Ключевые слова: полимерные трубопроводы, вынужденные колебания в полимерах, вибрации в неметаллах, неметаллические трубопроводы, виброустойчивость полимеров.
На сегодняшний момент повышенный уровень вибраций является одной из основных причин отказа трубопроводов в нефтегазовой отрасли [1–4]. В условиях роста популярности применения полимерных трубопроводов, возникает закономерный вопрос о их вибрационной устойчивости. В нефтегазовой отрасти для изготовления полимерных труб или вставок используются следующие материалы [5–7]:
-
ПВХ (поливинилхлорид) используется в качестве материала труб для транспортировки нефти и газа в насосно-компрессорных станциях из-за их высокой коррозионной стойкости и низкой плотности.
-
ПНД (полиэтилен низкого давления) используется в качестве материала труб для транспортировки нефтей с высоким содержанием серы и других агрессивных веществ из-за их высокой химической стойкости.
-
ПП (полипропилен) используется в качестве материала обсадных колонн для бурения нефтяных и газовых скважин из-за высокой устойчивости к коррозии.
Для имитации воздействия вынужденных колебаний был изготовлен стенд (рис. 1).
На рисунке 2 изображено положение трубы в момент проведения испытаний.
По итогам испытаний были получены графики зависимости виброускорения, виброскорости и виброперемещения для каждого материала (рис. 3).
Виброперемещение является наиболее показательным параметром, характеризующим половинную амплитуду колебаний, которая напрямую влияет на знакопеременные нагрузки, действующие на материал. Полученные графики позволяют прийти к выводу, что максимальные знакопеременные нагрузки возникают в диапазоне частот от 0–50 Гц для всех типов материалов.
В рамках данного эксперимента система представляет собой закрепленную балку (рис. 4).
Для определения силы F, которую вибродинамик оказывает на образцы, воспользуемся способом Верещагина для выбранной системы расчета:
где ба – длина прогиба балки, l – длина балки, E – модуль Юнга для исследуемого материала, J – центральный осевой момент инерции для кольцевого сечения.
Так как сила, с которой вибрационный динамик на определенной частоте действует на образцы, известна, используем формулу для нахождения нормального напряжения:
где М – момент на конце балки, бa – длина прогиба балки, J – центральный осевой момент инерции для кольцевого сечения.
В рассматриваемой задаче 
Воспользуемся формулой для нахождения среднего напряжения:
где 
– пиковое напряжение в верхней точке амплитуды, 
– пиковое напряжение в нижней точке амплитуды.
По формуле Марковца найдем приведенные напряжения:
где
- приведенное напряжение,
- амплитудное напряжение,
- среднее напряжение.
В результате вычислений были получены графики зависимости приведенных напряжений от частоты колебаний вибродинамика для исследуемых материалов. Так как тенденция изменения приведенных напряжений в зависимости от наполнителя является идентичной, наиболее показательной является зависимость приведенных напряжений от частоты для пустых труб (без наполнителя) (рис. 5).
Анализируя полученные результаты расчета, авторы пришли к выводу, что приведенные напряжения в диапазоне частот 1–50 Гц в среднем:
· в трубе из ПНД в два раза ниже стального аналога,
· в трубе из ПП на 60 процентов ниже стального аналога,
· в трубе из ПВХ сопоставима со стальным аналогом.
В результате исследования авторы пришли к заключению, что с точки зрения виброустойчивости наиболее эффективным решением является применение труб из ПНД и ПП.
Литература
1. Vibration of pipelines under flexural dynamic loads / D. Pavlou // Pipeline Science and Technology. – 2018. – № 1. – P. 143–151.
2. Dynamic response of pipelines under impact and harmonic loading / D. Pavlou, J. Correia // Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Maritime Engineering. – 2019. – № 172. – P. 1–24.
3. Распространение вибраций в неметаллических композитах в составе трубопроводного транспорта / Д.А. Корниенко, Ю.С. Дубинов, А.Н. Галанский // Деловой журнал Neftegaz.RU. – 2023. – № 8 (140). – С. 106–110.
4. Куликов, В. Предотвращать, а не ликвидировать последствия // Мировая энергетика. – 2008. – № 2. – С. 20–21.
5. Transport Behavior of Pure and Mixed Gas through Thermoplastic-Lined Pipes Materials / D. Zhang, L. Houbu, D. Nan. [et al.] // Journal of Testing and Evaluation. – 2024. – № 52. – P. 2503–2514.
6. Experimental investigation of buried flexible HDPE pipe / R. Rajkumar // Gradjevinski materijali i konstrukcije. – 2024. – № 67. – P. 14.
7. Alternatives to Steel Pipes in the Oil and Gas Industry / A. Tolmachev, S. Tolmacheva // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2020. – P. 1–7.
