разрушения образцов сложной формы из материала IXI8H9T / В.М. Дуплякин, С.Н. Перов // Вопросы прочности и долговечности элементов авиационных конструкций. Куйбышев, 1983. С. 98-103.
15. Дуплякин В.М. Оценка прочности и надежности силовых элементов КЛА при воздействии температурных факторов: Методические указания / В.М. Дуплякин, С.Н. Перов. М: ВНИИСОТ, 1991. 69 с.
16. Исследование трещиностойкости конструкционных материалов в вакууме и при пониженных температурах / В.К. Шадрин, С.Н. Перов; Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1985. 55 с. Деп. в ВИНИТИ 25.03.85, № 2079-85.
17. Конечно-элементное моделирование трещин и вычисление параметров механики разрушения / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, К.А. Цапурин; Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2006. 24 с. Деп. в ВИНИТИ 02.03.2006, № 218-В2006.
18. Методика оценки вероятности безотказной работы элементов конструкции л. а. с учетом технологических и эксплуатационных трещиноподобных дефектов / С.Н. Перов; Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1985. 77 с. Деп. в ВИНИТИ 03.06.85, № 3853-85.
19. Обоснование статистических методов оценки надежности магистральных трубопроводов на этапе проектирования: Отчет о НИР (заключ.) / Самар. гос. аэрокосм. ун-т; рук. Тарасов Ю.Л.; исполн.: Перов С.Н., Скворцов Ю.В. [и др.]. Самара, 2005. 134 с. Библиогр.: с. 134. №ГР 01200507428.
20. Оценка надежности трубопроводных систем в сложных условиях эксплуатации: Отчет о НИР (заключ.) / Самар. гос. аэрокосм. ун-т; рук. Тарасов Ю.Л.; исполн.: Перов С.Н., Скворцов Ю.В. [и др.]. Самара, 2007. 157 с. Библиогр.: с. 147-157. №ГР 01200710145.
21. Оценка остаточного ресурса элементов конструкции, имеющих производственные или эксплуатационные дефекты / Т.Д. Коваленко, Э.И. Миноранский, С.Н. Перов, Ю.Л. Тарасов // Вопросы прочности и долговечности элементов авиационных конструкций. Куйбышев, 1986. С. 95-102.
22. Оценка работоспособности трубопроводных систем при наличии трещиноподобных дефектов с учетом реальных условий эксплуатации: Отчет о НИР (заключ.) / Самар. гос. аэрокосм. ун-т; рук. Тарасов Ю.Л.; исполн.: Перов С.Н., Скворцов Ю.В. [и др.]. Самара, 2006. 120 с. Библиогр.: с. 118-120. №ГР 01200609272.
23. Перов С.Н. Вычисление коэффициентов интенсивности напряжений для труб с поверхностными трещинами / С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов, К.А. Цапурин // Наука и технологии: Труды XXVI Российской школы. М.: РАН, 2006. Т. 1. С. 274-281.
24. Перов С.Н. Моделирование роста усталостной трещины при случайном нагружении / С.Н. Перов, М.В. Яхин // Рыночная экономика: состояние, проблемы, перспективы: Сб. науч. трудов. Самара: ИПО СГАУ, 1998. Вып. 2. С. 462-468.
25. Перов С.Н. Обеспечение прочностной надежности элементов конструкции на этапе проектирования / С.Н. Перов, Ю.Л. Тарасов // Нормирование прочности и ресурса высоконагруженных машин: Труды всесоюзн. науч.-техн. симпозиума. Владимир, 1986. С. 186-190.
26. Перов С.Н. Статистический анализ надежности магистрального трубопровода в зоне сейсмического разлома / С.Н. Перов, Ю.Л. Тарасов, С.Л. Логвинов // Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта: Труды II Всерос. науч.-практ. конф. (17-19 мая 2005 г.). Самара, 2005. С. 99-104.
27. Прохоров А.Г. Влияние перегрузок напряжений на долговечность конструктивного элемента / А.Г. Прохоров, А.С. Мостовой, С.Н. Перов // Проблемы прочности. 1982. № 4. С. 64-70.
28. Статистический анализ перехода подземного трубопровода через сейсмический разлом / С.Л. Логвинов, С.Н. Перов, Ю.В. Скворцов; Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2005. 42 с. Деп. в ВИНИТИ 25.05.2005, № 747-В2005.
29. Статистический расчет кривых усталости по образованию первых макротрещин в опасных сечениях произвольной конфигурации / В.М. Дуплякин, С.Н. Перов; Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1983. 46 с. Деп. в ВИНИТИ 27.09.83, № 4739-83.
30. Тарасов Ю.Л. Вероятностные характеристики несущей способности магистральных трубопроводов / Ю.Л. Тарасов, С.Н. Перов, С.М. Савинов // Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта: Труды II Всерос. науч.-практ. конф. (17-19 мая 2005 г.). Самара, 2005. С. 161-166.
