Разработка научных основ оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом условий эксплуатации
УДК 514.853:622.643.03(043.3) На правах рукописи
МАРАСУЛОВ АБДУРАХИМ МУСТАФАЕВИЧ
Разработка научных основ оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом условий эксплуатации
01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова и Международного Казахско-Турецкого университета им. Х.А. Ясави Министерства науки и образования Республики Казахстан
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Айнабеков А.И.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Немеребаев М.Н
доктор технических наук, профессор
Абдусаттаров А.А.
доктор технических наук, профессор
Мырхалыков Ж.У.
Ведущая организация: Казахстанско-Британский технический
университет
Защита состоится 29 октября 2010г. В 1400 на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова в ауд. 342 главного корпуса по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана 5.
С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана 5, каб.215.
Автореферат разослан « » сентября 2010г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д 14.23.01
доктор технических наук, профессор А.А. Волненко
Введение
Общая характеристика работы. Ежегодный рост добычи нефти и газа, увеличение их удельного веса в топливно-энергетическом балансе страны и в экспортных поставках на международные рынки предопределили высокие темпы роста строительства сети магистральных трубопроводов, а увеличение их пропускной способности за счет увеличения диаметров трубопроводов и рабочих скоростей перекачки приводят к высокой их повреждаемости и разрушаемости.
В основу выполненной работы положены результаты проведения комплексных исследований по изучению особенностей работы, напряженно-деформированного состояния и динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом характера протекания потока жидкости по трубопроводу и создание на основе полученных результатов, методов и методик инженерного расчета и проектирования, научных основ оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом эксплуатационных условий.
Актуальность темы. Современные тенденции по повышению производительности и мощности строящихся нефтепроводов ведут к повышению диаметра труб. Одновременно с увеличением диаметра труб растут рабочее давление и скорости перекачки транспортируемого продукта. При этом повышаются динамические усилия, возникающие в трубопроводах, связанные в основном с характером протекания транспортируемого продукта, с изменением скорости и направления течения. Отмеченные факторы создают условия, повышающие вероятность возникновения повреждений и разрушений трубопроводов, которые влекут за собой тяжелые последствия: большие потери перекачиваемого продукта, огромный материальный ущерб от остановки трубопровода, дорогостоящий ремонт, загрязнение окружающей среды.
В связи с этим обеспечение надежной и безаварийной работы и эксплуатации линейной части магистральных трубопроводов является основным требованием при проектировании. При этом, ранее применяемые методы динамического расчета, как правило, гарантировали прочность труб малого диаметра и при низких эксплуатационных нагрузках. Увеличение диаметров и толщин стенки трубопроводов, применение материалов с высокими прочностными свойствами, ужесточение режимов перекачки транспортируемого продукта привели к изменению условий статической и динамической работы трубопроводов и увеличению количества разрушений трубопроводов при эксплуатации.
Вместе с этим существующие нормы проектирования магистральных трубопроводов не регламентируют методы и методики проведения расчета на динамическую нагрузку, указывая лишь на необходимость их проведения по известным методам строительной механики с применением ЭВМ.
В виду того, что расчетные модели динамики трубопроводов с учетом характеристик транспортируемого продукта разработаны недостаточно, на сегодня отсутствуют надежные методы расчета, выбора параметров, которые наиболее сильно влияют на динамические характеристики трубопровода и поиска оптимальных их значений.
В условиях, когда по объективным причинам полностью исключить разрушения магистральных газопроводов невозможно, большое значение приобретают исследования, направленные на изучение динамики трубопроводов с учетом изменяющихся параметров транспортируемого продукта, разработку математических моделей колебаний трубопроводов, их анализ и подбор методов решения возникающих динамических задач.
В связи с этим, проведение комплексных исследований направленных на изучение особенностей динамики магистральных трубопроводов с учетом взаимодействия с транспортируемой жидкостью, выработка научных основ оценки динамической прочности, разработка обоснованных инженерных методов и методик расчета трубопроводов является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой, включенной в тематический план НИР ЮКГУ им. М. Ауезова Б-ТН-06-05-06 «Исследование влияния технологических и эксплуатационных условий на прочность оборудования и конструкций и разработка эффективных методов повышения прочности и защиты от коррозии» на 2005-2010 годы.
Целью работы является разработка научных основ оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом его взаимодействия с потоком протекающей в нем жидкости и создание на этой основе методологии расчетной оценки прочности.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи:
- изучение факторов, вызывающих разрушение трубопроводов, анализ существующих математических моделей в задачах динамики трубопроводов, а также нормативных документов по обеспечению прочности и долговечности,;
- математическое моделирование динамических процессов в трубопроводах, взаимодействующих с транспортируемой жидкостью;
- постановка и решение задач собственных колебаний криволинейных и прямолинейных трубопроводов, взаимодействующих с транспортируемой жидкостью;
- экспериментальные исследования работы моделей линейной части трубопроводов на статические нагрузки с целью выявления напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода при различных эксплуатационных условиях;
- экспериментальные исследования моделей линейной части трубопроводов при свободных и вынужденных колебаниях с целью выявления влияния эксплуатационных условий на напряженно-деформированное состояние стенки трубопровода, на их динамические поведение и амплитудно-частотные характеристики;
- проведение динамического расчета надземных и подземных трубопроводов на основе интегральных преобразований с учетом взаимодействия с транспортируемой жидкостью;
- разработка научных основ и методологии оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом особенностей динамики, рабочих параметров и характера течения потока транспортируемой жидкости.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
по специальности 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры:
-развиты математические модели динамических процессов в криволинейных трубопроводах, взаимодействующих с транспортируемой жидкостью, получено дифференциальное уравнение, описывающее закон изменения и сохранения импульса, и поставлены краевые задачи собственных и вынужденных колебаний криволинейного трубопровода;
-исследованы собственные колебания криволинейных участков трубопроводов с потоком жидкости, составлена методика определения частот собственных колебаний и установлены зависимости собственных частот колебаний трубопроводов от скорости протекающей жидкости и геометрических параметров трубопровода;
-поставлена и решена задача о совместных колебаниях цилиндрической оболочки и вязкой жидкости, и разработаны алгоритм и программа для исследования колебаний трубопроводов, контактирующих с транспортируемой жидкостью;
-проведено исследование дисперсионного уравнения и изучено изменение вида дисперсионных кривых с учетом скорости потока жидкости в трубопроводе на упругом основании и выявлены зависимости частот колебаний трубопроводов от скорости потока жидкости в трубопроводе;
-приложением операционного исчисления к задачам динамики трубопроводов с протекающей жидкостью на упругом основании и на упругих опорах, разработана методика расчета трубопроводов на стационарное и нестационарное воздействие;
- произведена экспериментальная оценка влияния эксплуатационных параметров на динамические характеристики трубопровода на упругих опорах и установлены зависимости между уровнем заполнения трубопровода, внутренним давлением и амплитудно-частотными характеристиками трубопровода;
-разработана методология оценки динамической прочности магистрального трубопровода с учетом взаимодействия с транспортируемой жидкостью.
По специальности 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела:
- для трубопроводов, контактирующих с винклеровским основанием и трубопроводов на упругих опорах, получены функции фундаментальной системы Коши, позволяющие определить статическое напряженно-деформированное состояние трубопроводов при помощи метода начальных параметров;
-оценено напряженно-деформированное состояние стенки модели линейной части трубопровода при эксплуатационных статических воздействиях;
-оценено влияние уровня наполнения и внутреннего давления на распределение динамических напряжений в стенке модели трубопровода при вынужденных околорезонансных колебаниях.
Научные положения, выносимые на защиту:
по специальности 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры:
-математическая модель криволинейного трубопровода, взаимодействующего с транспортируемой жидкостью, основные соотношения и дифференциальное уравнение, описывающее закон изменения и сохранения импульса, полученных на основе принципа возможных перемещений;
-методика определения частот собственных колебаний и зависимости собственных частот колебаний трубопроводов от скорости протекающей жидкости и геометрических параметров трубопровода;
-решение задачи о совместных колебаниях цилиндрической оболочки и вязкой жидкости, алгоритм и программа для исследования колебаний трубопроводов, контактирующих с транспортируемой жидкостью;
-зависимости частот колебаний трубопроводов от скорости потока жидкости в трубопроводе, полученные на основе исследования дисперсионного уравнения и изменения вида дисперсионных кривых, с учетом скорости потока жидкости в трубопроводе;
-методика расчета трубопроводов на винклеровском основании и на упругих опорах на стационарное и нестационарное воздействие, основанного на применении интегральных преобразований с численным обращением;
-зависимости между уровнем заполнения трубопровода, внутренним давлением и амплитудно-частотными характеристиками трубопровода;
-методология оценки динамической прочности магистрального трубопровода с учетом взаимодействия с транспортируемой жидкостью.
По специальности 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела:
-функции фундаментальной системы Коши для определения статического напряженно-деформированного состояния трубопроводов, полученных при помощи метода начальных параметров;
-зависимости напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода от уровня наполнения и внутреннего давления в трубопроводе при статических и динамических воздействиях;
-характер распределения динамических напряжений в стенке трубопровода от уровня наполнения и внутреннего давления при их вынужденных околорезонансных колебаниях.
Практическая значимость полученных результатов по специальности 01.02.06 - Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры заключается в разработанной новой методологии оценки динамической прочности магистральных трубопроводов, которая достоверно и научно обоснованно позволяет учесть влияние характеристик и режимов потока транспортируемой жидкости на прочность трубопровода и повышает уровень их безопасности.
