Способ определения ресурса металла трубопровода



Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода
Способ определения ресурса металла трубопровода

 


Владельцы патента RU 2426091:

Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский проектно-изыскательский институт "ИнжГео"(ЗАО "НИПИ" ИнжГео") (RU)

Изобретение относится к способам оценки ресурса металла труб продуктопроводов в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Технический результат - повышение точности определения ресурса металла трубопровода. Способ определения ресурса металла трубопровода включает определение основных механических и геометрических параметров стенок трубопровода (временного сопротивления металла разрыву, внутреннего и внешнего диаметров), основных параметров текучей среды (расхода, давления, температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненности механическими примесями). Дополнительно определяют величину скорости снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и рассчитывают величину расхода энергии этих связей от времени по формуле Eτ=b·Vм, где b - скорость снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла; Vм - объем металла в стенке трубопровода. Ресурс металла определяют по формуле , где Ем - энергия связей между частицами металла в стенке; Eu - энергия напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды; Eτ - расход энергии связей между частицами металла от времени; Ет - расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды; К - коэффициент загрязненности потока частицами абразивного материала. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Способ относится к методикам оценки ресурса металла труб продуктопроводов газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслей промышленности.

Известен способ определения ресурса металла магистрального трубопровода (патент РФ № 2226681 С1, МПК7: G01N 3/00). Способ включает изготовление двух равных групп образцов из металла труб, термическую обработку одной из них, механические испытания образцов обеих групп и определение остаточного ресурса Δτ по расчетной формуле

где τ1 - время эксплуатации металла труб;

P1 - среднее давление, которое воздействовало на металл при эксплуатации труб;

P2 - давление, при котором будут эксплуатироваться трубы;

Y0 - значение параметров (ε - относительного удлинения, ударной вязкости образцов aнKCU с круглыми и aнKCV - с острыми надрезами) механических свойств термически обработанного металла;

Y - значение параметров (ε, aнKCU, aнKCV) механических свойств образца металла, не подвергавшегося термообработке;

Yн - нормативное значение параметров (ε, aнKCU, aнKCV) механических свойств металла.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:

- определение основных механических параметров металла стенки;

- определение ресурса металла по расчетной формуле.

Описанный способ определения ресурса пригоден лишь к металлам труб, которые эксплуатировались достаточно длительное время, например десять и более лет. Однако определение данным способом ресурса металла труб, которые не эксплуатировались или эксплуатировались короткое время, приводит к большим ошибкам. Например, вычисляемая по описанной формуле величина Δτ остаточного ресурса трубопровода тем меньше, чем меньше величина τ1 времени эксплуатации труб. Это противоречит действительности. Остаточный ресурс металла тем больше, чем меньше его эксплуатировали. Поэтому описанный способ определения ресурса металла не отражает объективную реальность и не является точным.

Более близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда (патент РФ № 2297618, МПК7 G01N 3/00), включающий определение основных механических, геометрических параметров (предела текучести, диаметров внутреннего и внешнего, толщины стенки), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры на входе и выходе трубопровода или сосуда, угла натекания на стенку, загрязненность механическими примесями) и определение ресурса металла по расчетной формуле

где τ - ресурс металла, год;

Vм - объем металла в стенках трубопровода или корпуса сосуда, м3;

σ - энергия связей между частицами металла, числено равная напряжению металла на разрыв, Н/м2 (Дж/м3);

U - напряжение металла стенки под действием избыточного внутреннего давления, Н/м2;

3,1536·107 - количество секунд в году;

K - коэффициент загрязненности потока (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

Е - расход энергии, действующей на стенки от перемещения среды, Дж/с;

α - величина угла натекания потока на поверхность стенки трубопровода, градус.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются определение:

- основного механического параметра стенки трубопровода (временного сопротивления металла разрыву);

- основных геометрических параметров стенки трубопровода (диаметров внутреннего и внешнего);

- основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненность механическими примесями);

- ресурса металла по расчетной формуле, связывающей эти параметры.

Формула отражает процесс уменьшения энергии σ связей между частицами металла во времени (т.е. его деградацию) и поэтому определение с ее помощью величины τ ресурса металла приемлемо для инженерных расчетов.

