Нагрузки и перемещения в трубопроводах для криогенных сред

Ключевые слова: сжиженный природный газ, криогенные технологии, цифровые технологии, прочностной расчет, проектирование трубопроводов, расчет фланцев трубопроводов, управление фланцами.

ГОСТ 32388-2013 «Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия» [1].

Основные положения стандарта:

• Область применения. Стандарт применяется к технологическим трубопроводам, используемым в различных отраслях, включая нефтегазовую, химическую и другие, где требуется высокая надежность и безопасность.
  
  
• Нормы расчета на прочность. Определяет методы, которые должны использоваться для расчета прочности трубопроводов при различных условиях эксплуатации, учитывая механические нагрузки и воздействия, которым они могут подвергаться.
  
  
• Вибрации. Регламентирует методы анализа вибрационных нагрузок на трубы, включая источники вибраций, их влияние на конструкцию трубопроводов и меры по снижению негативных эффектов.
  
  
• Сейсмические воздействия. Подробно описывает требования к расчету устойчивости трубопроводов к потенциальным сейсмическим воздействиям, что особенно важно в регионах с высокой сейсмической активностью.

Очень важным для настоящего исследования является ГОСТ Р 52857.4-2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений» [2].

Основные положения стандарта:

• Область применения. Стандарт применяется к фланцевым соединениям, использующимся в сосудах и аппаратах, работающих под давлением, кроме тех, которые регулируются другими стандартами. Это может включать различные сферы, такие как химическая, нефтегазовая и энергетическая отрасли.
  
  
• Нормы расчета на прочность. Описывает методы и формулы, которые необходимо использовать для определения прочности фланцевых соединений при различных условиях эксплуатации. Учитываются такие параметры, как давление, температура, условности установки и материалов, из которых изготовлены фланцы и соответствующие детали.
  
  
• Герметичность. Позволяет оценить герметичность соединений, опираясь на механические характеристики материалов и конструктивные особенности фланцев. Рассматриваются различные методы испытаний и расчеты, которые помогут избежать утечек.
  
  
• Допустимые нагрузки и нагрузки при эксплуатации. Определяет допустимые нагрузки, которые соединение может выдерживать без нарушения своей целостности, а также специальные условия, которые могут привести к перерасходу допустимых значений.

Объектами настоящего исследования являются элементы трубопроводной сети, описанные в ГОСТ 33259-2015 «Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250. Конструкция, размеры и общие технические требования» [3].

Основные положения стандарта:

• Область применения. Регламент применим к фланцам, предназначенным для использования в соединениях, где рабочее давление не превышает значение 250 бар. Стандарт охватывает фланцы различных типов и конструкций.
  
  
• Конструкция фланцев. Описывает основные конструктивные элементы фланцев и их назначение, включая выбор материала, толщину, форму и дополнительные элементы, такие как прокладки и крепежные детали.
  
  
• Размеры и стандарты. Предоставляет детальные размеры фланцев, включая диаметр, количество и размер отверстий под болты для закрепления. Установлены единые требования к размерам, что обеспечивает совместимость фланцев разных производителей.
  
  
• Общие технические требования. Регламентирует требования к качеству материалов, обработке и испытаниям фланцев. Определяются методы контроля и проверки, необходимые для обеспечения надежности и долговечности фланцевых соединений.
  
  
• Документация. Стандарт также уточняет требования к документации, которая должна сопровождать фланцы, включая сертификаты на материалы и протоколы испытаний.
  
  
• Тем не менее, Российские национальные стандарты охватывают лишь отдельные аспекты трубопроводных систем и не предлагают комплексных методик для расчета термических напряжений, возникающих в результате пусковых операций и эксплуатации низкотемпературных трубопроводов как части единой системы.

В настоящее время при расчетах трубопроводных систем исследователи, инженеры и конструкторы используют различные программные пакеты и авторское программное обеспечение. Они предоставляют инструменты для моделирования и анализа сложных термодинамических процессов – стационарных, нестационарных, циклических, а также для расчета прочностных характеристик трубопроводных систем.

Данные программные продукты позволяют инженерам создавать виртуальные прототипы, проводить численные эксперименты и оптимизировать конструкцию рабочих элементов, что уменьшает необходимость в физических испытаниях и сокращает время и затраты на разработку.

