Эксплуатационный опыт показывает, что в 60 % случаев причинами разрыва трубопроводов различного назначения являются гидроудары, перепады давления и вибрации, в 25 % случаев – коррозионные процессы, в 15 % – случаев природные явления и форс-мажорные обстоятельства [1]. Вынужденные колебания вызывают появление трещин в основном металле и сварных швах, разрушение трубопровода, обрыв подвесок и усталостное разрушение опор, обрыв присоединенных импульсных трубок, ослабление болтовых соединений, ложное срабатывание арматуры, отказ концевых выключателей. В настоящий момент для повышения срока службы трубопроводов используются различные способы борьбы с вибрацией – от увеличения толщины стенки трубопровода до сложных демпфирующих опор, однако используемые на данный момент методы являются недостаточно эффективными и зачастую не находят применения из-за высокой стоимости реализации. Одним из возможных решений данной проблемы является замена трубопроводов, изготовленных из сталей различного сортамента, на неметаллические композиты. В нефтегазовой отрасли использование композитных труб на данный момент ограничивается насосно-компрессорными трубами, обсадными колоннами, а также элементами трубопроводов, предназначенных для транспортировки многофазных и высокосернистых нефтей [2]. Однако малоизученным является вопрос характера распространения вибраций в неметаллических трубопроводах. В данной работе рассматривается исследование динамики и характера вибраций в зависимости от частот, прикладываемых к образцам из неметаллических композиционных материалов различных конфигураций.
Методика проведения испытаний заключается в проведении физического эксперимента с образцами, изготовленными из стеклопластика и углепластика, а также различных комбинаций. Образцы изготовлены с применением технологии ручной формовки [3]. В свою очередь, образцы имитируют вырезанный сектор трубопровода. В качестве наполнителя были использованы углеткань и стеклоткань прямого плетения (Plain) как наиболее подходящие для применения в трубопроводном транспорте, а в качестве матрицы использовалась эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем Этал-45М. Одинарные (не комбинированные) образцы имеют одинаковые геометрические параметры, где длина образца равна 250 мм, ширина – 20 мм, толщина – 5 мм. Комбинированные образцы отличаются толщиной кратной 5. На рисунке № 1 представлено фото образцов перед проведением испытаний.
Для проведения сравнительного анализа вибрационных параметров стального образца с образцами из неметаллов были изготовлены образцы с условным обозначением: у (углепластиковый образец), С (стеклопластиковый образец), СТ (образец из Стали 45).
Для получения зависимости вибрационных параметров образца от изменения толщины образца были изготовлены образцы с условным обозначением: У-У (два склеенных между собой углепластиковых образца), С-С (два склеенных между собой стеклопластиковых образца), У-У-У (три склеенных между собой углепластиковых образца), С-С-С (три склеенных между собой стеклопластиковых образца).
Для исследования зависимости вибрационных параметров образцов с использованием различных по составу наполнителей в составе единого образца были изготовлены образцы с условным обозначением: С-У, У-С, У-С-У, С-У-С, У-С-С-У, У-С-С-С-У, У-С-У-С-У.
Для проведения исследования был изготовлен стенд и разработана методика проведения вибрационных испытаний различных материалов. Подробная схема стенда представлена на рисунке № 2.
Принцип работы установки: генератор частот (1) передает заданную частоту на блок усиления сигнала (6), затем сигнал передается на низкочастотный вибрационный динамик (3), который создает направленные вибрационные импульсы. Эти импульсы действуют на образец, который закреплен на площадке фиксации образца (5), а с другой стороны установлен датчик виброметра. Для устранения нежелательных вибраций используются тросы-демпферы (4), которые поддерживают площадку фиксации образца и закреплены на металлической раме (7). Кулер (2) обеспечивает охлаждение системы. Измерения вибрационных параметров проводятся при помощи сертифицированного виброметра ВК-5М (8).
Методика проведения исследования включала в себя последовательное расположение исследуемых образцов на площадке фиксации и закрепления их с помощью четырех болтов и ответного фланца вибрационного динамика. Диапазон частот составлял от 1 до 300 Гц с шагом в 1 Гц от 1 до 20 ГЦ и с шагом в 10 Гц от 10 до 300 Гц. Для минимизации отклонения проводилось три замера вибрационных параметров на каждой частоте.