Разработанная методология оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом эксплуатационных параметров транспортируемой жидкости может быть принята за основу при совершенствовании существующих норм проектирования и создании руководящих документов, регламентирующих расчетную оценку динамической прочности магистральных трубопроводов.
Разработанные методики, алгоритмы, программное обеспечение и результаты решения задач динамики трубопроводов, могут быть использованы в расчетной практике на этапе проектирования в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях, а также в вузах при преподавании дисциплин «Газонефтепроводы» и «Проектирование магистральных газонефтепроводов».
Значимость результатов исследования по специальности 01.02.04-Механика деформируемого твердого тела заключается в методике расчета трубопроводов на стационарное и нестационарное воздействия, которая позволяет оценить напряженно-деформированное состояние стенки трубопровода и может быть применена в качестве расчетного метода для выявления действительного напряженного состояния стенки трубопровода.
Предложенные решения и расчетные формулы для оценки напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода позволяют более достоверно и научно обоснованно с учетом эксплуатационных условий, статических и динамических нагрузок оценить напряженность стенки трубопровода.
Результаты работы в части исследования напряженно-деформированного состояния трубопроводов могут быть применены в вузах при преподавании ряда технических дисциплин спецкурса.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:
– использованием фундаментальных законов газовой динамики, механики разрушения, теории упругости и пластичности;
– корректностью, разработанных математических моделей, получением их решений на основе строгих аналитических методов, результатами численных методов расчета и в сравнении конечных результатов с известными в научной литературе данными;
– применением стандартных и апробированных методик испытаний моделей конструкций, смоделированных с использованием классической теории механического подобия, основанных на анализе размерностей физических величин, описывающих исследуемое явление;
–сопоставлением, полученных в результате исследования данных, с известными науке результатами исследований других авторов;
–достаточной степенью апробации результатов работы и их непротиворечивостью с фундаментальными положениями механики разрушения.
Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в Абайском и Тюлькубаском РГУ ЮКПФ АО «КазТрансГаз-Аймак» и в ТОО «Юсталькон» с общим экономическим эффектом в сумме 7млн.880 тыс. тенге и применяются при проектировании и эксплуатации магистральных трубопроводов для оценки их динамической прочности с учетом условий их эксплуатации, а также используются в учебном процессе ЮКГУ им. М. Ауезова.
Апробация работы: Основные результаты работы доложены и обсуждались на Международных, Республиканских и региональных научных и научно-практических конференциях: «Наука и образование на современном этапе» (Шымкент, 2005г); «Современные проблемы и перспективы механики» (Ташкент, 2006г); «Моделирование механических систем и процессов» (Караганда, 2007); Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2008), конференции посвященной 70-летию профессора Т.Б. Байтелиова (Туркестан, 2008г); «Проблемы подготовки специалистов высшего профессианального образования в ХХІ веке: прошлое настояшее и будущее» (Шымкент, 2009г); «Механика и строительство транспортных сооружений» (Алматы, 2010г); «Ержановскик чтения-3» (Актобе, 2010г); За І международна научна практична конференция «Динамиката на съвременната наука - 2010» (София «Бял ГРАД-БГ» ООД 2010г).
Основная часть
Во введении дана общая характеристика работы, основание и исходные данные для разработки темы, сведения о метрологическом обеспечении диссертационной работы, обосновывается необходимость проведения настоящих исследований и актуальность, разрабатываемой темы, описаны объект, предмет, методы исследования, сформулированы цель и задачи работы, приведены научная новизна, практическая значимость и степень практической реализации результатов работы, их обоснованность и достоверность, описаны научные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе проведен анализ факторов, вызывающих разрушения магистральных нефтепроводов, отмечены особенности эксплуатационных условий, связанных с линейностью конструкции, влиянием характера потока транспортируемой жидкости, изменением их скорости и направления, высоким давлением эксплуатации, влиянием сейсмических воздействий.
Проведен анализ норм проектирования магистральных трубопроводов, обсуждены их основные положения по обеспечению прочности, долговечности и безопасности трубопроводов. Выявлено, что как в отечественных, так и зарубежных нормах отсутствуют методы и методики оценки динамической прочности трубопроводов с учетом эксплуатационных параметров и режимов потока транспортируемой жидкости.
Отмечено, что увеличение диаметра и толщины стенки труб, увеличение скоростей и давлений перекачки транспортируемой жидкости привели к изменению условий статической и динамической работы трубопроводов и увеличению количества разрушений трубопроводов при эксплуатации.
При этом показано, что накопленная упругая энергия жидкости, определяемая рабочим давлением и параметрами трубопровода, оказывает превалирующее влияние на динамику трубопроводов и их динамические характеристики.
По результатам проведенного литературного обзора, установлено, что в настоящее время вопросы динамики трубопроводов достаточно полно исследованы, результаты этих исследований обобщены и систематизированы в работах отечественных и зарубежных ученых. В исследованиях влияния внутреннего потока жидкости на динамику трубопроводов выделяются работы Феодосьева В.И., Картвелишвили Н.А., Болотина В.В., Ушакова В.С., Ковревского А.П., Bechtold J.C., Ashley H., Haviland G., Hausner G.W., Niordson F.I.N. Разработке математических моделей, учитывающих влияние скорости потока и внутреннего давления жидкости, посвящены работы Доценко П.Д., Смирнова Л.В., Комарова А.А., Натанзона М.С., Ильгамова М.А., Смирнова Л.В., Stein R.A., Tobriner M.W., Chen S.S., Weawer D.S., Unny J.E., Paidoussis M.P.и др.
Ряд важных прикладных исследований динамики трубопроводов выполнены Гольденблатом И.И., Светлицким В.А., Федосьевым В.И., Вольмиром А.С., Овчинниковым В.Ф., Катаевым В.П.,, Baird R.C., Becker D., Saxe R.F., Ahmadi G., Rouselt J., Herrman G. и др.
В результате обзора литературных источников выделено два класса матема- тических моделей деформирования трубопроводов, соответствующих подходов и методов исследования динамики трубопроводов. К первому классу отнесены одномерные модели, в которых в качестве базового принята стержневая модель трубопровода. Ко второму классу математических моделей деформирования трубопроводов отнесены оболочечные модели, которые учитывают изменение формы сечения трубопровода.
Исследования динамики трубопроводов с протекающей по ней жидкостью по оболочечным моделям рассмотрены в работах Аксельрада Э.Л., Ильина В.П., Костовецкого Д.Л., Куликова Ю.А., Стасенко И.В., Лазарева Г.В., Бельской Э.А., Черния В.П., Bantlin A., Karman Th., Emmerling F.A., Whatham J.F. и др.
Отмечено, что применительно к магистральным трубопроводам, не ясен вопрос о достаточности использования существующих математических моделей для создания достоверных расчетных методов оценки динамической прочности трубопроводов, что указывает на необходимость проведения комплексных исследований применительно к магистральным трубопроводам с учетом особенностей их эксплуатации.
В части разработки теоретической модели динамики магистральных трубопроводов с учетом внутреннего потока транспортируемой жидкости главным является вопрос, каким образом характер потока жидкости, изменение ее скорости и внутреннего давления влияет на напряженно-деформированное состояние стенки и динамические характеристики трубопровода. Рассмотренные сегодня математические модели динамики трубопроводов с учетом внутреннего потока жидкости не дают ответа на эти вопросы, что указывает на необходимость поиска новых и совершенствования существующих методов и методик динамического расчета магистральных трубопроводов.
По результатам проведенного литературного обзора сформулированы цель и задачи исследования.
Во втором разделе рассматривается исследование задачи колебаний криволинейного участка трубопровода, где полная система уравнений движения трубопровода в тороидальной системе координат в перемещениях представлено в виде
(1)
Соотношения между перемещениями и деформациями в полубезмомен-тной теории оболочек выражается
(2)
Для решения системы уравнений (1) - (2) представим возникающую при изгибных колебаниях тороидальной оболочки нормальную составляющую перемещения 
, удовлетворяющим граничным условиям на краях оболочки, в следующем виде:
, (3)
кроме того, потребуем, что 
удовлетворяет условиям цикличности по окружной координате 
:
, (4)
где 
неизвестная функция.
Из (2) с учетом (4) получим соотношения для перемещения и угла поворота:
(5)
Вводя безразмерные параметры толщины оболочки 
.
, (6)
и полагая, что
, (7)
получим динамическое уравнение движения криволинейной оболочки со стационарным потоком жидкости:
(8)
При 
колебания оболочки происходят без деформации контура поперечного сечения, поэтому на форме колебаний присутствие внутреннего давления 
не сказывается, поскольку член уравнения (8), содержащий давление, обращается в нуль. Все остальные формы колебаний (
), связаны с деформацией контура поперечного сечения и изменением давления. Собственные частоты и формы колебаний оболочки зависят от свойств материала оболочки и характеристик жидкости.
Так же уравнение (8) эквивалентно бесконечной системы алгебраических уравнений относительно неизвестных амплитудных значений 
, радиальной составляющей перемещения 
, которая в компактной форме представляется в виде:
(9)
где 
, а коэффициенты 
определяются из соотношений:
(10)
Определение частот собственных колебаний криволинейного участка трубопровода с протекающей жидкостью сводится к задаче определения собственных значений матрицы (9), т.е.