Следует отметить, что все описанные инструменты, как правило, используют одинаковый набор физико-математических моделей и методов численного решения. Определяющим фактором, по мнению авторов, является доступность отечественных программ, внесенных в Реестр российского программного обеспечения.

Расчетная схема определения нагрузок и смещений трубопроводной системы

Процессы формирования напряженно-деформирования состояния (НДС) в трубопроводной системе и ее элементах с учетом влияния дополнительных нагрузок (термических напряжений), возникающих в результате особенностей теплообмена при контакте с криогенными жидкостями, описываются системами уравнений механики сплошной среды и теплопередачи.

Основные факторы, влияющие на НДС криогенных трубопроводов.

1. Механические нагрузки, возникающие вследствие:

• Влияния внутреннего давления транспортируемой среды (СПГ, жидкий азот, кислород, водород и др.).
  
  
• Гравитационного воздействия веса конструкции, включая изоляцию и транспортируемую среду.
  
  
• Вибрационного и динамического воздействия от работы насосов, компрессоров, внешних источников (данный фактор в представленном исследовании исключен, так как хорошо изучен и не оказывает значительного влияния на результаты).
  
  

2. Результаты (особенности) работы системы в криогенных условиях:

• Охлаждение до криогенных температур (ниже −150 °C), приводящее к значительному сокращению размеров элементов конструкций (под значительным сокращением размеров подразумевается деформационные сдвиги в пределах 5...25 мм, чего оказывается достаточно для разгерметизации фланцевого соединения трубопровода со средой СПГ), вследствие чего формируются термические напряжения.
  
  
• Величины термических напряжений, формирующихся по причине неравномерных деформаций, являющихся результатом воздействия градиентов температур, возникающих вследствие существенно нестационарных явлений захолаживания системы или стационарных отличий температур криогенной среды и окружающей атмосферы.
  
  
• Циклические температурные нагрузки (охлаждение/нагрев), приводящие к усталостным явлениям.
  
  

3. Влияние конструктивных ограничений температурных деформаций:

• Жесткое закрепление трубопровода, вызывающее дополнительные напряжения из-за невозможности свободного теплового расширения/сжатия.
  
  
• Компенсаторы и гибкие элементы, снижающие нагрузку, но способные вносить локальные концентраторы напряжений, например, в местах фланцевых соединений трубопроводов.
  
  

4. Влияние используемых материалов:

• Изменение механических свойств материалов при низких температурах (рост хрупкости, снижение пластичности).
  
  
• Тепловое расширение металлов и изоляционных материалов.
  
  
• Остаточные напряжения после сварки и монтажа.
  
  

5. Внешние воздействия (данные факторы хорошо изучены, составлена нормативная база РФ, что подтверждается адекватными расчетами в программной среде Старт-Проф. Эта область знаний не является предметом текущего исследования. Кроме того, из-за значительного увеличения временных и ресурсных затрат, связанных с обработкой результатов на компьютере, в текущей математической модели влияние данных воздействий не учитывается):

• Грунтовые подвижки (для подземных трубопроводов).
  
  
• Ветровые и снеговые нагрузки (для надземных конструкций).
  
  
• Последствия неправильного учета НДС.
  
  
• Трещинообразование из-за хрупкого разрушения.
  
  
• Разгерметизация вследствие усталости материала.
  
  
• Деформация и провисание трубопровода.
  
  

Методы минимизации негативных эффектов:

• Тепловая изоляция для снижения температурной неравномерности.
  
  
• Использование материалов с высокой ударной вязкостью (аустенитные стали, сплавы никеля).
  
  
• Расчет компенсаторов и гибких участков.
  
  
• Моделирование НДС наиболее предпочтительным для этого методом конечных элементов (МКЭ) с учетом всех нагрузок (предмет представленного исследования).

Описанные выше нагрузки формируются в результате первоначальных физических условий, нагрузка температурного поля возникает вследствие воздействия криогенной жидкости и окружающей среды.