31. Тарасов Ю.Л. Конструктивно-технологические средства обеспечения надежности и ресурса трубопроводных систем / Ю.Л. Тарасов, С.Н. Перов // Надежность и экологическая безопасность трубопроводного транспорта: Труды II Всерос. науч.-практ. конф. (17-19 мая 2005 г.). Самара, 2005. С. 148-161.
32. Тарасов Ю.Л. Проблема оценки надежности трубопроводных систем при их проектировании / Ю.Л. Тарасов, С.Н. Перов, С.Л. Логвинов // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: Сб. трудов межд. науч.-техн. конф. М.: Машиностроение, 2003. Т. 2. С. 244-248.
33. Тарасов Ю.Л. Прогнозирование надежности конструкций по критерию усталостного повреждения / Ю.Л. Тарасов, Э.И. Миноранский, С.Н. Перов // Надежность и долговечность машин и сооружение. Киев: Наук. думка, 1984. Вып. 6. С. 91-96.
34. Тарасов Ю.Л. Схема оценки надежности элементов конструкции летательного аппарата при постепенных и внезапных отказах / Ю.Л. Тарасов, Э.И. Миноранский, С.Н. Перов // Прочность и долговечность элементов конструкций л.а. Куйбышев, 1984. С. 83-92.
35. Corrosion fatigue and stress corrosion cracking of AZ91E-T6 cast magnesium alloy in 35%NaCl solution / R.I. Stephens, C.D. Shrader, D.L. Goodenberger, S.N. Perov [et al.] // International Congress and Exposition: SAE Technical Paper Series 930752 (March 1-5, 1993). Detroit, Michigan, 1993.
36. Dupliakin V.M. Extreme value statistics application to fatigue cracks initiation modeling / V.M. Dupliakin, T.D. Kovalenko, S.N. Perov // Eight International Conference on Fracture: Collection of Abstracts (June 8-14, 1993). Kiev, 1993. Pt. 1. P. 159.
37. Ogarevic V.V. Application and verification of fatigue life calculation methods for AZ91E-T6 cast magnesium alloy under variable amplitude loading / V.V. Ogarevic, R.I. Stephens, S.N. Perov // Journal of Engineering Materials and Technology. 1993. V.115. P. 385-390.
38. Perov S.N. System of responding to and management of elimination of emergency situations aftermaths / S.N. Perov // The Role of Local Governments in Reducing the Risk of Disasters (April 28 - May 2, 2003). Istanbul (Turkey): Marmara University, 2003.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Показатели надежности систем. Классификация отказов комплекса технических средств. Вероятность восстановления их работоспособного состояния. Анализ условий работы автоматических систем. Методы повышения их надежности при проектировании и эксплуатации.
реферат [155,0 K], добавлен 02.04.2015Методология анализа и оценки техногенного риска, математические формулировки, используемые при оценке основных свойств и параметров надежности технических объектов, элементы физики отказов, структурные схемы надежности технических систем и их расчет.
курсовая работа [130,7 K], добавлен 15.02.2017Место вопросов надежности изделий в системе управления качеством. Структура системы обеспечения надежности на базе стандартизации. Методы оценки и повышения надежности технологических систем. Предпосылки современного развития работ по теории надежности.
реферат [29,8 K], добавлен 31.05.2010Определение основных показателей надежности технических объектов с применением математических методов. Анализ показателей надежности сельскохозяйственной техники и разработка мероприятий по ее повышению. Организации испытания машин на надежность.
курсовая работа [231,6 K], добавлен 22.08.2013Понятие и основные этапы жизненного цикла технических систем, средства обеспечения их надежности и безопасности. Организационно-технические мероприятия повышения надежности. Диагностика нарушений и аварийных ситуаций, их профилактика и значение.
презентация [498,7 K], добавлен 03.01.2014Основные количественные показатели надежности технических систем. Методы повышения надежности. Расчет структурной схемы надёжности системы. Расчет для системы с увеличенной надежностью элементов. Расчет для системы со структурным резервированием.
курсовая работа [129,7 K], добавлен 01.12.2014Разработка конструкции звукового включателя, анализ принципиальной электрической схемы. Ориентировочный расчет надежности и надежности в реальных условиях эксплуатации. Аналитический расчет печатной платы и определение вибропрочности печатного узла.
курсовая работа [427,8 K], добавлен 28.10.2011Расчет параметров привода конвейера. Форма и размеры деталей редуктора привода, этапы его проектирования. Стадии и этапы разработки конструкторской документации. Определение условий эксплуатации. Оценка количественных показателей надежности ремонта.
дипломная работа [4,6 M], добавлен 04.09.2014Общие характеристики показателей надежности. Взаимосвязь надежности и качества объекта. Что понимается под ресурсными испытаниями и с какой целью они проводятся. Достоинства и недостатки "дерева событий". Модернизация конструкции или технологии.
контрольная работа [21,0 K], добавлен 01.03.2011Схема основных состояний и событий, характерных для восстанавливаемых систем. Показатели надежности невосстанавливаемых систем. Критерии потоков отказов. Показатели безотказности. Анализ ряда основных параметров, характеризующих надежность системы.
курсовая работа [430,7 K], добавлен 22.07.2015