(11)
Корнями уравнений (11) являются собственные значения 
, соответствующих квадратам круговых частот собственных колебаний 
.
Исследуя усеченную систему линейных алгебраических уравнений в матричной форме и учитывая, что определение частот собственных колебаний трубопровода сводится к задаче о собственных значениях матрицы (9), получим соотношения для квадрата круговой частоты собственных изгибных колебаний криволинейного участка трубопровода с протекающей жидкостью при недеформируемом контуре поперечного сечения 
:
. (12)
В частности, для матрицы 3-го порядка, полученной при волновых числах 
, характеристическое уравнение для матрицы 
представимо в виде:
. (13)
Решение соответствует трем собственным числам 
, которые представляют собой квадраты круговых частот изгибных колебаний 
заданного криволинейного участка трубопровода с протекающей жидкостью по формам колебаний при 
.
На основе полученных решений проведены исследования собственных колебаний криволинейных участков трубопроводов большого диаметра с протекающей жидкостью и проанализированы результаты определения частот их собственных изгибных колебаний по четырем первым оболочечным формам колебаний.
Проведены расчеты криволинейного трубопровода с 
и кривизной 
(
5,8; 11,6 и 23,1), модуль упругости стали принят равными 
, коэффициент Пуассона 
. Результаты примера вычисления криволинейного трубопровода с 
и 
представлены в таблице 1, где показано изменение частот собственных изгибных колебаний 
криволинейных участков стального трубопровода в зависимости от скорости протекающей жидкости при различных значениях толщины оболочки.
Таблица 1-Собственные частоты криволинейного трубопровода в зависимости от скорости протекающей жидкости
 ,  / |  (Гц) при скорости протекающей жидкости в  | |||
| Форма колебаний | Частоты |  |  |  |
 |  | 26,46/31,21 | 21,01/30,52 | 17,25/29,09 |
 | 21,01/40,02 | 20,45/39,31 | 17,74/38,05 | |
 | 22,92/47,02 | 22,72/46,64 | 20,55/46,18 | |
 |  | 13,39/24,24 | 12,83/53,02 | 10,42/20,39 |
 | 16,67/30,56 | 15,82/29,26 | 12,51/26,55 | |
 | 18,68/36,44 | 18,44/35,91 | 16,2/35,27 | |
 |  | 13,02/20,83 | 12,29/19,51 | 9,28/16,17 |
 | 16,43/24,91 | 15,61/24,01 | 12,32/23,34 | |
 | 18,34/28,61 | 18,17/28,39 | 15,83/28,35 | |
 |  | 19,47/29,02 | 19,33/28,92 | 14,21/28,98 |
 | 20,12/30,17 | 20,06/29,15 | 12,97/29,01 | |
 | 21,36/31,36 | 21,22/30,97 | 11,38/30,05 | |
Расчеты показали, что скорость потока жидкости в пределах до 25 м/c, т.е в диапазоне реальных скоростей протекания жидкости в трубопроводах, мало влияет на частоты собственных колебаний криволинейных участков стального трубопровода по всем исследованным оболочным формам колебаний. С увеличением кривизны участка трубопровода при постоянной относительной толщине частоты, и наоборот с увеличением относительной толщины трубопровода при постоянной кривизне трубы собственные частоты их изгибных колебаний увеличиваются.
Сведя известные уравнения равновесия элемента оболочки к разрешающему уравнению в перемещениях, и, используя соотношения между усилиями и деформациями, а также между деформациями и перемещениями получено выражение для определения квадрата частоты:
(14)
Из (14) и рисунка 1 следует, что на частоту свободных колебаний оказывают существенное влияние соотношения геометрических параметров 
и 
. При этом видно, что с увеличение 
и уменьшением 
частота резко падает, труба становится менее жесткой, влияние концевых закреплений – менее ощутимым.
Рисунок 1- Зависимость частоты свободных колебаний криволинейного трубопровода от 
Дальнейшее увеличение параметра 
приводит к тому, что низшая частота реализуется при 
, т.е. свободные колебания совпадают с первым тоном изгибных колебаний балки. Для этого случая выражение (14) записывается в виде:
(15)
Анализ показывает, что при достаточно тонких стенках трубы на частоту свободных колебаний при 
заметное влияние оказывает внутреннее давление жидкости. Естественно, что с увеличением давления жидкости частота увеличивается, так как оболочка становится более жесткой.
В третьем разделе рассматривается динамическое поведение, бесконечной по длине упругой цилиндрической оболочки радиуса 
с постоянными толщиной 
, плотностью 
, модулем упругости 
, коэффициентом Пуассона 
, заполненной вязкой жидкостью с плотностью 
в равновесном состоянии.
Полная система линеаризованных уравнений движения вязкой баротропной жидкости представлена в виде:
(16)
Условие непрерывности перемещений и напряжений на поверхности контакта оболочки и жидкости приводит к системе краевых условий при 
(17)
Размерность матрицы 
различна для различных теорий оболочек. Так для оболочек, подчиняющихся гипотезе Кирхгофа-Лява имеют место равенства:
(18)
Компоненты вектора нагрузок для оболочек Кирхгофа-Лява имеют вид
. (19)
Записывая уравнения (16) в координатной фоpме, заметим, что соотношения (16) - (19) распадаются на независимые краевые задачи.
Решения краевых задач (16)-(19) для основных неизвестных, удовлетворяющие наложенным выше ограничением на зависимость по времени и координате 
, ищем в виде
(20)
Искомое уравнение для комплекснозначной функции аргументов 
примет вид: при крутильных колебаниях
(21)
при продольно-поперечных колебаниях
(22)
Тогда уравнение (21) с учетом (20), описывающие стационарные крутильные колебания системы оболочка-жидкость, формулируется в виде спектральной краевой задачи для системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений:
(23)
или 
.
Уравнения (23) можно преобразовать к уравнению относительно перемещения 
(24)
Решение уравнения (24) выражается через специальные функции Бесселя первого и второго рода, которое при 
имеет вид
. (25)
После подстановки (25) во второе уравнение и первое краевое условие (23), получим дисперсионное уравнение
. (26)
Решение уравнения (26) наталкивает на необходимость вычисления функции Бесселя комплексного аргумента. Воспользуемся асимптотическими представлениями для функции Бесселя при малых и больших аргументах 
. Малость 
имеет место при низкочастотных колебаниях. Согласно известным разложениям 
и 
степенные ряды
. (27)
Сохраняя в разложениях (27) только первые члены, получим
. (28)
Учитывая теперь в (27) только два первых члена имеем уравнение
,
(29)
корень которого, в случае установившихся колебаний определяется соотношением
. (30)
В результате проведенного численного исследования было установлено, что задача о собственных колебаниях (25) допускает не более одного комплексного значения 
, соответствующего колебаниям оболочки вместе с прилегающими к ней слоями жидкости.
Рассмотрен вариант собственных колебаний, когда оболочка наполнена жидкостью, в соответствии с которым на рисунке 2 приведены дисперсионные кривые зависимости 
от волнового числа 
.
Замечено, что фазы совместных колебаний оболочки и жидкости не совпадают вдоль радиуса. В случае малой вязкости согласно (24) всегда можно подобрать параметры таким образом, что заданная комплексная частота локально будет иметь место при любом 
.
Кроме того, в этом разделе проведен анализ стационарных продольно-поперечных колебаний оболочки, заполненной жидкостью, которые описаны системой четырех обыкновенных дифференциальных уравнений
(31)
1-
2-
3-
4-
Рисунок 2- Зависимость I m w2 от волнового числа k
с краевыми условиями
(32)
Параметры оболочки и коэффициенты вязкости приняты следующими: 
; 
; 
; 
; 
. Для несжимаемой жидкости существуют две моды, соответствующие преимущественно продольным и поперечным колебаниям оболочки, с комплексными собственными значениями. Все остальные собственные движения имеют мнимые собственные значения, то есть апериодичны по времени.
Следует отметить, что в отличие от колебаний сухой оболочки совместные поперечные колебания оболочки и жидкости для указанной плотности 
, происходит на меньшей по сравнению с продольными колебаниями частоте во всем диапазоне изменения волнового числа. При введении вязкости частота колебаний первой моды снижается, по-видимому, за счет вовлечения в движение дополнительных масс жидкости в пограничном слое, а у второй моды появляется критическое волновое число, ограничивающее область колебательных движений снизу. Собственные движения оболочки и вязкой сжимаемой жидкости имеют бесконечное число мод. Выявлено, что для малой вязкости частота 
обеих мод близки между собой в низкочастотной области, а при высоких частотах фазовая скорость Су первой моды стремится к скорости в сухой оболочке. В случае большей вязкости частота 
существенно больше частоты 
на всем диапазоне изменения 
, а фазовая скорость Су с ростом 
стремится к бесконечности.
В четвертом разделе обсуждаются результаты экспериментальных исследований моделей линейной части надземного трубопровода на статические и динамические нагрузки при моделировании различных эксплуатационных условий.
Смоделированы параметры воздействия и корпуса магистрального трубопровода при статических и динамических нагрузках. На основе простого и аффинного соответствия между моделью и натурным объектом установлены критерий и коэффициенты подобия для основных параметров исследования. Описана методика проведения статических и динамических испытаний моделей.
Учитывая то, что основные процессы колебаний трубопроводов в силу относительной простоты математической модели удобно исследовать на прямых трубопроводах, в качестве объекта моделирования выбран прямолинейный участок магистрального трубопровода.