Основные уравнения механики сплошной среды для моделирования напряженно-деформированного состояния трубопровода включают уравнения равновесия, закона Гука с учетом температурных деформаций. В рассматриваемом случае основные соотношения записываются следующим образом:

Уравнения равновесия:



Закон Гука (с учетом температурных деформаций)

Для линейно-упругого изотропного материала закон Гука с учетом температурного расширения имеет вид:





Этот же закон Гука, записанный как связь напряжений от деформаций:


где: ε — тензор деформаций,; E — модуль Юнга,; ν — коэффициент Пуассона,; α — коэффициент линейного температурного расширения,; ΔT — изменение температуры,; I — единичный тензор, μ,; λ — коэффициенты Ламе; μ = G = E /2(1+ν),; λ = Eν /(1+ν)(1−2ν).

Для модели плоской деформации, которую в рассматриваемом случае обеспечивает расчет НДС массивного фланца, требуется решение уравнения равновесия (1) в полярных координатах.

В качестве силового воздействия, помимо массовых сил, учитываются компоненты вектора тензоров радиальных и тангенциальных напряжений:



Геометрические уравнения Коши определяют связь деформаций с перемещениями u соотношением:




Где: ∇ _u — тензор градиента перемещения. Это производная вектора перемещений по координатам, которая сама является тензором.

Необходимое для определения термических напряжений распределение температуры в трубопроводе описывается уравнением теплопроводности с учетом фазовых переходов и конвективного теплообмена:




Где ρ — плотность материала, C_p — удельная теплоемкость, k — коэффициент теплопроводности, T — температура, ∇ – оператор дивергенции (показывает, насколько сильно векторное поле «расходится» из данной точки).

Граничные условия для системы уравнений (1) – (6).

В трубопроводе с внутренним радиусом r₁ и внешним радиусом r₂:



На внутренней поверхности радиусом r₁ внешняя нормаль n направлена к центру (в отрицательном направлении оси r). Давление p_int действует на поверхность трубопровода.

Условие:



где p₁, p_ext – соответственно давление среды внутри и снаружи трубопровода. Условие: σ_rr{r₂} = -p_ext. Если p_ext атмосферное, его часто принимают за ноль.

Трение жидкости в настоящем исследовании не учитывается, так как значения давления на два порядка выше значений трения. Таким образом, касательные напряжения (τ_n) на поверхностях, где действует только давление, равны нулю:



Граничные условия для уравнения (7).

На внутренней поверхности трубы (контакт с криогенной жидкостью):



где h – коэффициент конвективной теплоотдачи с учетом возможных фазовых переходов, T_кр — температура криогенной жидкости.

На внешней поверхности (контакт с окружающей средой):



Одним из основных методов математического моделирования термических напряжений является МКЭ, который позволяет разбить сложную конструкцию на малые (конечные) элементы. По узлам данных элементов производится аппроксимация решения. Чаще всего полиноминальная. Коэффициенты аппроксимации должны удовлетворять исходным уравнениям.

Выбор конечных элементов (а точнее – степени использующегося полинома) производится в зависимости от типа решаемой задачи.

Для анализа распределения линейных напряжений в трубах используются осесимметричные элементы (Axisymmetric Elements), например, CAX3 (3-узловой треугольный, линейная аппроксимация) и CAX4 (4-узловой четырехугольный, билинейный). Использование 2D-модели (сечение трубы в r−z координатах) позволяет упростить задачу и сэкономить расчетные мощности ПК и время расчета.

Для решения задач во фланцевых соединениях необходимо использовать объемные (3D) элементы (Solid Elements): C3D8 (8-узловой «кирпич», линейный), C3D20 (20-узловой, квадратичный, для криволинейных границ).

Данные элементы позволяют производить точный расчет трехмерного напряженного состояния, анализ зон концентрации напряжений. Требуется больше вычислительных ресурсов и времени.

Для достижения поставленных целей численная реализация представленной математической модели проводится в отечественной программной среде.

Объект исследования

Объектом исследования является модельная трубопроводная система, по своему элементному составу и характеристикам близкая к натурным. Выбранный пример представляет из себя систему из 78 участков (прямые участки, тройники, отводы, воздушники, переходники и т.п.). Схема данной системы приведена на рис. 1, 2. Участки трубопровода пронумерованы и указаны соответствующими числами.

Трубопровод изготовлен по бесшовной технологии из стали 12Х18Н10Т (аналог AISI 321). Наружный диаметр трубопровода составляет 108 мм, толщина стенки 5 мм, технологическое утонение 0,625 мм.




