Безотказная работа любой конструкции или ее элемента характеризуется набором условий следующего типа:
U = R i – S i > 0, (6.1)
где U – функция надежности; i – номер предельного состояния, принятого в качестве критерия отказа; S – расчетный показатель; R – предельное значение этого показателя.
Задача инженерной оценки надежности конструкции трубопровода понимается как отыскание вероятности выполнения неравенства (6.1), в котором фактор R является случайным, т.е. относится к категории случайных величин или случайных функций, а фактор S – детерминированная величина (число или функционал).
В качестве расчетных моделей рассматривается условие предельных состояний, определяющее прочность и деформативность трубопровода.
Таким образом, на стадии эксплуатации трубопровода может быть оценена фактическая надежность трубопровода на базе измерения конструктивных параметров труб и степени их изменения в реальных условиях эксплуатации.
Исходной предпосылкой оценки надежности трубопроводных конструкций можно считать выражение (6.1). А.Р. Ржаницын рекомендует за функцию надежности принимать резерв прочности, равный разности обобщенных прочности и нагрузки.
|
|
Методика оценки конструктивной надежности магистральных трубопроводов основана на анализе исходного условия расчета трубопровода по деформативности, имеющего вид
(6.2)
где – максимальное суммарное продольное напряжение в трубопроводе от нормативных нагрузок и воздействий; Y3 – коэффициент, учитывающий двуосное напряженное состояние металла труб; - нормативное сопротивление растяжению (сжатию), принимаемое равным минимальному значению предела текучести, МПа; m – коэффициент условий работы трубопровода; Кн – коэффициент надежности по назначению; р – рабочее (нормативное) давление; D н - наружный диаметр трубы, см; d – толщина стенки, см; a – коэффициент линейного расширения металла трубы, град-1; Е - модуль упругости металла, МПа; Dt - расчетный температурный перепад, положительный при нагревании, 0С; r — минимальный радиус упругого изгиба, определяемый по СНиП III-42-80 или специальным расчетом, см; m – коэффициент Пуассона стали.
При сжимающих продольных напряжениях
(6.3)
при растягивающих Y3 =1, где – кольцевые напряжения от нормативного (рабочего) давления, МПа, определяемое по формуле:
.
Условия обеспечения надежности, соответствующие расчетному условию (6.1), имеют вид
(6.4)
где отсутствуют дифференцированные коэффициенты запаса.
Физическую сущность условия (6.4) в полной мере раскрывают следующие преобразования. Подставляя в условие (6.4) формулу (6.3) без дифференцированных коэффициентов запаса, получим
|
|
(6.5)
откуда
(6.6)
Для правой части неравенства (6.6) справедливо
(6.7)
Первая часть неравенства (6.7) представляет собой квадрат эквивалентного напряжения по энергетической теории, отсюда условие (6.4) можно записать в следующем виде:
(6.8)
Придавая выражению(6.8) форму (6.1), применяемую для строительных конструкций, получаем
(6.9)
В формуле (6.9) роль обобщенной прочности выполняет –второе нормативное сопротивление растяжению-сжатию металла труб и сварных соединений, принимаемое равным пределу текучести, т.е. =, а роль обобщенной нагрузки – эквивалентное напряжение по энергетической теории.
Величины, входящие в выражения (6.4)¸(6.9), рассматриваются как статистически изменчивые. Изменение эквивалентных напряжений связано с первой группой факторов: а) увеличение внешних нагрузок (например, повышение давления вследствие нестационарных режимов перекачки; б) появление продольных усилий, вызванных температурными колебаниями перекачиваемого продукта; в) появление местных изгибов трубопровода в результате деформаций грунта. На величину предела текучести =влияют необратимые изменения в металле трубы в результате воздействия термофлуктуационных, усталостных и механохимических процессов, что способствует снижению ресурса трубопровода.
Повреждаемость металла при эксплуатацииусиливается в локализованных участках конструктивных элементов с дефектами металлургического, строительно-монтажного и ремонтного происхождения. Предварительная пластическая деформация, возникающая в процессе производства и транспортировки труб, выполнения строительно-монтажных и ремонтных работ, ускоряет процессы деформационного старения и охрупчивания материала.
В связи с этим назрела практическая необходимость в разработке методов оценки ресурса конструктивных элементов нефтепроводов с учетом фактического технического состояния и временных факторов повреждаемости материала.
Структурная схема, представленная на рис. 6.1, отражает требования методических указаний по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подведомственных Госгортехнадзору России.
На первый план решения проблемы о надежности выдвигаются задачи расчета на прочность, устойчивость, долговечность. Для их решения необходимы: информация о нагрузках и воздействиях на трубопровод, анализ напряженно-деформированного состояния, что позволит сделать расчеты надежности и ресурса.