Модель, в соответствии с рисунком 3, представляет собой фрагмент трубопровода длиной 4000мм состоящий из трех равных пролетов и диаметром оболочки 245мм. Опоры трубопровода моделируют условия закрепления участка натурного трубопровода с защемленной опорой в одном торце, двумя свободноподвижными опорами в середине пролета и одной продольно подвижной опорой в противоположном торце.
Рисунок 3 – Общий вид модели трубопровода
Исследование напряженно-деформированного состояния стенки моделей трубопровода произведено тензометрическими средствами измерения.
В качестве первичных преобразователей при измерении относительных деформаций применены тензодатчики на бумажной основе типа ПКБ. Регистрирующей аппаратурой служил автоматический измеритель деформации АИД-4М в комплекте с переключателем АП-1. Регистрация информации при динамических воздействиях производилась светолучевым осциллографом Н. 044.1.
При проведении статических испытаний моделей трубопроводов моделировались следующие нагрузки: нагрузка от транспортируемого продукта, которая имитировалась заполнением трубы водой. Рассматривались варианты пустого (0Н), частично заполненного (0,5Н) и полностью заполненного трубопровода (1,0Н). Нагрузка от внутреннего избыточного давления имитировалась нагнетанием воздуха компрессором в модель трубы, и рассматривались варианты без избыточного давления и с избыточным давлением равным 0,5 МПа и 1,0 МПа.
Анализ эпюр кольцевых и меридиональных напряжений показал, что наибольшие значения растягивающих кольцевых напряжений возникают в нижних зонах поперечного сечения стенки модели в середине пролета. Так при уровне заполнения равном 0,5Н значение кольцевых напряжений составило 15,3 МПа, а при полном ее заполнении она увеличилась в 1,32 раза.
Сравнение эпюр кольцевых и меридиональных напряжений при наличии внутреннего избыточного давления показывает, что по сравнению с вариантом отсутствия внутреннего давления наблюдается заметное сглаживание линии эпюр напряжений и деформаций стенки модели. При увеличении внутреннего давления в сечениях над опорами сжимающие кольцевые напряжения переходят в растягивающие, а в нижней зоне напряжения уменьшаются в 1,2…1,3 раза, что объясняется перераспределением напряжений вследствие распирающего воздействия внутреннего избыточного давления.
При экспериментальных исследованиях модели трубопровода при свободных ее колебаниях, определены частоты и декременты колебаний при различных эксплуатационных условиях. Результаты исследования представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Экспериментальные значения частот и декрементов свободных колебаний моделей трубопроводов при моделировании различных эксплуатационных условий
| Направление колебания | Уровень налива | Внутреннее избыточное давление, МПа | Частота свободных колебаний, Гц | Декремент колебаний |
| горизонтальное | 0 | 0 | 12.9 | 0,132 |
| 1,0 | 12,8 | 0,122 | ||
| 0,5 | 0 | 12.1 | 0,117 | |
| 1,0 | 10.2 | 0,108 | ||
| 1,0 | 0 | 11.0 | 0,112 | |
| 1,0 | 9.2 | 0,104 | ||
| вертикальное | 0 | 0 | 12.8 | 0.190 |
| 1,0 | 10.2 | 0.115 | ||
| 0,5 | 0 | 9.6 | 0.115 | |
| 1,0 | 8.2 | 0.07 | ||
| 1,0 | 0 | 8.2 | 0.102 | |
| 1,0 | 7.5 | 0.062 |
Анализ данных таблицы 2 показывает, что собственная частота колебаний пустой модели составила 12,8 Гц, декремент колебаний 0,190. Заполнение модели до 0,75Н приводит к снижению частоты колебания до 1,5 раз, дальнейшее заполнение приводит к некоторому увеличению. Увеличение уровня заполнения до 0.5Н приводит к снижению декремента колебаний в 1,5 раза. При дальнейшем увеличении уровня наполнения уменьшение значений декремента колебаний всех моделей происходит плавно и составляет в среднем 1,1…1,15 раза. Увеличение внутреннего давления в модели приводит к снижению частот собственных колебаний модели в 1,1 раза. С ростом внутреннего избыточного давления от 0,5 МПа до 1,0 МПа наблюдается рост значений декремента колебаний в 1,27 раза.
Для оценки напряженно-деформированного состояния стенки модели трубопровода были проведены экспериментальные исследования модели трубопровода при вынужденных ее колебаниях в околорезонансной зоне.
Анализ распределения кольцевых напряжений в стенке модели трубопровода при различных значениях наполнения трубопровода и внутреннем давлении, показывает, что характер распределения напряжений в стенке трубопровода во многом зависит от уровня наполнения и места приложения нагрузки.
С повышением уровня наполнения, в нижних точках сечения модели напряжения значительно повышаются. Так, при наполнении модели 0,5Н кольцевые напряжения в нижних точках середины пролета увеличились в 1,9 раза при приложении динамической нагрузки в середине пролета 
. При приложении нагрузки в конце модели 
существенно изменяется характер распределения напряжений в сечениях средних пролетов модели, в которых напряжения увеличиваются в 1,3 – 1,6 раза по сравнению с распределениями, измеренными при приложении нагрузки в середине пролета.
Исследования модели трубопровода при вынужденных вертикальных колебаниях показали, что наибольшие напряжения возникают в нижних точках сечения модели и при приложении нагрузки в конце модели 
составила 5,0 МПа, а при приложении нагрузки в середине пролета составила 2,73 МПа для случая полного заполнения модели и внутреннем давлении 0,5 МПа.
Показано, что с изменением схемы приложения нагрузки изменяется и характер распределения напряжений в стенке модели трубопровода. При повышении уровня наполнения модели наблюдается сложное напряженное состояние стенки трубопровода с преобладанием растягивающих напряжений в верхней и нижней точках и сжатием в боковых зонах сечения оболочки.
Анализ линий эпюр распределения напряжений показал неблагоприятное воздействие вертикальной составляющей динамической нагрузки по сравнению с горизонтальной.
Исследованы амплитудно-частотные характеристики модели трубопровода при горизонтальных и вертикальных колебаниях.
Анализ амплитудно-частотных характеристик, в соответствии с рисунком 5, показывает, что с увеличением уровня заполнения с 0,5Н до 1,0Н частота первой формы колебаний модели трубопровода уменьшается в 1,12 раза, а амплитуда колебаний увеличивается в 1,25 раза. Выявлены резонансные частоты для каждого уровня заполнения модели трубопровода. Так, при увеличении уровня заполнения с 0,5Н до 1,0Н частота второй формы колебаний модели трубопровода при отсутствии внутреннего избыточного давления практически остается неизменной.
При наличии внутреннего избыточного давления равном 0,5МПа первая резонансная частота колебаний составила 9,2 Гц, дальнейшее заполнение трубопровода при наличии внутреннего давления увеличивает значения частот при уровне заполнения 1,0Н – 1,15 раза, а частоты второй формы колебаний при увеличении уровня заполнения с 0,5Н до 1,0Н увеличились в 1,2 раза.
Анализ амплитудно-частотных характеристик модели трубопровода при приложении вертикального динамического воздействия в середине пролета 
и различных уровнях заполнения, наличии или отсутствия внутреннего избыточного давления, в соответствии с рисунком 6, показал, что с увеличением уровня заполнения частота основного тона колебаний модели трубопровода уменьшается в 1,4 раза, а значения амплитуд колебаний увеличиваются в 1,2 раза. В соответствии с задачами исследования были
проанализированы формы колебаний модели трубопровода при моделировании различных эксплуатационных условий, направления и места действия динамической нагрузки.
В пятом разделе работы обсуждаются результаты применения операционного метода к исследованию динамики трубопроводов с учетом внутреннего потока жидкости. Проведено исследование дисперсионного уравнения и изучено изменение вида дисперсионных кривых при увеличении скорости жидкости в трубопроводе на упругом основании. Определены характерные частоты трубопровода и выявлена их зависимость от скорости протекания жидкости.
_______ 0.5 Н; __ __ __ 1.0 Н при Р=0 МПа
__.__.__ 0.5 Н; ___ ___ 1.0 Н при Р=0.5 МПа
Рисунок 4 – Амплитудно-частотные характеристики горизонтальных колебаний модели трубопровода без предварительного напряжения при 
_______ 0.5 Н; __ __ __ 1.0 Н при Р=0 МПа
__.__.__ 0.5 Н; ___ ___ 1.0 Н при Р=0.5 МПа
Рисунок 5 – Амплитудно-частотные характеристики горизонтальных колебаний модели трубопровода при 
Рассмотрен прямолинейный достаточно толстостенный трубопровод с неизменным поперечным сечением. Поведение упругой среды, контактирующей с трубопроводом, описано винклеровской моделью, а жидкость в трубе идеальной несжимаемой и заполненной полностью.
Проведен анализ дисперсионного уравнения вида
(33)
Корни уравнения (33) определены по стандартным программам определения корней полиномов. В результате найдены зависимости частот от волнового числа и получены дисперсионные кривые для различных значений скоростей потока жидкости.
Выявлено, что влияние внутреннего давления в жидкости на динамические характеристики трубопровода незначительно, а наибольшее влияние на них, при постоянном коэффициенте упругости основания, оказывает скорость потока жидкости.
Рассмотрен вопрос определения статического напряженно-деформированного состояния трубопровода на основе полученной фундаментальной системы Коши для дифференциального уравнения изогнутой оси трубопровода на винклеровском основании для случая полубесконечной его длины. Рассмотрен пример трубопровода на трех опорах с заделанными краями.