В табл. 1 приведены основные механические характеристики материала трубопроводной системы при рабочей температуре монтажа (20 °C) и при рабочей температуре эксплуатации (в рассматриваемом случае – на жидком азоте, −196 °C).








При расчетах используются коэффициенты прочности сварных соединений на изгиб и растяжение для стали 12Х18Н10Т в соответствии с СП 16.13330.2017 [9], РД 26-11-08-86 [5] и справочником «Сварка в машиностроении» [6].




Трубопроводная система рассматривается как упруго-деформируемое изотропное тело, что предполагает следующие физические свойства модели:

• Упругость. Подчиняется закону Гука в пределах пропорциональности деформаций напряжениям.
  
  
• Изотропность. Свойства материала одинаковы во всех направлениях (нет анизотропии). Справедливо для бесшовных труб при отсутствии текстуры прокатки.

Стоит отметить криогенные особенности стали 12Х18Н10Т - – сохранение пластичности при -196 °C (δ ≈ 30-–35 %), отсутствие хладноломкости, что характерно для аустенитных сталей.

Допускаемые напряжения определяются по СП 16.13330.2017 [4] и РД 10-249-98 [8].

Значения граничных параметров модели, использующиеся в расчетах.

• Механические: жесткое закрепление трубопровода к массивному фланцу.
  
  
• Тепловые: температурные градиенты применяются для криогенных сред.
  
  
• Применимость модели.
  
  
• Линейная упругость: справедлива при напряжениях ниже σ_0.2.

Модель описывает статическое и квазистатическое поведение трубопровода в рабочем диапазоне давлений и температур.

Стоит отметить возникновение квазистатического состояния трубопровода для технологического процесса – захолаживания (постепенное снижение температуры системы с +20 до – 196 °C). Инерционные эффекты в данном процессе пренебрежимо малы:

• Плавное изменение давления в системе.
  
  
• Медленное охлаждение.
  
  
• Постепенное заполнение трубопровода рабочим телом (жидкий азот либо СПГ).
  
  

Для учета изменения параметров системы во времени приняты в расчет инерция, демпфирование системы, температурная зависимость физических свойств.
Отметим особенности поведения стали 12Х18Н10Т при сверхнизких температурах (−196 °C):

• Значительное упрочнение – предел текучести и прочности возрастает в 2–3 раза по сравнению с комнатной температурой.
  
  
• Сохраняет аустенитную структуру – благодаря высокому содержанию никеля (9–11 %) сталь не переходит в мартенсит и остается устойчивой к охрупчиванию.
  
  
• Применимость в криогенной технике – используется в оборудовании для сжиженных газов (азот, кислород, СПГ), но требует контроля ударной вязкости.

Описание криогенной среды внутри трубопроводной системы

В представленном исследовании предполагалось, что трубопровод заполнен жидким азотом. Сформулируем условия рабочей среды и ее влияние на трубопроводную систему.

Параметры среды при рабочих параметрах приведены в таблице 3.






Таблица содержит информацию с кратким результатом особенностей формирования НДС трубопровода в сложной пространственной модели, учитывающей различные конструктивные элементы. В ней представлены расчетные значения напряжений при двух рабочих температурах трубопроводной системы – при монтаже (20 °C), и при эксплуатационной температуре процесса (-196 °C). В примечаниях содержится краткий анализ НДС локальных участков.

МКЭ анализ заданной трубопроводной системы из 78 участков занимает в среднем 12-–15 часов на современном ПК.





Анализ результатов МКЭ-анализа показывает:

• Влияние температуры: при охлаждении до -196 °C напряжения в системе возрастают в 2.,2-–2.,5 раза по сравнению с монтажным состоянием. Это прямое следствие возникновения значительных термических напряжений, так как стальная конструкция стремится сжаться, но этому препятствует фланцевое соединение.
  
  
• Сравнение запаса прочности в системе с пределом текучести:
  
  При 20 °C: max(σ_экв) = 151.,3 МПа (в тройнике). Запас прочности: 210 / 151.,3 ≈ 1.,39.
  
  При -196 °C: max(σ_экв) = 372.,1 МПа (в тройнике). Запас прочности: 500 / 372.,1 ≈ 1.,34.
  