Однако этот способ определения ресурса металла имеет недостатки - в нем не учитывается отрицательное влияние на ресурс естественного старения металла (уменьшение его прочности от времени). Игнорирование этих явлений влияет на точность определения ресурса металла и вносит существенные погрешности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения ресурса металла трубопровода.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения ресурса металла трубопровода, включающем определение основных механических и геометрических параметров стенок трубопровода (временного сопротивления металла разрыву и диаметров внутреннего и внешнего), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненность механическими примесями) и определение ресурса металла по расчетной формуле, новым является то, что дополнительно определяют величину скорости снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и рассчитывают величину расхода энергии этих связей от времени по формуле

Еτ=b·Vм,

где b - скорость снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, H/(м2·с), Дж/(м3·с);

Vм - объем металла в стенке трубопровода, м3;

а ресурс металла определяют по формуле

,

где Ем - энергия связей между частицами металла в стенке, Дж;

Eu - энергия напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды, Дж;

Еτ - расход энергии связей между частицами металла от времени, Дж/с;

Ет - расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды, Дж/с;

К - коэффициент загрязненности потока частицами абразивного материала, учитываемой величиной коэффициента (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

3,1536·107 - количество секунд в году.

Кроме того, величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла определяют опытным путем, и она для следующих марок сталей найдена в пределах:

- 09Г2С - от 0,084 до 0,3 H/(м2·с), Дж/(м3·с);

- 14ХГС - от 0,028 до 1,0 H/(м2·с), Дж/(м3·с);

- 17ГС - от 0,055 до 0,3 H/(м2·с), Дж/(м3·с);

- Ст.4 - от 0,012 до 0,07 H/(м2·с), Дж/(м3·с).

Кроме того, величину расхода Ет энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, определяют по формуле

где δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

Dв - внутренний диаметр трубопровода, м;

S - длина трубопровода, м;

П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;

α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;

k - показатель адиабаты газа;

Rconst=8,314 Дж/(моль·К) - молярная газовая постоянная;

G - массовый расход газообразной среды, кг/с;

T1 - исходная температура газообразной среды, К;

m - молярная масса газа, кг/моль;

P1 - исходное давление газообразной среды, Па;

P2 - давление газообразной среды в конце расчетного участка трубопровода, Па;

Ср - изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг·К);

- интегральный эффект Джоуля-Томпсона, град/Па.

Кроме того, величину расхода Ет энергии текучей жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла трубопровода, определяют по формуле

где δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

Dв - внутренний диаметр трубопровода, м;

S - длина трубопровода, м;

П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;

α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;

L - массовый расход жидкостной среды, кг/с;

P1 - исходное давление среды, Па;

P2 - давление в конце расчетного участка трубопровода, Па;

ρL - плотность жидкости, кг/м3.

Технический прием, заключающийся в дополнительном определении величины скорости b Н/(м2·с), Дж/(м3·с) снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, позволяет выявить объективную закономерность деградации металла от времени, учет которой в конечном итоге повышает точность определения его ресурса.

Расчет величины расхода энергии связей энергии межкристаллитных связей между частицами металла от времени по формуле

Eτ=b·Vм

позволяет установить величину расхода Eτ этой энергии в зависимости от скорости b Н/(м2·с), Дж/(м3·с) снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и объема металла Vм в стенке трубопровода, м3. Величина расхода Еτ прямо пропорционально зависит от скорости b снижения энергии связей между частицами металла и от объема металла Vм в стенке трубопровода, что выражается в формуле произведением этих величин. Учитываемые параметры являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению величины расхода уменьшения энергии между частицами металла от времени в Дж/с.

Расчет величины расхода Еτ энергии межкристаллитных связей между частицами металла от времени позволяет учесть ослабление прочности металла от срока его службы и тем самым повысить точность определения ресурса металла.

Формула

является выражением ресурса τ металла стенок трубопровода. Она отражает во времени процесс ослабления энергии Ем межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода в зависимости от:

- энергии Eu напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды;

- расхода энергии Eτ межкристаллитных связей между частицами металла стенки трубопровода от времени, Дж/с;

- расхода энергии Ет, действующей на металл стенки от перемещения текучей среды, Дж/с;

- загрязненности потока частицами абразивного материала, учитываемой величиной коэффициента K (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1).