Исследована реакция трубопровода на опорах, подверженных динамическим воздействиям. Предложена методика решения задачи основанная на методе кратных интегральных преобразований с использованием численного определения оригинала, которая учитывает наличие давления в жидкости и движение жидкости по трубопроводу.
Рассмотрим прямолинейный трубопровод, опирающийся на упругие опоры жесткости 
( 
). По трубопроводу протекает идеальная несжимаемая жидкость, а распределение скорости по профилю трубопровода остается равномерным. Уравнение движения жидкости в трубопроводе в безразмерных параметрах для такого случая представимо в виде:
(34)
Для решения задачи используем метод интегральных преобразований по двум переменным и получим обыкновенное дифференциальное уравнение четвертого порядка
. (35)
Применяя интегральное преобразование Лапласа по пространственному аргументу получим решение
(36)
Приведены примеры расчета. Рассматривая формы прогиба трубопровода в последовательные моменты времени, выявлено нарушение симметрии при колебаниях трубопровода за счет движения жидкости по трубопроводу.
Исследована реакция трубопровода на винклеровском основании на нестационарное воздействие. Описана универсальная методика расчета трубопровода на действие нестационарных нагрузок при докритических значениях скорости потока жидкости.
Дифференциальное уравнение прогиба трубопровода имеет вид:
(37)
Решение уравнения (37) получено методом интегральных преобразований в виде:
. (38)
Обращение решения (38) по времени проведено численно методом начальных параметров. Представлены формы прогиба трубопровода в последовательные моменты времени при различных значениях скорости потока жидкости. Показано, что увеличение скорости потока жидкости приводит к увеличению максимального динамического прогиба, а значение давления в жидкости мало влияет на реакцию трубопровода.
В разделе также изложена методика определения реакции бесконечного трубопровода на нестационарное воздействие, учитывающая наличие винклеровского основания и влияние кориолисовых сил и давления со стороны протекающей жидкости на реакцию трубопровода.
На рисунке 6 представлены результаты сравнения формы прогиба для одного и того же момента времени полубесконечной трубы, полубесконечного трубопровода от удвоенной силы и трубопровода с покоящейся жидкостью.
Характерной особенностью для бесконечного трубопровода является несимметричность распространения возмущений, что связано с наличием движущейся в трубопроводе жидкости. При нулевой скорости потока жидкости прогибы трубы симметричны относительно оси ординат. Сделан вывод, что учет только присоединенной массы жидкости дает качественно неверную картину деформирования трубопровода при наличии в нем движущейся жидкости. Количественное различие возрастает с увеличением скорости потока жидкости.
Рисунок 6- Формы прогиба трубопровода с «плавающей заделкой» (1), трубо- провода от удвоенной силы (2) и трубопровода с покоящейся жидкостью (3)
В шестом разделе работы произведено анализ и сравнение результатов теоретических исследований и экспериментальных данных, а также сравнение с результатами исследований других авторов. На основе результатов комплексных исследований динамики трубопроводов с протекающей жидкостью и методик их расчета разработана методология оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом эксплуатационных условий, заключающихся в учете скорости потока жидкости, уровня наполнения трубопровода, давления в трубопроводе, направления и характера приложения динамической нагрузки.
Результаты работы нашли применение в Абайском и Тюлькубаском РГУ ЮКПФ АО «КазТрансГаз-Аймак» и в ТОО «Юсталькон». Разработанная методика оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом эксплуатационных условий передана в отдел ПТО ЮКПФ АО «КазТрансГаз-Аймак». Общий ожидаемый эффект о реализации результатов исследования составил 7млн.780 тыс. тенге.
Заключение
Краткие выводы по результатам диссертационного исследования:
1. С целью анализа динамического поведения криволинейного участка трубопровода на основании общего решения системы дифференциальных уравнений движения криволинейной оболочки, основанного на геометрически нелинейном варианте полубезмоментной теории оболочек и теории потенциального течения несжимаемой жидкости, получено уравнение движения криволинейной оболочки со стационарным потоком жидкости.
2. На основе уравнения движения криволинейной оболочки разработана методика определения частот собственных колебаний криволинейных участков тонкостенного трубопровода большого диаметра, находящихся под воздействием внутреннего давления и гидростатического давления, вызванного движением жидкости. Получены формулы для круговой частоты собственных изгибных колебаний криволинейного участка трубопровода с протекающей жидкостью при недеформируемом и деформируемом контурах поперечного сечения трубопровода.
3. Исследования собственных колебаний криволинейных участков стальных трубопроводов с потоком жидкости при различных значениях относительной кривизны 
, тонкостенности 
труб и разных скоростях 
протекающей по трубопроводу жидкости показали, что скорость потока 
, изменяющаяся в диапазоне скоростей протекания по трубопроводу жидкости до 
, мало влияет на частоты собственных колебаний криволинейных участков трубопровода по всем исследованным оболочечным формам колебаний. Для каждого из рассмотренных участков трубопровода наибольшими частотами собственных колебаний явились частоты по первой форме колебаний 
, при которой отсутствует деформация контура поперечных сечений трубы. При этих частотах участки трубопровода следуют рассматривать по стержневой модели.
Наименьшая частота изгибных колебаний, наиболее важная для динамического расчета трубопровода, реализуется при оболочечных формах колебаний и соответствует деформированному контуру поперечного сечения трубы.
С увеличением кривизны участка трубопровода при постоянном значении 
и наоборот, при увеличении относительной толщины 
и постоянной кривизне трубы, частоты 
собственных изгибных колебаний увеличиваются. Сделан вывод, что чем больше кривизна трубы и толще его стенка, тем более жесткой она становится.
4. На основе полубезмоментной теории оболочек получены формулы для определения частот колебаний, которые позволяют исследовать более широкий класс труб по сравнению с решениями, основанными на теории колебаний стержней. На основе указанных формул установлены зависимости частот колебаний криволинейного трубопровода от скорости и давления протекающей жидкости и геометрических параметров трубопровода.
Установлено, что на частоты свободных колебаний криволинейного трубопровода оказывают существенное влияние соотношения геометрических параметров 
и 
. Показано, что с увеличением 
и уменьшением 
частота резко уменьшается, труба становится менее жесткой, влияние концевых закреплений – менее ощутимым.
Дальнейшее увеличение параметра 
приводит к тому, что низшая частота реализуется при 
, т.е. свободные колебания совпадают с первым тоном изгибных колебаний балки.
Анализ частот свободных колебаний трубопровода показывает, что при достаточно тонких стенках трубы на частоту свободных колебаний при 
заметное влияние оказывает внутреннее давление жидкости. Естественно, что с увеличением давления частота увеличивается, так как оболочка становится более жесткой. Расчеты подтверждают известный вывод о том, что с увеличением скорости потока жидкости частота уменьшается. При дальнейшем увеличений скорости одна из частот может обращаться в нуль, что приводит к потере устойчивости оболочки. Для коротких и тонкостенных труб с ростом скорости низшая частота при 
уменьшается быстрее, чем при 
. У длинных труб, наоборот, низшие частоты при 
достигают нуля быстрее, чем при 
.
5. Экспериментальными исследованиями модели линейной части трубопровода установлено напряжено-деформированное состояние стенки при статических нагрузках, определены частоты и декременты колебаний при свободных ее колебаниях и различных эксплуатационных условиях.
Анализ результатов исследования показал, что собственная частота колебаний пустой модели составила 12,8 Гц, декремент колебаний 0,190. При заполнении модели жидкостью на первом этапе происходит снижение (до 0,75Н) частоты и декремента колебаний, дальнейшее заполнение приводит к некоторому увеличению частоты и плавному снижению декремента колебаний. Увеличение внутреннего избыточного давления в модели приводит к снижению частот собственных колебаний модели в 1,1 раза и росту значений декремента колебаний в 1,27 раза.
6. Проведены исследования напряженно-деформированного состояния модели трубопровода при вынужденных ее колебаниях. В целом анализ наряженного состояния корпуса модели трубопровода свидетельствует о том, что для каждого уровня наполнения модели имеется своя характерная эпюра распределения по поперечным сечениям модели кольцевых и меридиональных напряжений, причем максимальные значения напряжений при всех рассмотренных эксплуатационных режимах имеют место в нижних зонах поперечных сечений трубопровода. Общая картина напряженно-деформированного состояния трубопровода при его колебаниях является несимметричной.
Наибольшие динамические напряжения возникают в нижних точках сечения модели при приложении нагрузки в конце пролета, которые превысили статические в 1.9 раза, и в 1.3 и 1.6 раза динамические напряжения при приложении нагрузки в середине пролета. Анализ эпюр распределения напряжений показал неблагоприятное воздействие вертикальной составляющей динамической нагрузки по сравнению с горизонтальной.
С точки зрения цели настоящего исследования замечено преобладание оболочечных эффектов в напряженно-деформированном состоянии трубопровода, что указывает на необходимость проведения расчета по оболочечной модели. Показано, что с изменением схемы приложения нагрузки изменяется и характер распределения напряжений в стенке модели трубопровода.
7. Получены амплитудно-частотные характеристики колебаний модели трубопровода при моделировании различных эксплуатационных условий. Характер амплитудно-частотных зависимостей показал существенное влияние уровня наполнения и внутреннего избыточного давления на амплитуду и частоты вынужденных резонансных колебаний трубопровода. Анализ амплитудно-частотных характеристик показывал, что с увеличением уровня заполнения частота первой формы колебаний модели трубопровода уменьшается, а амплитуда колебаний увеличивается. Выявлены резонансные частоты для каждого уровня заполнения модели трубопровода, как по первой, так и по второй формам колебаний.