  При 20 °C: max(σ_экв) = 55,9 МПа (болтовые соединения). Запас прочности: 210 / 55,9 ≈ 3,76.
  
  При -196 °C: max(σ_экв) = 300-–350 МПа (болтовые соединения). Запас прочности: 500 / 350 ≈ 1.,42.

Запас прочности против перехода в пластическое состояние сохраняется как при монтаже, так и при эксплуатации, хотя и снижается при криогенных температурах.

• Концентрация напряжений: как и ожидалось, наибольшие напряжения возникают в зонах конструкционной концентрации: тройники, отводы и болтовые соединения. Это подтверждает необходимость использования 3D-элементов высокого порядка для их адекватного моделирования.
  
  
• Влияние технологического утонения: напряжения в зоне утонения стенки на 15–20 % выше, чем в основном теле трубы, что требует особого внимания при оценке ресурса.
  
  

Моделирование методом МКЭ показало, что проектируемая трубопроводная система из стали 12Х18Н10Т удовлетворяет требованиям прочности для заданных условий эксплуатации (давление 1.,6 МПа, температура -196 °C). Напряжения не превышают допустимых значений с учетом коэффициентов прочности и характеристик материала при криогенных температурах. Основным фактором, определяющим НДС, являются термические напряжения.

Оценка НДС с помощью аналитических решений

В целях экономии временных ресурсов инженеров, а также системных мощностей ПК, протяженные одномерные участки трубопровода можно рассчитывать аналитически. Подобные расчеты применимы для быстрой оценки порядка напряжений, идентификации доминирующих нагрузок и проверки принципиальных возможностей работы конструкции в упругой области.

Непосредственно программный комплекс используется для расчетов сложных конструктивных трехмерных элементов, таких как фланцевые соединения.

Принимается, что аналитическое решение проводится при параметрах модели трубопровода: плоская деформация – массивный фланец, характеристика трубопровода согласно данным таблиц 1, 2.

Характеристики среды согласно данным таблицы 3.

Используются основные соотношения: уравнение равновесия (1), закон Гука с учетом температурной деформации (2), (3), соотношения Коши, определяющие связь деформаций с перемещениями (6), .

• Постановка задачи. Для упрощения модели рассмотрим один прямой участок бесшовной трубы.

Внутренний радиус r₁ = 0,049 м.
Внешний радиус r₂ = 0,054 м.
Внутреннее давление: p_i = 1,6 МПа.
Внешнее давление p_o = 0 МПа (принято упрощение из граничных условий, см. стр. 9).

Температурный перепад:

Δ T = T₂ - T₁ = (-196)- (+20)= -216°C.

Принимается, что охлаждение всей трубы происходит равномерно, найдем распределение радиальных σ_rr (r) и тангенциальных (окружных) σ_θθ (r) напряжений по толщине стенки.

В соответствии с исходными данными материала (сталь 12Х18Н10Т), коэффициенты Ламе достигают значений:






Решение для напряжений от внутреннего давления (упругое решение Ламе)

Для толстостенной трубы под действием давлений распределение напряжений осесимметричное и определяется соотношениями (4), (5):



Константы A и B находятся из граничных условий:



Решая уравнения с заданными значениями, получаем значения констант A и B:

B ≈ 0,02174 МПа⋅м²,
A ≈ 7,45 МПа.

Значения напряжений на внутренней (r₁) и внешней (r₂) поверхностях трубопровода составляют:

При r = r₁ = 0,049 м:



При r = r₂ =0,054 м:



Как показывают результаты расчетов, тангенциальные напряжения характеризуются растягивающим эффектом и максимальны на внутренней поверхности трубы.

Решение для температурных напряжений при равномерном охлаждении.

При равномерном охлаждении трубы ΔT=−216 °C возникают значительные термические напряжения.

Для модели плоской деформации (ε_zz = 0), что близко к реальному длинному трубопроводу, решение для температурных напряжений в толстостенной трубе при равномерном охлаждении:



При вышеописанных граничных условиях (8), (9), решение имеет вид:



Решив систему уравнений для A' и B', получим, что для равномерного охлаждения и данных граничных условий формула сильно упрощается. В данном случае температурные напряжения будут одинаковыми по толщине и равными (как в пластине):

Для плоского деформированного состояния (ε_zz=0):



С учетом принятых исходных данных, значения составляют:



Знак «минус» означает, что возникают сжимающие напряжения по всей толщине стенки.