Величина энергии Ем (Дж) межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода рассчитывается по известной формуле (см. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтегазоперерабатывающих заводов - М.: Недра - 1965 - с.136-139)

Eм=σ·Vм,

где σ - временное сопротивление материала (металла) разрыву, Н/м2 (Дж/м3);

Vм - объем металла в стенке трубопровода, м3.

Энергия Eu напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды уменьшает энергию Ем межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода, что выражается разностью величин Ем и Eu в числителе. Величина энергии Eu (Дж) напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды рассчитывается по модифицированной формуле из методики расчета тонкостенных цилиндров, работающих под внутренним давлением (см. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтегазоперерабатывающих заводов - М.: Недра - 1965 - с.136-139)

,

где P1 - давление текучей среды в начале трубопровода, Па (Дж/м3);

P0 - давление окружающей среды, Па (Дж/м3);

Dн - наружный диаметр трубопровода, м;

Dв - внутренний диаметр трубопровода, м;

Vм - объем металла в стенке трубопровода, м3.

Расходы энергии Еτ (Дж/с), идущей на уменьшение межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода от времени, и энергии EТ (Дж/с) перемещения текучей среды, действующей на металл стенки, влияют на его деградацию и в конечном итоге на его разрушение. Это влияние выражается суммой величин Еτ и Eт в знаменателе.

На снижение энергии связей между частицами металла влияет загрязненность потока транспортируемой среды частицами абразивного материала. Эта загрязненность учитывается величиной коэффициента K (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1).

Учитываемые параметры (кроме коэффициента K) являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению времени ресурса τ металла в секундах. В связи с тем что год содержит 3,1536·107 секунд, эта величина находится в знаменателе, и определяемая величина ресурса металла по данной формуле обозначается в годах.

Указанная формула объективно отражает процесс уменьшения энергии Ем межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода (т.е. его деградацию) и поэтому при определении по ней ресурса τ металла достигается повышенная точность расчетов, которая достаточна для принятия инженерных решений.

Технический прием, заключающийся в том, что величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла определяют опытным путем, позволяет найти эту величину для различных марок (сортов) металла трубопроводов, эксплуатирующихся в различных условиях: климатических (тропики, приполярье, заполярье и т.д.), горных, пустынных, болотистых, морских, надземных, подземных и пр., что в конечном итоге позволяет более точно определять ресурс металла трубопровода.

Величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла для следующих марок сталей определяют опытным путем, и она для следующих марок сталей найдена в пределах:

для марки стали 09Г2С - от 0,084 до 0,3 H/(м2·с), Дж/(м3·с);

для марки стали 14ХГС - от 0,028 до 1,0 H/(м2·с), Дж/(м3·с);

для марки стали 17ГС - от 0,055 до 0,3 H/(м2·с), Дж/(м3·с);

для марки стали Ст.4 - от 0,012 до 0,07 H/(м2·с), Дж/(м3·с),

где максимальные величины определены для сталей, эксплуатирующихся в тяжелых условиях (в местностях с большими сезонными перепадами температур, часто меняющихся давлении и температуры текучей среды и пр.).

Определение величины расхода Ет (Дж/с) энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, по формуле

позволяет рассчитать эту величину в зависимости:

во-первых, от физических газовых постоянных, характеризующих тип газа:

- показателя адиабаты газа k;

- молярной газовой постоянной Rconst=8,314 Дж/(моль·К);

- молярной массы газа m, кг/моль;

- интегрального эффекта Джоуля-Томпсона , град/Па;

- изобарной теплоемкости газа Ср, Дж/(кг·К);

во-вторых, от параметров газообразной среды:

- массового расхода газообразной среды G, кг/с;

- исходной температуры газообразной среды T1, К;

- исходного давления газообразной среды Р1, Па;

- давления P2 газообразной среды в конце расчетного участка трубопровода, Па;

- угла α натекания потока на поверхность стенки трубопровода, градус.

в-третьих, от геометрических параметров трубопровода:

- средней шероховатости δ поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

- периметра П внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;

- длины S трубопровода, м;

- внутреннего диаметра Dв трубопровода, м.