8. Поставлена и решена задача о совместных колебаниях цилиндрической оболочки и вязкой жидкости, и разработаны алгоритм и программа для исследования колебаний трубопроводов, контактирующих с транспортируемой жидкостью. Проведено исследование дисперсионного уравнения и изучено изменение вида дисперсионных кривых с учетом скорости потока жидкости в трубопроводе на упругом основании и выявлены зависимости частот колебаний трубопроводов от скорости потока жидкости в трубопроводе.
9. Разработана методика определения реакции заполненных движущейся жидкостью прямолинейных трубопроводов, основанная на использовании интегрального преобразования Лапласа по двум переменным с численным обращением по одной из них. Показано, что пренебрежение силой Кориолиса дает качественно и количественно неверную картину поведения трубопровода, содержащего поток движущейся жидкости, если скорость этого потока превышает значение одной десятой от критического значения скорости потока жидкости. Решена задача определения реакции трубопровода с жидкостью на действие подвижной нагрузки и установлено, что движением жидкости можно пренебречь только при значениях скорости жидкости меньших приблизительно одной десятой от критического значения скорости потока жидкости.
10. Исследована реакция трубопровода на винклеровском основании на нестационарное воздействие и разработана универсальная методика расчета трубопровода на винклеровском основании на действие нестационарных нагрузок при докритических значениях скорости потока жидкости. Результаты исследования показали, что повышение жесткости основания приводит к уменьшению максимальных динамических значений прогиба и напряжений и повышению частоты гармонической составляющей реакции трубопровода.
11. На основе результатов комплексных исследований динамики трубопроводов с протекающей жидкостью и методик их расчета разработана методология оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом эксплуатационных условий, заключающихся в учете скорости потока жидкости, уровня наполнения трубопровода, давления в трубопроводе, направления и характера приложения динамической нагрузки.
Оценка полноты решений поставленных задач. В результате комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены результаты, которые можно использовать для научно обоснованных методов расчета и оценки динамической прочности магистральных газо- и нефтепроводов с учетом различных эксплуатационных условий, обоснованного выбора рабочих параметров транспортируемого продукта. Предложенные методики и методы оценки прочности с учетом характера потока жидкости, скорости транспортирования и характера приложения динамической нагрузки могут быть приняты за основу при подготовке руководящих и инструктивных документов регламентирующих проектирование и эксплуатацию магистральных трубопроводов.
Поставленные задачи решены, цель работы достигнута. Результаты работы доведены до внедрения в производство и учебный процесс, что указывает на полноту решений поставленных перед работой задач.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Разработанные в работе методология оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом характера потока и скорости протекания транспортируемой жидкости, программы и алгоритмы расчета могут быть использованы инженерно- техническими работниками нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, научно-исследовательских и проектных организациях при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов для повышения их надежности, безопасности и уменьшения риска аварий на трубопроводах.
Исходными данными по использованию результатов исследования являются конструктивные решения трубопроводов, существующие методы прочностного расчета, нормативные, руководящие и инструктивные документы, а также эксплуатационные параметры и режимы работы трубопроводов.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Экономический эффект от внедрения в производство результатов диссертационного исследования составил: в Абайском и Тюлькубасском РГУ ЮКПФ АО «КазТрансГаз-Аймак» - 6 млн. 620 тыс. тенге, ТОО «Юсталькон» – 1 млн. 260 тыс. тенге.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. На основании результатов диссертационного исследовании усовершенствована методика оценки динамической прочности магистральных трубопроводов с учетом его взаимодействия с потоком транспортируемой жидкости, а также с учетом рабочих параметров и режимов транспортирования продукта, которая с успехом может быть использована в науке и технике для проектирования других технологических трубопроводов (водоводы, гидротехнические сооружения, трубы реакторов и т.д.). Результаты исследования значительно дополняют ранее известные данные о динамике магистральных трубопроводов с потоком транспортируемой жидкости, обладают новизной, практической ценностью и могут быть использованы для решения подобных задач в других отраслях промышленности.
Условные обозначения: 
-кривизна осевой линии, м-1; 
-компоненты вектора перемещений; 
- крутящий момент относительно оси вращения, возникающий в нормальном сечении; 
-относительный угол закручивания сечения; 
-модуль сдвига; 
-момент инерции сечения при кручении; 
-кривизна деформированной осевой линии; 
-площадь нормального сечения, м2; 
объемная плотность стержня, кг/м3; 
полярный момент инерции нормального сечения относительно оси х; 
-перемещения оболочки; 
-коэффициент Пуассона; 
-круговая частота свободных колебаний, Гц; 
-низшая частота собственных колебаний трубопровода, Гц; 
- частота внешнего возбуждения, Гц; 
-тензор напряжений, 
- вектор перемещений, 
-единичный тензор второго ранга, 
-тензор деформаций Коши, 
и 
-коэффициенты вязкости, 
,, 
давление, Па; С0 - адиабатическая скорость звука в жидкости; J1- Функция Бесселя первого порядка; 
произвольная постоянная; р – рабочее (нормативное) давление, Па; Dвн – внутренний диаметр трубы, м; 
- номинальная толщина стенки трубы, м; W – момент сопротивления сечения трубы, м3; R – радиус оси криволинейного участка, м; 
- центральный угол в радианах; 
-коэффициент, значение которого зависит от условий закрепления концов участка трубопровода и от формы колебаний; 
-плотность материала трубы и жидкости соответственно, кг/м3, 
- площади поперечного сечение стенок трубы и жидкости, м2;
- изгибная жесткость трубы, Н/м, 
- длина трубопровода, м; 
-скорость протекающей жидкости, м/c2; 
-гидростатическое внутреннее давление жидкости в трубопроводе, Па; 
-критическая сила, Н; 
волновые числа, определяющие формы колебаний оболочки в окружном и продольной направляющей соответственно.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1 Сафаров И.И., Марасулов А.М. О колебаниях криволинейного стерженя // Материалы Междунар. научно – практич. конфер. «Наука и образование на современном этапе». – Шымкент. - 2005. - С.135-138.
2 Марасулов А.М. Колебания заглубленных труб изолированных мягким грунтом // Материалы Междунар. научно – практич. Конфер. «Наука и образование на современном этапе». – Шымкент. - 2005. - С.100-103.
3 Сафаров И.И., Марасулов А.М., Жакыпбекова Р.Л. Распространение волн в двухслойном цилиндре с жидкостью, находящегося в упругой среде // Вестник МКТУ им.А Ясави. – Туркестан. -2005. -№ 6. - С. 18-20.
4 Марасулов А.М. О распространении волн случайно неоднородных упругих средах // Вестник МКТУ им.А. Ясави. – Туркестан. -2005. -№ 6. - С. 3-5.
5 Марасулов А.М. Динамические напряжения и смешения вблизи поверхности разрыва от плоской гармонической вязкоупругой волны // Материалы Междунар. научно–технич. конфер. «Современные проблемы и перспективы механики». - Ташкент. -2006. - С.298-300.
6 Марасулов А.М., Жакыпбекова Р.Л. Исследование напряженно-деформированного состояния цилиндрических тел при воздействии гармонических волн // Материалы Междунар. научно–технич. конфер. «Современные проблемы и перспективы механики». -Ташкент. -2006.- С. 302-304.
7 Марасулов А.М. Выбор оптимальных парметров госителей для выброзашитных систем с конечным числом степеней свободы // Вестник МКТУ им. А.Ясави. - Туркестан. - 2006.- №3. - С. 21-27.
8 СафаровИ.И., Марасулов А.М., Жаыпбекова Р.Л. Свободные волны в круговом цилиндре // Материалы Междунар. научно-технич. конфер. «Современные проблемы и преспективы механики». - Ташкент.- 2006.-С. 381-383.
9 Марасулов А.М. Воздействие трубопровода и сейсмической волны в одномерном приближении при наличии трения на границе контакта.// Материалы Республиканской научн. конфер. «Моделирование механических систем и процессов». – Караганда. -2007. – С. 35-46.
10 Марасулов А.М., Жакыпбекова Р.Л. О распространении плоских волн напряжения в вязкоупругом слоистой среде // Материалы Республиканской научн. конфер. «Моделирование механических систем и процессов». –Караганда. - 2007. – С. 25-34.
11 Сафаров И.И., Марасулов А.М., Жакыпбекова Р. Вынужденные колебания цилиндрических оболочек при воздействии подвижной нормальной нагрузки с учетом волновой диссиации энергии // Механика и моделирование процесов технологии. –Тараз. - 2007. -№1 - С. 52-57.
12 Сафаров И.И., Марасулов А.М., Тешаев М.Х. Собственные колебания цилиндрических оболочек, находящихся в безграничной упругой среде // Материалы Междунар. конфер. по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ 2008).- Алушта. - 2008. –С.71-75.
13 Марасулов А.М. Воздействие сейсмических волн на цилиндрическую трубу с жидкостью // Труды Республиканской научно - практич. конфер. посвященной 70-летию видного ученного геомеханике, д.т.н, профессора Т.Б.Байтелиова.- Туркестан. - 2008. - С.120-122.
