Мета роботи: Розробка ефективних методів оцінки технічного стану магістральних трубопроводів на потенційно небезпечних ділянок розрахунково-експериментальними методами з урахуванням пластичних деформацій металу труб. Основні задачі досліджень: 1. Створення теоретичних основ розрахунку магістральних трубопроводів за межею пружності з урахуванням стисливості і зміцнення матеріалу при комбінованому навантаженні внутрішнім (зовнішнім) тиском, поздовжньою силою, згинальним і крутним моментами в рамках безмоментної теорії циліндричних оболонок. Дослідження впливу внутрішнього тиску, поздовжньої сили, згинального і крутного моментів на характеристики жорсткості трубопроводу як стержня та зміну площі його внутрішньої порожнини. 2. Розробка теоретичних основ пружнопластичного згину довгої труби як елемента трубопроводу за одночасної дії внутрішнього (зовнішнього) тиску та поздовжньої сили в рамках півмоментної теорії циліндричних оболонок та створення на цій підставі відповідного програмного забезпечення розрахунку магістральних трубопроводів з урахуванням сплющування поперечного перерізу. Дослідження впливу ефекту сплющування на жорсткість і несучу здатність прямолінійних та криволінійних елементів магістральних трубопроводів. 3. Експериментальні дослідження пружнопластичного деформування труб в лабораторних та натурних умовах з метою обґрунтування прийнятих при теоретичних дослідженнях припущень та перевірки опрацьованих методів розрахунку елементів магістральних трубопроводів за межею пружності. 4. Обґрунтування ефективності нового способу підсилення магістрального трубопроводу за допомогою сталебетонного бандажа на розширювальному бетоні. 5. Розробка розрахунково-експериментальних методів визначення глобального напружено-деформованого стану надземних трубопроводів, що експлуатуються в екстремальних умовах за наявності значних перенапружень стосовно надземних переходів діючих нафтопроводів у зонах зсувів в Карпатах. Дослідження НДС низки таких ділянок та опрацювання науково обґрунтованих рекомендацій щодо зменшення рівня діючих в трубах поздовжніх напружень. 6. Побудова математичної моделі для визначення глобального НДС і створення методик розрахунку на міцність магістрального нафтопроводу під час капітального ремонту в траншеї без припинення перекачування нафти. Дослідження впливу основних технологічних параметрів процесу капітального ремонту на рівень ремонтних поздовжніх напружень. Розробка практичних рекомендацій щодо вибору раціональних параметрів процесу капітального ремонту. 7. Розв'язання задачі про поздовжньо-поперечний згин та втрату стійкості під час випинання відкритої ділянки трубопроводу за границею пружності стосовно виконання ремонтних робіт. ЗМІСТ ВСТУП 7 РОЗДІЛ І. СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ ВИЗНАЧЕННЯ НАПРУЖЕНЬ ЕЛЕМЕНТІВ МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ 17 Висновки до розділу 1 34 РОЗДІЛ 2. АНАЛІЗ ПРУЖНОПЛАСТИЧНОГО СТАНУ ПРЯМОЛІНІЙНОГО ЕЛЕМЕНТА ТРУБОПРОВОДУ ЗА БЕЗМОМЕНТНОЮ ТЕОРІЄЮ ОБОЛОНОК 36 2.1. Теоретичні основи пружнопластичного аналізу елементів трубопроводів 36 2.1.1. Основні залежності деформаційної теорії пластичності 36 2.1.2. Залишкові напруження і деформації при розвантаженні 40 2.1.3. Схематизація діаграми напружень 41 2.1.4. Визначення переміщень за границею пружності методом Мора.. 46 2.1.5. Принцип мінімуму повної енергії 48 2.2. Напруження і деформації в загальному випадку комбінованого навантаження труби 49 2.3. Пружнопластичний згин труби з днищами, яка перебуває під внутрішнім тиском 59 2.3.1. Постановка задачі 59 2.3.2. Положення нейтральних ліній поздовжніх деформацій та напружень 60 2.3.3. Компоненти деформації 63 2.3.4. Залежність між згинальним моментом і кривиною осі 64 2.4. Пружнопластичний стан труби при згині з крученням 68 2.5. Вплив поперечної сили на граничний стан при згині труби з днищами 74 2.6. Чисельний метод пружнопластичного аналізу труби в загальному випадку комбінованого навантаження 79 2.7. Вплив внутрішнього тиску, поздовжньої сили та згинального моменту на коефіцієнти зменшення жорсткості при згині та крученні за межею пропорційності 88 2.8. Вивчення впливу внутрішнього тиску на зміну об'єму внутрішньої порожнини трубопроводу при комбінованому навантаженні 90 Висновки до розділу 2 93 РОЗДІЛ 3. НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ ЕЛЕМЕНТІВ ТРУБОПРОВОДІВ ПРИ ЗГИНІ З РОЗТЯГОМ (СТИСКОМ) 94 3.1. Постановка задачі. Вирази для деформацій і напружень 94 3.2. Переміщення контуру поперечного перерізу труби 99 3.3. Дослідження несучої здатності прямолінійних ділянок магістральних трубопроводів 106 3.4. Оцінка