Шероховатость стенки трубопровода δ, его длина S, диаметр Dв, a следовательно, и периметр П поперечного сечения противодействуют движению потока транспортируемой среды и энергия последнего расходуется на преодоление их сопротивления. В величине шероховатости δ учитываются также все неровности трубопровода, например, такие как сварные швы, стыки и пр.

Расход энергии Ет текучей среды, идущей на уменьшение энергии Ем межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода, зависит от угла α натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода. При α=90° влияние расхода энергии Ет максимально, а при α=0 ее действие от натекания потока на стенку стремится к нулю. Т.е. с уменьшением величины угла натекания потока соответственно снижается и влияние расхода энергии Ет на уменьшение энергии Ем связей между частицами металла. Однако необходимо отметить то, что угол натекания α присутствует даже в потоке среды, движущейся параллельно поверхности трубы, т.к. всегда имеются: некоторая волнообразность поверхности, конусности прямая и обратная, а также прочие несовершенства труб, зависящие от их изготовления. Величину угла α натекания потока 1 на стенку 2 (фиг.1) определяют по формуле (см. Математика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. Ю.В.Прохоров - М.: Большая Российская энциклопедия - 2000 - с.301)

,

где l - длина дуги (м) между двумя ближайшими точками 3 и 4 соприкосновения касательных 5 и 6 с кривой поверхностью стенки 2;

r - радиус дуги, м.

Выражение суммы в первых круглых скобках отражает влияние геометрических параметров трубопровода и угла натекания потока на величину Ет.

Кроме того, величина расхода Ет энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии Ем связей металла в стенке трубопровода, зависит от физических свойств газа. Эти свойства учитываются взаимосвязью, выраженной отношением произведения показателя адиабаты k и универсальной газовой постоянной Rconst к произведению молекулярной массы m газа и разности показателя адиабаты k и 1. Чем больше молярная масса m и величина показателя адиабаты k газа, тем больше расход энергии для его перемещения и выше величина расхода Ет.

Также величина расхода Ет энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии Ем связей металла в стенке трубопровода, зависит от массового расхода G среды. Чем больше расход, тем больше нагрузка на стенки трубопровода, и зависимость между величинами Ет и G прямо пропорциональная.

Еще величина расхода Ет энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии Ем связей металла в стенке трубопровода, зависит от исходной температуры газообразной среды Т1. С повышением температуры потока газообразной среды, согласно закону Менделеева-Клапейрона, объем среды, а следовательно, ее объемный расход и скорость возрастают, что негативно действует на металл стенок трубопровода. Чем выше температура, тем больше нагрузка на стенки трубопровода, и зависимость между величинами Ет и T1 прямо пропорциональная.

Алгебраическое выражение в квадратных скобках учитывает влияние потерь давления газообразной среды на всем расчетном участке трубопровода, идущее на уменьшение энергии связей между частицами металла.

Величина вычитаемого второго произведения в фигурных скобках является энергией, которая диссипируется за счет интегрального эффекта Джоуля-Томпсона и не участвует в действии на металл стенок трубопровода.

Учитываемые параметры, кроме показателя адиабаты k, являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению величины расхода Ет энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, в Дж/с.

Определение величины расхода Ет энергии текучей жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, по формуле

позволяет рассчитать эту величину в зависимости от геометрических параметров трубопровода и параметров жидкостной текучей среды, а именно от

- средней шероховатости δ поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;

- периметра П поперечного сечения расчетного участка трубопровода, м;

- длины S трубопровода, м;

- внутреннего диаметра Dв трубопровода, м;

- угла α натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;

- массового расхода L жидкостной среды, кг/с;

- исходного давления Р1 жидкостной среды, Па;

- давления Р2 в конце расчетного участка трубопровода, Па;

- плотности ρL жидкостной среды, кг/м3.

Как уже указывалось выше, расход Ет энергии текучей среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, зависит от геометрических параметров трубопровода δ, П, S, Dв. Кроме того, величина расхода энергии Ет при α=90° максимальна, а при α=0 ее действие от натекания потока на стенку стремится к нулю. Сумма величин отношения и Sin α объективно отражает их влияние на величину Ет.