В результате проведения испытаний были получены графики зависимости виброускорения, виброперемещения и виброскорости от частоты колебаний поверхности вибрационного динамика. Рассмотрим график зависимости виброускорения исследуемых образцов от частоты колебания и материала образца (рис. 3).
В свою очередь, виброускорение является параметром, описывающим силу инерции, воздействующую на объект под действием вынужденных колебаний. Увеличение инерционных сил, вызывающих неконтролируемые хаотичные колебания, приводит к явлению резонанса.
Проводя анализ рисунка № 3, можно прийти к выводу, что в диапазоне частот от 0 до 140 Гц самые низкие значения виброускорения показал образец С (стеклопластиковый одинарный), в диапазоне частот от 150 до 230 Гц минимальные значения виброускорения показал образец У (углепластиковый одинарный). Образец СТ (Сталь 45) в диапазонах от 0 до 140 Гц и в диапазоне от 150 до 230 Гц показал себя хуже одинарных неметаллических образцов (У и С). Увеличение толщины образцов не оказывает значительного влияния на уменьшение виброускорения, а наоборот, может привести к его увеличению. Это наблюдается на примере образцов УУ, СС, УУУ, ССС.
Рассмотрим график зависимости виброскорости исследуемых образцов от частоты колебания и материала образца (рис. 4).
Значение виброскорости характеризует мощность колебательного процесса, направленного на разрушение деталей. Таким образом, чем выше виброскорость, тем более опасна конструкция для эксплуатации в данном диапазоне частот.
Проводя анализ рисунка № 4, можно сделать вывод, что в диапазоне от 0 до 60 Гц и от 110 до 140 Гц лучший результат показывает образец из стеклопластика (С), однако в диапазоне от 150 до 200 Гц наиболее эффективен углепластиковый образец (У).
Рассмотрим график зависимости виброперемещения исследуемых образцов от частоты колебания и материала образца (рис. 5).
Виброперемещение является показателем половинной амплитуды колебаний, которая напрямую влияет на знакопеременные нагрузки. Образцы из однослойного материала обладают наименьшим значением виброперемещения, что объясняется их высокой жесткостью.
Проводя анализ рисунка № 5, можно прийти к выводу, что полученные данные позволяют определить наиболее оптимальный вариант материала при возникающих в процессе эксплуатации вибрациях в диапазоне частот от 10 до 30 Гц. Образцы У и С эффективнее по сравнению со стальным образцом на 30 % с точки зрения виброперемещения.
Рассмотрим графики зависимости вибрационных параметров от используемого наполнителя и порядка расположения его слоев в составе единого образца (рис. 6–8).
Проводя анализ рисунка № 6, можно прийти к выводу, что в диапазоне от 0 до 50 Гц образцы У-С-У, У-С-С-С-У, У-С-С-У, С-У, С-У-С уступают образцу СТ (Сталь 45) в среднем на 30 %, наиболее эффективным в данном диапазоне оказался образец У-С-У-С-У. В диапазоне от 50 до 150 Гц образцы У-С-У и У-С-У-С-У превосходят образец СТ, наиболее эффективным вновь оказался образец У-С-У-С-У.
Проводя анализ рисунка № 7, можно прийти к выводу, что в диапазоне от 0 до 50 Гц композитные образцы уступают образцу СТ (Сталь 45). В диапазоне от 90 до 140 Гц образец СТ уступает остальным образцам. В диапазоне от 140 до 160 Гц образцы У-С-У-С-У, У-С-С-У, превосходят образец СТ.
Проводя анализ рисунка № 8, можно прийти к выводу, что в диапазоне от 0 до 30 Гц композитные образцы превосходят образец СТ в среднем в 1,5 раза.
Так как виброперемещение, в свою очередь, является двумя амплитудами колебаний тела под воздействием вибрации, полученные данные позволяют оценить приведенные напряжения, возникающие из-за вибраций в трубопроводе.
В рассматриваемом расчете система представляет собой стандартную схему с консольно-закрепленной балкой (рис. 9).