14 СафаровИ.И., Марасулов А.М., Жаыпбекова Р.Л. Нестоционарные колебания параллельных цилиндрических труб, находящихся упругой среде // Научный журнал министерства образования и науки. «Поиск». – Алматы. -2008. -№2. -С. 201-205.
15 Марасулов А.М. Распространение волн в цилинлрическом слое с жидкостью // Вестник ТарГУ имени М.Х.Дулати «Природапользование и проблемы антропосферы». –Тараз. - 2008. -№3. - С. 187-192.
16 Марасулов А.М. Передача подвижной нормальной нагрузки на упругую среду через амортизирующий слой // Вестник ТарГУ имени М.Х.Дулати «Природапользование и проблемы антропосферы». –Тараз.- 2008.-№3 - С.193-199.
17 Марасулов А.М. Волны в бесконечным цилиндре с радиальной трещиной // Современные проблемы механики сплошных сред.–Бишкек. - 2008. - Выпуск 7. -С. 100-107.
18 Сафаров И.И., Марасулов А.М., Тешаев М.Х., Хамраева З.К. Воздействие трубопровода и сейсмической волны в одномерном приближении при наличии трения границе контакта // Материалы Междунар. научно-практич.конфер. «Проблемы подготовки специалистов высшего профессианального образования в ХХІ веке: прошлое настояшее и будущее». - Шымкент.- 2009. - С. 207-209.
19 Марасулов А.М. Распространение поперечных волн в бесконечно длинном цилиндрическом слое находящемся в упругой среде // Механика и модельирование процессов технологии. - Тараз. -2009. -№2. -С.251-254.
20 Айнабеков А.Й., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Колебания цилиндрических тел с жидкостью при воздействи динамическых нагрузок // Механика и модельирование процессов технологии. - Тараз. - 2009. -№2. -С.213-215.
21 Айнабеков А.И., Марасулов А.М. О распространении волн в трехслойном изотропном цилиндре // Наука и образования южного Казахстана. - Шымкент. - 2009. - №2. –С.125-129.
22 Айнабеков А.И., Марасулов А.М. О распространении гармонических волн в длинном цилиндре с радиальной трещиной // Труды Междунар. научно-практич. конфер. «Механика и строительство транспортных сооружений», 75-летию Заслуженного деятеля науки и техники Казахстана, академика НАН РК,д.т.н., профессора Айталиева Ш.М. - Алматы. - 2010. -С.208-213.
23 Раимбердиев Т.П., Марасулов А.М. Собственные колебания торидальных оболочек взаимодействующих с жидкостью // Вестник МКТУ им.А.Ясави. - Туркестан. - 2010.- №1-2. – С.8-11.
24 Марасулов А.М. О собственных колебаний криволинейных стержней // Вестник МКТУ им.А.Ясави. - Туркестан. - 2010. - №1-2. - С.33-36.
25 Марасулов А.М. Методика определения частот собственных колебаний криволинейного участка трубопровода // Вестник Каракалпакского государственного университета им. Бердаха. - Нукус.- 2010. - №1-2(6-7).- С. 9-12.
26 Марасулов А.М. Взаимодействие грунта и трубопровода при воздействии плоской волны с продольным потенциалом // Вестник Каракалпакского государственного университета им. Бердаха. – Нукус.- 2010. - №1-2(6-7). – С. 5-6.
27 Марасулов А.М. О собственных осесимметричных колебаниях цилиндрической оболочки с жидкостью // Материалы Междунар. научно- практич. конфер. «Современные проблемы механики». – Алматы. -2010. – С. 128-132.
28 Марасулов А.М. Продольно-поперечные колебания цилиндрической оболочки с жидкостью // Материалы Междунар. научно- практич. конфер. «Ержановскик чтения-3». -Актобе.- 2010. - С. 238-240.
29 Марасулов А.М. «Результаты статического расчета линейной части трубопровода с жидкостью» // «Вестник ПГУ».- Павлодар. - 2010. – С.83-92.
30 Сулейменов У.С., Марасулов А.М., Молдагалиев А.Б. Результаты экспериментальных исследовании напряженно-деформированного состояния моделей надземного трубопровода на статические воздействия // «Вестник ПГУ». – Павлодар.- 2010. –С.124-129.
31 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Напряженно-деформированное состояние моделей надземного трубопровода при статических нагрузках // Наука и образования южного Казахстана. - Шымкент. -2010. -№4(83). –С. 69-71.
32 Айнабеков А.И., Марасулов А.М. Математическое описание стационарных продольно-поперечных колебаний цилиндрической оболочки с жидкостью // Вестник ТашИИТ. - Ташкент. -2010. -№2. – С.30-31.
33 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Математическое описание собственных осесимметричных колебании цилиндрической оболочки с жидкостью // Вестник ТашИИТ. -Ташкент. -2010. - №1. –С.28-31.
34 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. О распространении волн в слоях, находящихся в деформированных средах // Труды университета КарГТУ. - 2010. - №1. – С.71-74.
35 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Амплитудно-частные характеристики модели трубопровода при вынужденных горизонтальных колебаниях // Проблемы механики. – Ташкент.- 2010.- №2. – С. 9-12.
36 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Экспериментальное исследование динамических характеристик модели трубопровода в режиме свободных колебаний // Наука и образования южного Казахстана. – Шымкент. -2010. - №4(83). – С.69-71.
37 Айнабеков А.И., Марасулов А.М. Экспериментальные исследования модели надземного трубопровода на статические нагрузки // Вестник КазГАСА. –Алматы. -2010. -№ 2(36). – С.74-78.
38 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Моделирование корпуса трубопровода с учетом динамических воздействии // Механика и модельирование процессов технологии. - Тараз. - 2010. -№1. - С.35-68.
39 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Амплитудно-частотные характеристики модели трубопровода с жидкостью при вынужденных ее колебаниях // Механика и модельирование процессов технологии. - Тараз. - 2010. - №1. - С.78-81.
40 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Результаты испытания модели линейной части трубопровода на вынужденные горизонтальные колебания // Механика и моделирование процессов технологии. - Тараз. - 2010. - №1. - С.22-26.
41 Сулейменов У.С., Марасулов А.М., Шупакова Р.А. Результаты модельных испытаний моделей надземного трубопровода на статические воздействия // Вестник ТарГУ имени М.Х.Дулати «Природопользование и проблемы антропосферы».- Тараз.- 2010. - №2. – С.134-139.
42 Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Амплитудно-частотные характеристики модели трубопровода при вынужденных вертикальных колебаниях // Сборник статей Междунар. Научно- практич. конфер. «Управление качеством в современной организации». – Пенза. - 2010. – С.8-12.
43 Марасулов А.М. К вопросу совершентвования норм проектирования магистральных газонефтопроводов // Материали За І международна научна практична конференция «Динамиката на съвременната наука - 2010». - София «Бял ГРАД-ВГ» ООД. - 2010. - Т9. – С. 5-8.
44 Марасулов А.М. К расчету толщины стенки труб магистральных газонефтепроводов по нормам СНиП 2.05.06-85* // Вестник МКТУ им.А.Ясави. – Туркестан. -2010. №4-5. – С. 21-25.
45 Айнабеков А.И., Марасулов А.М. Эксплуатационная безопасность магистральных газопроводов // Вестник МКТУ им.А.Ясави. – Туркестан.-2010. - №4-5. –С. 54-56.
46 Марасулов А.М. Статический расчет линейной части трубопровода с жидкостью // Вестник МКТУ им.А.Ясави. – Туркестан. - 2010. - №4-5. -С. 34-39.
47 Марасулов А.М. Совершенствование отечественных норм проектирования магистральных газонефтепроводов // Вестник МКТУ им.А.Ясави. – Туркестан. - 2010. - №4-5. - С. 89-91.
48 Марасулов А.М., Шупакова Р.А. Моделирование динамических воздействий и конструкций трубопроводов // Вестник КазГАСА. –Алматы. -2010. -№ 2(36). – С.108-115.
49 Сулейменов У.С., Марасулов А.М. Моделирование горизонтальных и вертикальных динамических воздейтвий типа сейсмических в конструкциях // Вестник ТарГУ имени М.Х.Дулати «Природапользование и проблемы антропосферы». - Тараз. -2010. - №2. - С.78-83.
Марасулов Абдурахим Мстафалы
«Эксплуатациялы жадайды ескере магистралды бырларды динамикалы беріктігін баалауды ылыми негіздерін жасау»
01.02.06 - Машиналарды, аспаптарды жне аппаратураларды динамикасы,беріктігі жне 01.02.04 –Деформацияланатын атты дене механикасы мамандытары бойынша техника ылымдарыны докторы ылыми дрежесін алуа арналан диссертацияа
тжырым
Зерттеу нысаны. Мнай мен мнай німдерін тасымалдауа арналан болат магистралды бырлар.
Жмысты масаты. бырларда аып жатан сйыпен зара байланыстарын ескере отырып магистралды бырларды динамикалы беріктігін баалауды ылыми негіздерін жасау жне оны негізінде есептік баалауды дістемесін ру.
Жмысты жргізу тсілдері мен дістері. Жмыста зерттеулерді жргізу шін математикалы лгілеу тсілдері, састы теориясы тсілдері, материалдар мен конструкцияларды сынауды тензометриялы тсілі, цилиндрлік абышалар теориясыны, серпімділік теориясыны жалпы тсілдері олданылды.