Отношение произведения массового расхода жидкостной среды L на разность исходного давления Р1 и давления Р2 в конце расчетного участка трубопровода к плотности ρL жидкостной среды является полной энергией, которая затрачивается на перемещение этой среды по расчетному участку трубопровода. Произведение первой скобки на вторую является величиной расхода Ет энергии жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода.

Все учитываемые в рассматриваемой формуле параметры являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению величины расхода Ет энергии жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, в Дж/с.

Авторам не известны способы определения ресурса металла трубопроводов или корпусов сосудов и аппаратов, в которых увеличение точности достигалось бы указанным выше способом.

Практическая реализация предлагаемого способа определения ресурса металла трубопровода представлена примерами для элементов трубопроводов, транспортирующих газ или нефть.

ПРИМЕР 1

Предлагаемый способ определения ресурса металла прямого участка газопровода осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры газопровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·108 Н/м2 (Дж/м3);

- наружный диаметр трубопровода Dн=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода Dв=0,513 м;

- длина трубопровода S=2850 м;

- объем металла в стенке трубопровода Vм=37,2994 м3;

- среднюю шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемого газа (природного):

- давление в начале трубопровода P1=3,6·106 Па (Дж/м3);

- давление окружающей среды Р0=1,02·105 Па (Дж/м3)

- расход газа G=1800 кг/с;

- молекулярную массу газа М=0,019,87 кг/моль;

- молярную газовую постоянную Rconst=8,314 Дж/(моль·К);

- показатель адиабаты газа k=1,29;

- изобарную теплоемкость газа Ср=2215 Дж/(кг·К);

- температуру газа в начале трубопровода T1=288 К;

- плотность газа при рабочих условиях ρG=29,9 кг/м3;

- скорость движения газа WG=29,2 м/с;

- динамическую вязкость газа µ=1·10-5 Н·с/м2;

- интегральный эффект Джоуля-Томпсона =3,5·10-6 град/Па;

- загрязненность газа абразивным материалом, при концентрации 20 мг/м3 газа К=1,18;

- величину угла α=1·10-3 град натекания потока на поверхность стенки.

Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии связей между частицами металла от времени b=0,15 H/(м2·с), [Дж/(м3·с],

Рассчитывают:

- энергию межкристаллитных связей между частицами металла

Eм=σ·Vм=1,86·1010Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей и внешней сред

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

Eτ=b·Vм=5,595 Дж/с;

- скорость движения транспортируемой газообразной среды

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления (для участков более 100 м)

- коэффициент гидравлического сопротивления

- давление в конце расчетного участка трубопровода

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

ПРИМЕР 2

Предлагаемый способ определения ресурса металла для поворота газопровода (фиг.2) осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры газопровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·108 Н/м2 (Дж/м3);

- наружный диаметр трубопровода Dн=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода Dв=0,513 м;

- длина поворотного участка S=9,42 м;

- радиус поворота r=3 м.

- длина дуги l=0,25 м между двумя ближайшими точками 3 и 4 (фиг.1) соприкосновения касательных 5 и 6 с кривой поверхностью стенки;

- угол поворота β=90° (фиг.2);

- объем металла в стенке трубопровода Vм=0,123 м3;

- среднюю шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемого газа (природного):

- давление в начале трубопровода P1=3,6·106 Па (Дж/м3);

- давление окружающей среды P0=1,02·105 Па (Дж/м3)

- расход газа G=1800 кг/с;

- молекулярную массу газа М=0,019,87 кг/моль;

- молярную газовую постоянную Rconst=8,314 Дж/(моль·К);

- показатель адиабаты газа k=1,29;

- изобарную теплоемкость газа Ср=2215 Дж/(кг·К);

- температуру газа в начале трубопровода T1=288 К;

- плотность газа при рабочих условиях ρG=29,9 кг/м3;

- скорость движения газа WG=29,2 м/с;

- динамическую вязкость газа µ=1·10-5 Н·с/м2;

- интегральный эффект Джоуля-Томпсона =3,5·10-6 град/Па;

- загрязненность газа абразивным материалом, при концентрации 20 мг/м3 газа K=1,18;

- величину угла α=1·103 град натекания потока на поверхность стенки.

Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии межкристаллитных связей металла от времени b=0,15 Н/(м2·с), [Дж/(м3·с].