Воспользуемся формулой для нахождения прогиба на конце балки для нахождения силы, прикладываемой к образцам в процессе вибрации [4]:
где – длина прогиба балки, равная амплитуде, l – длина балки, E – модуль Юнга для стали, h – толщина поперечного сечения (равная 5 для рассматриваемых образцов), F – cила приложенная к балке.
Отсюда:
Сила F на протяжении исследования не изменялась, используем формулу для нахождения нормального напряжения:
Где – нормальное напряжение, – момент на конце балки, – длина прогиба балки, – центральный осевой момент инерции для прямоугольно сечения, где h – высота сечения, b – ширина сечения.
Вычислим амплитудное напряжение согласно формуле (4):
где – амплитудное напряжение, – пиковое напряжение в верхней точке амплитуды, – пиковое напряжение в нижней точке амплитуды.
Для исследуемой системы всегда будет равно 0, так как .
Найдем предел выносливости согласно формуле (5):
где – среднее напряжение, – пиковое напряжение в верхней точке амплитуды, – пиковое напряжение в нижней точке амплитуды.
Воспользуемся формулой Марковца для вычисления приведенного напряжения:
где – приведенное напряжение, – амплитудное напряжение, – среднее напряжение.
На рисунке 10 представлен график полученных значений предела выносливости в зависимости от частоты колебаний (в диапазоне от 1 до 50 Гц).
Анализ графика позволяет прийти к выводу, что комбинированные композиционные материалы (применение образцов типа У и С) значительно превосходят стальной образец, а также цельные композиционные образцы по пределу выносливости.
Согласно полученным данным, можно выделить наиболее эффективные типы композиционных материалов в зависимости от диапазона частот:
· В диапазоне частот от 0 до 10 Гц наиболее эффективен композит типа УСУ.
· В диапазоне от 10 до 20 Гц наиболее эффективен композит типа УССУ.
· В диапазоне от 20 до 30 Гц наиболее эффективен композит типа УСССУ.
· В диапазоне от 20 до 30 Гц наиболее эффективен композит типа УСССУ.
· В диапазоне от 30 до 40 Гц наиболее эффективен образец из Стали 45.
· В диапазоне от 40 до 50 Гц наиболее эффективен образец из Стали 45.
· В диапазоне от 50 до 300 Гц результаты расчета приведенных напряжений отличаются на величину погрешности измерений.
Рассмотрим эффективность комбинированных образцов в зависимости от длины трубопровода (балки) l, приняв частоту колебаний равную 20 Гц, как наиболее распространенную (рис. 11).
Полученные данные позволяют сделать вывод, что при использовании комбинированных композиционных образцов взамен стальных предел выносливости для трубы увеличивается на 25 % при расстоянии между опорами от 2 до 4 метров, что говорит об эффективности применения композиционных материалов при данном межопорном промежутке. Наиболее эффективной применяемой конфигурацией является образец УССУ.
Литература
1. Куликов, В. Предотвращать, а не ликвидировать последствия // Мировая энергетика. – 2008. – № 2. – С. 20–21.
2. Гаврилюк Ю.А., Агафонов А.А., В.К. Миллер В.К. Опыт применения стеклопластиковых НКТ на месторождениях ОАО «Удмуртнефть» / Научно-технический вестник ОАО «НК «Роснефть» выпуск 34 – 2014. С. 92.
3. Батаев А.А., Композиционные материалы. Строение, получение, применение: учебник / А.А. Батаев, В.А. Батаев. – Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2002. – 383 с.
4. Сопротивление материалов / В.А. Лукьянов, А.Г. Молчанов, В.Г. Пирожков [и др.]. Том Часть 1. – Москва: Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина, 2006. – 123 с.
5. Изучение угла поворота слоя-матрицы в неметаллических композитах при изготовлении труб и резервуаров для сжиженного природного газа / А.К. Прыгаев, Ю.С. Дубинов, Д.А. Корниенко, А.Н. Галанский // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2023. – № 1 (141). – С. 214–222.
6. Метод неразрушающего контроля линейной части труб малого диаметра, осуществляемый путем оценки собственных низкочастотных вибраций / Ю.С. Дубинов, Ф.С. Кербников, С.А. Савельева, А.А. Березняков // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2022. – № 4 (130). – С. 52–58.