Жмыс нтижелері: 01.02.06-Машиналарды, аспаптарды жне аппаратураларды динамикасы, беріктігі мамандыы бойынша: сйытармен зара рекеттесуін ескерумен исы сызыты бырлардаы динамикалы процесстерді математикалы лгілері дамытылан, импульстерді згеруі мен саталуы заын бейнелейтін тедеу алынып бырлардаы зіндік жне мжбрлі тербелістерді шектік есептері рылан; ішінде сйыы бар бырларды исы сызыты бліктеріні зіндік тербелістері зерттелген, тербелістерді жиіліктерін анытау дістемесі жасалынып бырларды зіндік тербеліс жиіліктеріні быр ішідегі сйыты жылдамдыы мен оны геометриялы лшемдері арасындаы туелділік аныталан; абыша мен ттыр сйыты бірлескен тербелістеріне есеп ойылып шешілген жне сйыпен рекеттескен бырларды тербелісін зерттеу алгоритмдері мен бадарламалары жасалынан; дисперсиялы тедеу зерттеліп дисперсиялы исытарды згеруі, серпімді негізде орналасан сйы аыныны жылдамдыын ескере зерттелген, быр тербелісі жиілігіні сйы аыныны жылдамдыына туелділігі аныталан; ішінде сйыы бар, серпімді негізде жне тіректерде орналасан бырларды динамикасына операциялы есептеулерді олдана отырып, бырларды стационары жне стационарлы емес серлерге есептеу дістемесі жасалынан; пайдалану параметрлеріні серпімді негізде орналасан бырларды динамикалы сипаттамаларына тигізетін сері тжірибеде зерттелген жне оларды толтырылу дегейі, ішкі ысымы, амплитудалыжиіліктік сипаттамалары арасындаы туелділік аныталды; бырларды динамикалы беріктігін, тасымалданатын сйыпен зара серлерін ескере баалау дістемесі жасалынан.
01.02.04 –Деформацияланатын атты дене механикасы мамандыы бойынша: винклер жне серпімді негіздерге орнатылан бырлар шін, бырларды статикалы кернеулену-деформациялы кйін бастапы парметрлер тсілі кмегімен анытауа ммкіндік беретін, Кошиді фундаменталды жйесіні функциялары алынан; статикалы серлерде бырларды сызыты блігіні лгісінде оны абырасыны кернеулену-деформациялану кйі бааланды; бырларды толтырылу дегейі мен ішкі ысымны, резонанс аумаындаы мжбрлі тербелістер жадайларында, быр лгісіні абырасындаы кернеулерді таралуына сері бааланан.
Негізгі конструкциялы, технологиялы жне техникалы-пайдалану сипаттамалары. Жргізілген зерттеулер нтижелерінде, ртрлі пайдалану режимдерінде магистралды бырлар мен тасымалданушы сйытытар арасындаы зара байланыстары жне аынны сипаты, сйытыты жылдамдыы мен динамикалы серлерлермен жктеуді ескере отырып, бырларды динамикалы беріктігін баалау дістемесі сынылан.
Жмыс нтижелерін ендіру дегейі. Диссертацияны нтижелері «азТрансГазАйма» А-ны О филиалдарында жалпы клемі 6,62млн. тегені жне «Юсталькон» ЖШС-де жалпы клемі 1,260млн. теге райтын экономикалы тиімділікпен ндіріске енгізілген.
Енгізу сыныстары немесе ылымизерттеу жмысы нтижелерін енгізу орытындылары. бырлар динамикасы есептері, тасымалданатын сйытытар мен быр арасындаы зара сері ескере сынылып отыран есептеу дістемелері, олара арналан бадарламалар мен алгоритмдер, бырларды динамикалы беріктігін баалау дістемесі, пайдаланылан математикалы лгілер, сынылып отыран формулалар мнай жне мнай деу саласындаы ылыми-зерттеу, жобалау мекемелерінде, бырларды жобалау барысында, сонымен атар жоары оу орындарында арнайы курстарды біратар техникалы пндерін оытуда олданылуы ммкін.
олдану саласы. Диссертациялы жмыста алынан нтижелер нерксіпті мнай жне мнай ндеу, энергетика жне химиялы салаларында жне клікте кеінен олданылады.
Жмысты экономикалы тиімділігі немесе маыздылыы. Жмыста сынылан бырларды динамикалы есептеуді тсілі мен дістемесі бырларды беріктігін быр мен тасымалданатын сйы арасындаы зара байланыстары ескере баалауды ылыми негіздерін жасауа баытталан жне шектік жадайларды орын алмауына негізделген жне ылыми негізде болжауа жне бырларды сенімділігін, замерзімділігін жне ауіпсіздігін арттыруа ммкіндік береді.
Зерттеу нысанын дамытуды жобалы болжамы. бырлар динамикасын зерттеу процесті ыса мерзімде туімен, ртрлі конструкциялы жне пайдалану факторларды серлерімен тікелей байланысты біратар иындытарды орын алуына ыпал етеді. Сондытан да, магистралды бырларды динамикалы беріктігін баалауа сынылып отыран дістеме резервуарларды, жоары ысымды ыдыстар мен аппараттарды жне сйытыты цилиндрлік абышаларды жобалау мен есептеумен байланысты біратар ылыми жне практикалы есептерін шешуде пайдаланылуы ммкін.
Marasulov Abdurakhim Mustafayevich
“Development of scientific ground of main pipes dynamic durability evaluation with allowance for maintenance terms”
01.02.06 – Dynamics, strength of machines, equipments and instruments and
01.02.04 – Mechanics, of deformed solid substances for the researching degree candidate of technique
SUMMARY
Object of the research is steel main pipes for petroleum and petroleum products.
Aim of the work is development of scientific ground of main pipes’ dynamic durability evaluation with allowance for its interaction with liquid flow running in the pipe and making calculation estimation on this basis of methodology.
Method and methodology of work. Methods of mathematical modeling, physical modeling with theory of similarity methods application, strain-measuring methods of material and construction measurement, general methods of barrel shell, theory of elastic strength and plasticity in the process of research.
Work results: On speciality 01.02.06 – Machine, device and equipment dynamics and durability, mathematical models of dynamic processes in curvilinear pipes interacting with transporting liquid were developed, differential equation describing law of variability and conservation of momentum were received, and boundary-value problem of natural and enforced fluctuations of curvilinear pipes was given; natural fluctuations of curvilinear parts of pipes with liquid flow were examined, natural fluctuation’s frequency test procedure was constructed and pipes’ natural frequency fluctuations dependence on running liquid speed and pipe’s critical buckling was established; a task about barrel shell and viscous liquid combined fluctuations was given and fulfilled, algorithm and program for pipe fluctuations research contacting with transporting liquid were developed; dispersion equation research was done and dispersion curve line change was studied with allowance for liquid flow speed in pipes on elastic ground and pipes’ fluctuations frequency dependence on liquid flow speed in pipes with operational calculus to pipes dynamics task with running liquid on elastic ground and elastic bearing enclosure was revealed and pipes calculation procedure on fixed and non-steady impact was developed; experimental estimation of maintenance options impact on pipes dynamic characteristics on elastic bearings was done and dependence between pipe filling level, internal pressure and amplitude-frequency characteristics of the pipes; methodology of dynamic durability of main pipe estimation with allowance for interaction of transporting liquid was developed.
On speciality 01.02.04 – Mechanics of deformed solid substances : for pipes contacting with vinklerovski ground and pipes on elastic bearings, Koshi system fundamental functions allowing to define static tense-wrought state of pipes with the help of original parameters were received, tense-wrought state of pipes’ linear part’s model side at maintenance static impacts; filling and internal pressure level impact on distribution of dynamic pressure on pipe’s model sides at enforced per resonance fluctuations.
Basic constructive, technological and performance characteristics.
As a result of conducted research methodology of dynamic durability of main pipe estimation, essence of which is in account of their interaction with transporting liquids at various maintenance conditions, in account of flow nature, liquid running speed and dynamic load application nature.
Developed methodology combines within frequency fluctuation defining procedure, task solution of curvilinear and linear pipes’ fluctuations, pipe calculation on fixed and non-steady impact, pipes’ static tense-wrought state defining with the use of initial parameters.
Degree introduction
Economic effect from implementation to dissertation research result production was made in Abaiski and Tulkubasski RGU YuKPF “KazTrans Gas-Aimak” JSC – 6 mln.620 thousand tenge, in “Yustalkon” LLP – 1mln.260 thousand tenge.
Recommendations and results of introduction of scientific-research work
Offered calculation procedure, task solution methods of pipe dynamics with allowance for their interaction with transporting liquid flow, developed programs and calculation algorithms, methodology of main pipes dynamic durability estimation, mathematical models used in work, offered calculation formulas could be applied in research and project organizations in petroleum and petroleum refining industry at pipe designing, maintenance and repair work, and furthermore in high schools teaching some disciplines of special courses.
Field of application
Results research work results can be widely used in gas and gas-refining, power, chemical industry and transportation.
Economic efficiency and significance of work.
Methods and procedures of pipes dynamic calculation offered in work are directed to form scientific ground of main pipes’ dynamic durability evaluation with allowance for their interaction with transporting liquid, which allows to predict limiting condition occurring authentically, reasonably and on scientific basis, increases reliability and pipe safety.
Prospective development of investigating objects.
Pipe dynamics research appears as a certain difficulty connected with process rapidity, impacts of not only various constructional factors, but also maintenance factors.
In view of this offered methodology of dynamic durability of main pipes estimation can be used for scientific, practical and designing tasks solution and reservoirs, vessels and high pressure equipments calculation, as well as barrel shell with liquids.