Рассчитывают:

- энергию связей между частицами металла

Ем=σ·Vм=6,16·107 Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

Еτ=b·Vм=0,0185 Дж/с;

- скорость движения транспортируемой газообразной среды

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления

- коэффициент гидравлического сопротивления

- давление в конце участка

- угол натекания

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

ПРИМЕР 3

Предлагаемый способ определения ресурса металла прямого участка нефтепровода осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры нефтепровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·108 Н/м2 (Дж/м3);

- наружный диаметр трубопровода Dн=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода Dв=0,513 м;

- длина трубопровода S=2850 м;

- объем металла в стенке трубопровода Vм=37,2994 м3;

- средняя шероховатость поверхности труб δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемой нефти:

- давление в начале трубопровода P1=3,6·106 Па (Дж/м3);

- давление окружающей среды P0=1,02·105 Па (Дж/м3);

- расход L=350 кг/с;

- теплоемкость CL=2350 Дж/(кг·К);

- температуру в начале трубопровода T1=300 К;

- плотность ρL=750 кг/м3;

- скорость движения WL=2,26 м/с;

- динамическая вязкость µL=2,51·10-3 Н·с/м2;

- загрязненность абразивным материалом К=1,2;

- величину угла α=1·10-3 град натекания потока на поверхность стенки. Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии связей между частицами металла от времени b=0,15 [Дж/(м3·с], H/(м2·с).

Рассчитывают:

- энергию связей между частицами металла

Ем=σ·Vм=1,86·1010 Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды;

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

Еτ=b·Vм=5,595 Дж/с

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления

- давление в конце участка

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

ПРИМЕР 4

Предлагаемый способ определения ресурса металла для поворота нефтепровода (фиг.2) осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры нефтепровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·108 Н/м2 (Дж/м3);

- наружный диаметр трубопровода Dн=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода Dв=0,513 м;

- длина поворотного участка S=9,42 м;

- радиус поворота r=3 м;

- длина дуги l=0,25 м между двумя ближайшими точками 3 и 4 (фиг.1) соприкосновения касательных 5 и 6 с кривой поверхностью стенки;

- угол поворота β=90° (фиг.2);

- объем металла в стенке трубопровода Vм=0,123 м3;

- среднюю шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой δ=0,0005 м.

Определяют основные параметры транспортируемой нефти:

- давление в начале трубопровода P1=3,6·106 Па (Дж/м3);

- давление окружающей среды P0=1,02·105 Па (Дж/м3);

- расход L=350 кг/с;

- теплоемкость CL=2350 Дж/(кг·К);

- температуру в начале трубопровода Т1=300 К;

- плотность ρL=750 кг/м3;

- скорость движения WL=2,26 м/с;

- динамическая вязкость µL=2,51·10-3 Н·с/м2;

- загрязненность абразивным материалом К=1,2;

Дополнительно определяют:

- скорость снижения энергии связей между частицами металла от времени b=0,15 H/(м2·с) [Дж/(м3·с].

Рассчитывают:

- энергию связей между частицами металла

Ем=σ·Vм=6,16·107 Дж

- энергию напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды;

- расход энергии, идущей на уменьшение межкристаллитных связей в металле стенки от времени