місцевої стійкості при згині прямолінійних елементів магістральних трубопроводів 113 3.5. Спрощений метод розв'язування задачі пружнопластичного стану труби з урахуванням сплющування 116 3.6. Теоретичні основи розрахунку на згин елемента трубопроводу великої кривини 120 3.7. Несуча здатність при згині відводу компенсатора надземного переходу магістрального газопроводу 130 Висновки до розділу 3 132 РОЗДІЛ 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРУЖНОПЛАСТИЧНОГО СТАНУ ТРУБ 134 4.1. Випробування труб на розтяг і чистий згин 134 4.2. Експериментальна перевірка теорії пружнопластичного деформування труб за сумісної дії внутрішнього тиску, згину та стиску 143 4.2.1. Порівняння теоретичних даних з експериментальними при позацентровому стиску 143 4.2.2. Порівняння теоретичних даних з експериментальними при комбінованому навантаженні 145 4.3. Дослідження плоского згину відтинків трубопроводу 148 Висновки до розділу 4 157 РОЗДІЛ 5. НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ТРУБОПРОВОДУ ПІДСИЛЕНОГО СТАЛЕБЕТОННИМ БАНДАЖЕМ 159 5.1. Розрахункова модель напружено-деформованого стану підкріпленої сталево-бетонним бандажем зони магістрального трубопроводу 160 5.2. Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану системи "труба-бандаж" в лабораторних умовах 167 5.3. Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану підкріплених натурних труб на спеціальному стенді 171 Висновки до розділу 5 178 РОЗДІЛ 6. РОЗРАХУНКОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ МЕТОДИ ОЦІНКИ НАПРУЖЕНОГО СТАНУ БАЛКОВИХ ТА ВИСЯЧИХ ПЕРЕХОДІВ МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ 180 6.1. Взаємодія трубопроводу з грунтом на прилеглих до надземного переходу ділянках 182 6.2. Розрахунок однопрогонового безкомпенсаторного переходу без врахування поздовжніх деформацій 187 6.3. Розрахункова модель надземного балкового переходу в гірській місцевості 192 6.4. Аналіз напружено-деформованого стану однопрогонового балкового переходу 199 6.5. Метод визначення напруженого стану за границею пружності балкового переходу за виміряною кривиною 209 6.6. Розрахунково-експериментальний метод оцінки напруженого стану висячого трубопровідного переходу 213 Висновки до розділу 6 220 РОЗДІЛ 7. ОЦІНКА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ НАДЗЕМНИХ ПЕРЕХОДІВ НАФТОПРОВОДІВ "ДРУЖБА" В ЗОНАХ ЗСУВІВ 221 7.1. Методика виконання робіт 221 7.2. Оцінка міцності надземних балкових трубопроводів 225 7.3. Напружено-деформований стан надземного переходу нафтопроводу "Дружба-2" на 262 км 231 7.3.1. Загальна характеристика надземного переходу 231 7.3.2. Дослідження напруженого стану надземного трубопроводу 233 7.3.3. Періодичний контроль напруженого стану надземного трубопроводу 236 7.4. Напружено-деформований стан балкового переходу нафтопроводу "Дружба-1" на 263 км 238 7.4.1. Оцінка міцності надземного трубопроводу 238 7.4.2. Дослідження напружено-деформованого стану надземного трубопроводу під час розрізання 244 7.5. Аналіз напружено-деформованого стану за границею пружності однопрогонового надземного переходу нафтопроводу "Дружба-2" 249 7.6. Оцінка напружено-деформованого стану з урахуванням пластичних деформацій балкового переходу нафтопроводу"Дружба-1" на 233 км 255 Висновки до розділу 7 260 РОЗДІЛ 8. НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН НАФТОПРОВОДІВ ПРИ КАПІТАЛЬНОМУ РЕМОНТІ В ТРАНШЕЇ 262 8.1. Основні навантаження на трубу при ремонті в траншеї 263 8.2. Визначення поздовжніх напружень за теорією згину балок 265 8.3. Поздовжньо-поперечний згин ремонтованої ділянки трубопроводу 274 8.4. Дослідження напружено-деформованого стану нафтопроводу при ремонті без проміжних опор 281 8.5. Дослідження напружено-деформованого стану нафтопроводу при ремонті з опорами 285 8.6. Перевірка міцності труби при капітальному ремонті в траншеї.... 289 8.7. Напружено-деформований стан трубопроводу при підсадці 293 8.8. Контроль напружень при капітальному ремонті магістрального нафтопроводу 298 Висновки до розділу 8 302 РОЗДІЛ 9. ПОЗДОВЖНЬО-ПОПЕРЕЧНИЙ ЗГИН ТА ВТРАТА СТІЙКОСТІ ВІДКРИТИХ ДІЛЯНОК ТРУБОПРОВОДІВ 304 9.1. Пружний поздовжньо-поперечний згин та втрата стійкості трубопроводу при підніманні 304 9.2. Вплив нерівностей основи на пружну стійкість відкритих ділянок 313 9.3. Поздовжньо-поперечний згин і втрата стійкості за границею пружності відкритого трубопроводу 321 9.4. Напружено-деформований стан при випинанні аркоподібної ділянки магістрального газопроводу 330 Висновки до розділу 9 336 ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ 337 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 341 Додатки 366