Осевое температурное напряжение (для плоской деформации):




В соответствии с принципом суперпозиции суммируем напряжения от давления и температуры:

На внутренней поверхности (r = r₁):



На внешней поверхности (r = r₂):



Результаты решения в соответствии с аналитическим методом представлены в Табл. 5.





Из данных анализа результатов, приведенных в таблице 5, следует:

Все полученные решения сравниваются с пределом текучести для стали 12Х18Н10Т. При -196 °C предел текучести σ₀,₂ ≈ 500 МПа.

Анализ результатов расчетов свидетельствует, что полученные эквивалентные напряжения по Мизесу будут близки к максимальным касательным, которые в данном случае определяются соотношением |σ_θθ – σ_rr|/2.

На внутренней поверхности: (|-909,5| - – |-1,6|)/2 ≈ 454 МПа.

На внешней поверхности: | -911,1 - – 0 |/2 ≈ 455,5 МПа.

Эквивалентное напряжение по Мизесу составляет около 910 МПа (т.к. одно из главных напряжений много больше других), что значительно превышает предел текучести 500 МПа. Необходимо учитывать, что данные значения напряжений возникают для идеальной модели трубопровода. В реальных же условиях эти напряжения приведут к упрочнению материала, т.к. направлены к центру трубопровода в радиальном направлении и имеют сжимающую характеристику.

Таким образом, аналитическое решение по формулам наглядно показывает, что основной вклад в напряженное состояние вносит термическая составляющая. Охлаждение на 216 °C создает значительные сжимающие напряжения (~926 МПа), которые сами по себе превышают предел текучести материала.

Физическая интерпретация: при захолаживании трубопровода материал перейдет в пластическую область.

Объединение аналитического решения и МКЭ- анализа

Посредством объединения аналитического решения и МКЭ-анализа разработана комплексная методика оценки НДС трубопровода. Аналитическое решение применяется для предварительного оценочного расчета, который позволяет произвести быструю оценку порядка напряжений, идентифицировать доминирующие нагрузки и проверить принципиальные возможности работы конструкции в упругой области, в основном прямых участков трубопроводов.

Области применения аналитического метода:

• Предварительная, оценочная стадия проектирования для определения доминирующих нагрузок и характера НДС.
  
  
• Для демонстрации физики процессов формирования напряжений.
  
  
• Экспресс-анализ типовых, неподкрепленных элементов и прямых участков.

Детализированный МКЭ-анализ в программном комплексе применяется для геометрически сложных конструкций трубопровода, требующих пространственного 3D-моделирования, таких как фланцы, тройники, отводы, запорно-регулирующая арматура (ЗРА).

Области применения МКЭ- анализа:

• Финальный прочностной анализ сложных и ответственных трубопроводных систем.
  
  
  
• Анализ зон с концентраторами напряжений.
  
  
  
• Оптимизация конструкции для снижения пиковых напряжений и увеличения ресурса системы.
  
  
  
• Расследование причин отказов.

Для верификации и синтеза расчетов производится сопоставление результатов двух методов с целью формирования итогового заключения.

Объединенная методика позволяет сэкономить мощности и ресурсы вычислительных систем - – быстрый аналитический расчет отсекает заведомо нерабочие варианты без трудоемкого и длительного МКЭ-анализа. При этом МКЭ-анализ обеспечивает точность для сложных зон, которые невозможно рассчитать аналитически.

Заключение

Проведенное исследование позволило комплексно оценить поведение трубопроводной системы из стали 12Х18Н10Т при эксплуатации в криогенных условиях с жидким азотом (-196 °C, 1,6 МПа).

Результаты расчетов аналитическим методом и МКЭ-анализом дополняют друг друга. Оба метода описывают поведение разных частей трубопроводной системы в криогенных условиях.

Аналитический расчет позволяет быстро выявить характер напряжений, а также проверить принципиальные возможности работы конструкции в целом.