Еτ=b·Vм=0,0185 Дж/с

- число Рейнольдса

- коэффициент сопротивления

- коэффициент гидравлического сопротивления

- давление в конце участка

- угол натекания

- расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды

- ресурс металла

1. Способ определения ресурса металла трубопровода, включающий определение основных механических и геометрических параметров стенок трубопровода (временного сопротивления металла разрыву и диаметров внутреннего и внешнего), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненности механическими примесями) и определение ресурса металла по расчетной формуле, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину скорости снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и рассчитывают величину расхода энергии этих связей от времени по формуле
Eτ=b·Vм,
где b - скорость снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, Н/(м2·с), Дж/(м3·с),
Vм - объем металла в стенке трубопровода, м3;
а ресурс металла определяют по формуле
,
где Ем - энергия связей между частицами металла в стенке, Дж;
Eu - энергия напряжения в стенке при действии на нее разности давлений текучей среды и внешней среды, Дж;
Eτ - расход энергии связей между частицами металла от времени, Дж/с;
Eт - расход энергии, действующей на стенки от перемещения текучей среды, Дж/с;
К - коэффициент загрязненности потока частицами абразивного материала, учитываемой величиной коэффициента (чистый поток К=1; загрязненный поток К>1);
3,1536·107 - количество секунд в году.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину b скорости снижения межкристаллитных связей между частицами металла определяют опытным путем, и она для следующих марок сталей найдена в пределах:
- 09Г2С - от 0,084 до 0,3 Н/(м2·с), Дж/(м3·с);
- 14ХГС - от 0,028 до 1,0 H/(м2·с), Дж/(м3·с);
- 17ГС - от 0,055 до 0,3 H/(м2·с), Дж/(м3·с);
- Ст.4 - от 0,012 до 0,07 Н/(м2·с), Дж/(м3·с).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину расхода Ет энергии текучей газообразной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла в стенке трубопровода, определяют по формуле
,
где δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;
Dв - внутренний диаметр трубопровода, м;
S - длина трубопровода, м;
П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;
α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;
k - показатель адиабаты газа;
Rconst=8,314 Дж/(моль·К) - молярная газовая постоянная;
G - массовый расход газообразной среды, кг/с;
T1 - исходная температура газообразной среды, К;
m - молярная масса газа, кг/моль;
Р1 - исходное давление газообразной среды, Па;
Р2 - давление газообразной среды в конце расчетного участка трубопровода, Па;
Ср - изобарная теплоемкость газа, Дж/(кг·К);
- интегральный эффект Джоуля-Томпсона, град/Па.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину расхода Ет энергии текучей жидкостной среды, идущей на уменьшение энергии связей металла трубопровода, определяют по формуле
,
δ - средняя шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, м;
Dв - внутренний диаметр трубопровода, м;
S - длина трубопровода, м;
П - периметр внутреннего поперечного сечения трубопровода, м;
α - угол натекания потока текучей среды на поверхность стенки трубопровода, градус;
L - массовый расход жидкостной среды, кг/с;
P1 - исходное давление среды, Па;
P2 - давление в конце расчетного участка трубопровода, Па;
ρL - плотность жидкости, кг/м3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике определения лабораторными методами прочностных и деформационных характеристик различных материалов под контролируемой трехосной статической и/или динамической нагрузкой, например, грунтов при инженерных изысканиях в строительстве.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам и устройствам для динамического испытания пластинчатых образцов, имеющих упругие свойства, и может быть использовано для оценки циклической прочности материалов.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для количественной оценки натурных наблюдений геомеханической роли закладочного массива (ЗМ) при его взаимодействии с породными целиками (ПЦ) различного производственного назначения.

Изобретение относится к пищевой промышленности. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств тончайших пленочных материалов. .

Изобретение относится к испытанию на механическую нагрузку трубчатых образцов. .

Изобретение относится к области исследования и экспертизы пожаров и может быть использовано для выявления зон термических поражений при поисках очага пожара путем определения на месте пожара степени термического поражения участков обгоревшей электропроводки или иных проволочных изделий, изготовленных методом холодной деформации, при этом определяемым физическим параметром является усилие изгиба проволоки, которое измеряют в различных точках, а зону наибольших термических поражений выявляют по экстремально низким значениям данного параметра.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения предела длительной прочности горных пород на образцах. .

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендовому оборудованию, предназначенному для гидроиспытаний корпусов ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) на внутреннее давление

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к испытаниям на прочность неразъемных механических соединений, образованных пластической деформацией материала трубы, размещенного в полости имитатора

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов

Изобретение относится к области производства буровых алмазных долот, а именно к входному контролю качества алмазных зубков