МКЭ-анализ позволяет изучить локальные эффекты в сложных пространственных элементах (фланцы, тройники, отводы, ЗРА), где возникают концентрации напряжений от конструктивных особенностей трубопроводной системы. Результаты расчетов по фланцевым соединениям показывают, что, несмотря на пластификацию прямой трубы, само фланцевое соединение может оставаться в упругой стадии деформации, но в зонах концентрации (болтовые соединения и зона горловины фланца) напряжения приближаются к опасным значениям.

Таким образом, оба подхода подтверждают, что работа криогенного трубопровода сопряжена с высоким уровнем термических напряжений, требующим тщательного прочностного расчета и, возможно, принятия специальных мер, таких как:

• Внедрение Программы управления рисками фланцевых соединений.
  
  
• Увеличение радиусов переходов в зонах концентрации напряжений.
  
  
• Специальные меры по контролю затяжки болтов при рабочих температурах.
  
  
• Оптимизация конструкции компенсаторов.
  
  
• Регулярный мониторинг напряжений в критических узлах.

Подтверждена необходимость адаптации международного опыта FMP к российским нормативным требованиям для повышения безопасности эксплуатации криогенных трубопроводов.

Перспективные направления дальнейших исследований:

• Разработка цифровых двойников для прогнозирования усталостных повреждений.
  
  
• Совершенствование методик расчета с учетом реальных условий эксплуатации.
  
  
• Оптимизация конструктивных решений фланцевых соединений для криогенных применений.

Результаты данного подхода для оценки НДС трубопроводов показывают его физическую адекватность. Методика может быть рекомендована для практических расчетов при проектировании и эксплуатации объектов СПГ.

Литература

1. ГОСТ 32388-2013. (2014). Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия. М.: Издательство стандартов. 32 с.
   
   
2. ГОСТ Р 52857.4-2007. (2008). Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений. М.: Издательство стандартов. 24 с.
   
   
3. ГОСТ 33259-2015 «Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250. Конструкция, размеры и общие технические требования». 105 с.
   
   
4. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* [Текст]. – Введ. 2017-06-08. – М. : Минстрой России, 2017. – 180 с.
   
   
5. РД 26-11-08-86. Сосуды и аппараты. Нормы расчета на прочность [Текст]. – Введ. 1986-01-01. – М. : Госгортехнадзор СССР, 1986. – 96 с.
   
   
6. Сварка в машиностроении [Текст] : справочник : в 4 т. / под ред. Е.С. Каракозова. – М. : Машиностроение, 1978. – Т. 2 : Сварка металлов и сплавов плавлением. – 560 с.
   
   
7. ГОСТ 5632-2014. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки [Текст] : межгосударственный стандарт: введ. 2016-01-01 : взамен ГОСТ 5632-72. — Москва: Стандартинформ, 2015. — IV, 111 с. — (Система межгосударственных стандартов). — ISBN 978-5-905613-07-6.
   
   
8. РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды [Текст] : утв. Госгортехнадзором России 12.02.1998 : взамен РД 10-249-93. – М. : Госгортехнадзор России, 1998. – 87 с.
   
   
9. ASME BPVC Section VIII.
   
   
10. Астапов А. Н. Расчет термических напряжений в системе подложка-покрытие / А. Н. Астапов, Д. В. Нуштаев, Л. Н. Рабинский // Композиты: механика, вычисления, приложения. Междунар. журн. – 2017. – Т. 8, № 4. – С. 267–286.
    
    
11. Довгялло А. И. Оценка термоциклической прочности баллона с криогенной заправкой / А. И. Довгялло, Д. А. Угланов, А. Б. Шиманов, А. А. Шиманов // Энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение. – 2022. – № 1. – С. 12–18.
    
    
12. Есьман Р. И. Расчет температурных полей и напряжений в трубопроводах : учебное пособие / Р. И. Есьман. – Минск : БНТУ, 2008. – 154 с.
    
    
13. Институциональный ответ на глобальные отраслевые вызовы, стоящие перед предприятиями нефтегазоперерабатывающего сегмента / Б. В. Борисов, П. П. Лукьяненок, Е. Е. Ревин [и др.] // Экономика и управление инновациями. – 2025. – № 2 (33). – С. 52–61. – DOI 10.26730/2587-5574-2025-2-52-61. – EDN MWMFPX.