Изобретение относится к технике испытаний труб для магистральных газопроводов

Изобретение относится к диагностированию сосудов, работающих под действием статических и малоцикловых нагрузок от внутреннего избыточного давления, и может быть использовано для оценки прочности сосудов при диагностировании с учетом фактических параметров нагруженности их конструктивных узлов и элементов. Стенд содержит корпус, нижнюю опору, патрубки, механизм нагружения. Корпусом служит уменьшенная модель исследуемого сосуда со штуцерным узлом, состоящим из патрубка и обечайки, а механизмом нагружения является насос, связанный с патрубком подвода жидкости через поршневой гидроцилиндр. Штуцерный узел снабжен тремя тензорезисторами, соединенными с тензостанцией, и установленными один на наружную поверхность обечайки на расстоянии 3-5 мм от сварного шва, второй на внутренней поверхности патрубка в точке пересечения образующих внутренних поверхностей обечайки и патрубка, а третий - на внутреннем торце патрубка. На корпусе и насосе установлены манометры. Технический результат: достоверная оценка фактической нагруженности оборудования, а также уменьшение погрешности оценки прочности и ресурса сосудов и аппаратов, непосредственное испытание которых затруднительно или даже невозможно в виду того, что они находятся в эксплуатации и (или) испытание их натурных конструкций имеют высокую трудоемкость. 3 ил.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к стендам, которые предназначены для проведения гидроиспытаний корпусов ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ). Стенд содержит имитатор корпуса сопла и разгрузочное устройство с двумя поршнями и цилиндрами разных диаметров, поршень меньшего диаметра расположен в цилиндре, выполненном в поршне большего диаметра, цилиндр которого через имитатор корпуса сопла связан с задним фланцем корпуса. Технический результат заключается в сокращении длительности и стоимости проведения гидроиспытаний корпуса РДТТ. 4 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Центробежная установка содержит корпус, установленные на нем вал с приводом вращения, гидроцилиндр, закрепленный на валу перпендикулярно его оси, размещенные в гидроцилиндре поршень, фиксатор положения поршня в гидроцилиндре, захват для соединения с торцом образца, закрепленный на поршне в подпоршневой полости, и источник среды, соединенный с подпоршневой полостью гидроцилиндра посредством входного отверстия в гидроцилиндре. Источник среды выполнен в виде второго гидроцилиндра с поршнем и штоком, заполненного средой и соединенного с входным отверстием первого гидроцилиндра, и механизма возвратно-поступательного перемещения штока, при этом средой является жидкость или газ. Технический результат: расширение функциональных возможностей установки путем проведения испытаний как при постоянном, так и при циклическом объемном или плоском нагружении с неравномерным распределением нагрузки и с перемещением зоны нагружения по длине образца с обеспечением переходов от нагружения растягивающими массовыми нагрузками к нагружению сжимающими массовыми нагрузками и с регулированием величины зоны распространения неравномерного распределения нагрузки по длине образца в ходе испытаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике. Призматический образец имеет форму призмы, продольную и поперечную плоскости симметрии, два боковых выступа, расположенных продольно, по концам призмы - опорные поверхности, а в центральной ее части - поверхность нагружения поперечной испытательной нагрузкой. Призматический образец дополнительно снабжен наклонными опорными поверхностями, расположенными на боковых продольных выступах призмы и характеризуемыми углами наклона к продольной плоскости симметрии призмы 5…20°. Технический результат: упрощение и снижение стоимости процесса испытания призматического образца с концентраторами механических напряжений при сложном напряженном состоянии, а также обеспечение необходимой точности моделирования вида напряженно-деформированного состояния материала конструкции в очаге его разрушения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к лабораторному моделированию в геофизике с применением электрогидравлического, программно управляемого пресса и может быть использовано для исследований процессов разрушения горных пород с целью отработки методик и алгоритмов прогнозирования сейсмической опасности в природных массивах. Сущность: на начальном этапе ступенчато через заданные равные интервалы времени смещают положение плиты пресса на заданное значение. На каждой ступени регистрируют поток акустической эмиссии, выделяют одиночные акустические события, определяют интенсивность потока акустической эмиссии. При достижении интенсивности акустической эмиссии заданного значения уменьшают на каждой следующей ступени величину смещения положения плиты пресса, поддерживая интенсивность акустической эмиссии на заданном уровне. При достижении величины ступенчатого смещения положения плиты пресса минимально допустимого значения и превышении интенсивности акустической эмиссии заданного значения при каждом следующем ступенчатом смещении увеличивают интервалы времени смещения положения плиты пресса. При последующем снижении интенсивности акустической эмиссии ниже заданного значения уменьшают интервалы времени смещения положения плиты пресса до заданного на начальном этапе значения. Технический результат: увеличение количества акустических событий при разрушении зерен горной породы, фиксируемых в процессе испытания образца. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх